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miércoles, 24 de mayo de 2017

Milgrom, el físico que niega la materia oscura

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Mordehai Milgrom proclama con orgullo, refiriéndose a la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND: Modified Newtonian Dynamics), su teoría que recompone la física newtoniana, en lugar de postular la existencia de la materia oscura y la energía oscura que, según el modelo estándar de la cosmología, constituyen 95.1 por ciento del contenido total de energía de masa del universo.

el enigmático puzzle de la materia y energía oscuras
En el aspecto tranquilo de Milgrom hay algo casi engañoso, este físico de 70 años que lleva pantalones cortos en el caluroso verano israelí, y cuya suave voz se rompe cada vez que se excita. Nada en su agradable actitud revela su afirmación de ser la tercera persona en corregir la física newtoniana: la primera fue Max Planck (con la teoría cuántica), luego Einstein (con la relatividad), ahora Milgrom.

Cuando ya se cumplen 50 años de Milgrom en el Instituto Weizmann, fui allí ha visitarlo para aprender más sobre cómo se siente al ser un inconformista de la ciencia, también por su aprecio a la Estructura de Revoluciones Científicas de Thomas Kuhn, y por qué él piensa que la materia oscura y la energía oscura no existen.

¿Qué te inspiró a dedicar tu vida al movimiento de las estrellas?

Recuerdo muy vívidamente cómo me impactó la física. Yo tenía 16 años y pensé: Aquí hay una manera de entender cómo funcionan las cosas, mucho más allá de la comprensión de mis compañeros. No era un plan a largo plazo, era una atracción diaria. Simplemente amaba la física, de la misma manera que otras personas aman el arte o los deportes. Nunca soñé viéndome un día haciendo un descubrimiento importante, como el de corregir a Newton.

En la escuela tuve a un genial profesor de física, pero cuando estudiaba el material de los libros de texto, sólo veía hechos consumados. Aún no aparecía el esfuerzo necesario para avanzar en la ciencia, cuando las cosas no están tan claras y los avances se hacen intuitivamente y, a menudo, se equivocan. No te enseñan eso en la escuela. Te enseñan que la ciencia siempre avanza: Tienes un cuerpo de conocimiento, y entonces alguien descubre algo y expande ese cuerpo de conocimiento. Pero realmente no funciona de esa manera. El progreso en la ciencia nunca es lineal.

¿Cómo te involucraste con el problema de la materia oscura?

Hacia el final de mi doctorado, el departamento de física de aquí quería ampliarse. Así que escogieron a sus tres mejores doctorandos que trabajaban en física de partículas y les dieron a elegir un nuevo campo. Elegimos astrofísica, y el Instituto Weizmann aprovechó algunos contactos con instituciones extranjeras para que nos aceptaran como postdoctorales. Así que me tocó ir a Cornell para rellenar mis huecos en astrofísica.

Después de unos años en astrofísica de alta energía, trabajando en la física de la radiación X en el espacio, decidí moverme a otro campo: La dinámica de las galaxias. Eso fue unos años después de que llegaran las primeras mediciones detalladas de la velocidad de las estrellas orbitando las galaxias espirales. Y, bueno, había un problema con las mediciones.

Para entender este problema, uno necesita saberse algunas rotaciones celestiales. Nuestro planeta orbita alrededor del Sol que, a su vez, orbita el centro de la Vía Láctea. Dentro de los sistemas solares, el tirón gravitacional de la masa del sol y la velocidad de los planetas están en equilibrio. Según las leyes de Newton, esta es la razón por la que Mercurio, el planeta más interior de nuestro sistema solar, orbita el sol a más de 160.934 km/hora, mientras que nuestro planeta más externo, Neptuno, se mueve a poco más de 16.093 km/hora.

Galaxia espiral, NASA
Ahora usted puede suponer que la misma lógica se aplica a las galaxias: Cuanto más lejos está la estrella del centro de la galaxia, más lenta orbitará alrededor de ella; sin embargo, mientras que en los radios más pequeños las mediciones eran tal y como predecía la física newtoniana, las estrellas más lejanas demostraron moverse mucho más rápidamente que lo previsto, dada la atracción gravitacional de la masa que vemos en estas galaxias. La brecha observada se hacía mucho más amplia cuando, a finales de los años setenta, los radiotelescopios fueron capaces de detectar y medir las nubes de gas frío de las afueras de las galaxias. Estas nubes orbitan el centro galáctico cinco veces más lejos que las estrellas, fue entonces que dicha anomalía creció hasta convertirse en el principal rompecabezas científico.

Una forma de resolver este rompecabezas fue, simplemente, agregar más materia. Si hay poca masa visible en el centro de las galaxias para explicar la velocidad de las estrellas y del gas, tal vez haga falta más materia que la que se ve a simple vista, una materia que no podemos ver, la materia oscura.

¿Qué fue lo primero que te hizo cuestionar la existencia misma de la materia oscura?

Lo que me llamó la atención fue la regularidad de la anomalía. Las velocidades de rotación no sólo eran más grandes de lo esperado, sino que se hicieron constantes junto con el radio. ¿Por qué? Claro, si hubiera materia oscura, la velocidad de las estrellas sería mayor, pero las curvas de rotación, es decir, la velocidad de rotación dibujada en función del radio, podrían seguir subiendo o bajando dependiendo de su distribución. Pero no lo hacían. Eso realmente me pareció extraño. Por eso, en 1980, aproveché mi año sabático y me fui al Instituto de Estudios Avanzados de Princeton con la siguiente corazonada: Si las velocidades de rotación son constantes, tal vez estemos mirando una nueva ley de la naturaleza. Si la física newtoniana no puede predecir las curvas fijas, tal vez deberíamos arreglar a Newton, en lugar de crear una nueva clase de materia para ajustar nuestras mediciones.

Si vas a cambiar las leyes de la naturaleza que funcionan tan bien en nuestro propio sistema solar, uno necesita encontrar una propiedad que diferencie los sistemas solares de las galaxias. Así que hice un mapa de diferentes propiedades, como el tamaño, masa, velocidad de rotación, etc Para cada parámetro, puse la Tierra, el sistema solar y algunas galaxias. Por ejemplo, las galaxias son más grandes que los sistemas solares, así que quizás las leyes de Newton no funcionan a grandes distancias. Pero si este fuera el caso, se podría esperar que la anomalía de rotación creciera aún más en las galaxias más grandes, en tanto que, de hecho, no es así. Así que, cruzé los datos con las propiedades siguientes.

Finalmente alcancé la diferencia en la aceleración: El ritmo al que cambia la velocidad de los objetos.

Sistema planetario, NASA
Por lo general pensamos en los coches terrestres que aceleran en la misma dirección, pero imagínese un carrusel. Usted podría ir en círculos y aún así acelerando. De lo contrario, simplemente se caería. Lo mismo ocurre con los carruseles celestiales. Y es en la aceleración donde encontramos una gran diferencia de escalas, una que justifica la modificación de Newton: La aceleración normal para una estrella que orbita el centro de una galaxia es, aproximadamente, unas cien millones de veces menor que la de la Tierra orbitando el Sol.

Para esas pequeñas aceleraciones, MOND introduce una nueva constante de la naturaleza, que denomina a0. Si estudió física en la escuela secundaria, probablemente recuerde la segunda ley de Newton: la fuerza es igual a masa por aceleración, ó F=ma. Si bien esta es una herramienta perfectamente buena cuando se trata de aceleraciones mucho mayores que a0, como las de los planetas alrededor de nuestro sol, lo que sugerí fue que en aceleraciones significativamente inferiores, incluso inferiores a las de nuestro sol alrededor del centro galáctico, la fuerza se vuelve proporcional al cuadrado de la aceleración, ó F = ma^2/a0.

En otras palabras: Según las leyes de Newton, la velocidad de rotación de las estrellas alrededor de los centros galácticos debería disminuir cuanto más lejos esté la estrella del centro de masa. Si MOND está en lo correcto, debería alcanzar un valor constante, eliminando así la necesidad de materia oscura.

¿Qué pensaron sus colegas de Princeton acerca de todo esto?

No compartí estos pensamientos con mis colegas en Princeton. Tenía miedo que me trataran como el loco de turno. Más tarde, en 1981, cuando ya tenía una idea clara de MOND, no quería que nadie se hiciera con mi carro, por así decirlo, lo que es aún más loco cuando lo piensas. Huelga decir [risas] que nadie se hizo con mi carro, incluso cuando yo, desesperadamente, quería que lo hicieran.

Bueno, tenías 35 años y te propusiste enmendar a Newton.

¿Por qué no? ¿Cual es el problema? Si algo no funciona, se arregla. No  trataba de ser audaz. Fui muy ingenuo en aquellos tiempos. No entendía que los científicos se sienten muy influidos por otras convenciones e intereses.

Le gusta la 'Estructura de las Revoluciones Científicas' de Thomas Kuhn.

Me encanta ese libro. Lo he leído varias veces. Me mostró cómo la historia de mi vida le ha sucedido a tantos otros científicos a lo largo de la historia. Claro, es fácil burlarse de las personas que alguna vez se opusieron a lo que ahora sabemos es una buena ciencia, pero ¿somos diferentes? Kuhn subraya que estos objetores suelen ser buenos científicos y con buenas razones para objetar. Es sólo que los disidentes suelen tener un punto de vista único de las cosas que no es compartido por la mayoría de los demás. Me río de ello ahora, porque MOND ha hecho tantos progresos, pero hubo momentos en que me sentí deprimido y aislado.

¿Cómo es ser un inconformista de la ciencia?

Mordehai Milgrom. Weizmann Institute Science
En general, los últimos 35 años han sido emocionantes y gratificantes, exactamente porque he estado defendiendo un paradigma inconformista. Soy un solitario por naturaleza, y a pesar de estos tiempos, intimidantes y dudosos, prefiero que esto siga el flujo general. Estaba bastante seguro de la validez básica de MOND desde el principio, lo que me ayudó mucho a tomarme esto con filosofía. Hay dos grandes ventajas a la persistente oposición a MOND: En primer lugar, me dio tiempo para hacer más contribuciones a MOND, más que si hubiera tenido que preocuparme de una comunidad interesada tempranamente en MOND. En segundo lugar, una vez aceptada MOND, la larga y amplia resistencia a ella sólo habrá demostrado la no trivialidad de la idea.

Al final de mi año sabático en Princeton, había escrito en secreto tres papers presentando MOND al mundo. Publicarlos, sin embargo, era una historia totalmente diferente. Al principio envié mi paper principal a journals como Nature and Astrophysical Journal Letters, y era rechazado casi sin pensarlo. Me llevó mucho tiempo hasta que los tres artículos fueron publicados, uno a uno, en Astrophysical Journal.

La primera persona que escuchó algo acerca de MOND fue mi esposa Yvonne. Francamente, las lágrimas asoman a mis ojos cuando cuento esto. Yvonne no es científica, pero ha sido mi mayor apoyo.

El primer científico que apoyó a MOND fue otro inconformista de la física: el fallecido profesor Jacob Bekenstein, que fue el primero en sugerir que los agujeros negros deberían tener una entropía bien definida, lo que más tarde se denominó entropía de Bekenstein-Hawking. Después de presentar la trilogía inicial de MOND, envié las preimpresiones a varios astrofísicos, pero Jacob fue el primer científico con quien discutí MOND. Desde el principio me transmitió su aliento y entusiasmo.

Lento pero seguro, esta pequeña oposición a la materia oscura ha ido creciendo de tan sólo dos físicos a varios cientos, o al menos científicos que se toman seriamente la MOND. La materia oscura sigue siendo el consenso científico, pero MOND es ahora un opositor formidable que proclama que, ‘el emperador está desnudo’, y que la materia oscura es el “éter” de nuestra generación.

Entonces, ¿qué ha pasado? En cuanto a la materia oscura, nada en realidad. Una serie de experimentos que siguen buscando la materia oscura, incluyendo el Gran Colisionador de Hadrones, muchos experimentos subterráneos y varias misiones espaciales, no han podido observar directamente su existencia. Entre tanto, MOND ha sido capaz de predecir con exactitud la rotación de más y más galaxias espirales, más de 150 galaxias hasta la fecha, para ser precisos.

¿Todas esas? Algunos artículos afirman que MOND no fue capaz de predecir la dinámica de ciertas galaxias.

Cierto, y está bien precisarlo, porque las predicciones de MOND se basan en mediciones. Dada la distribución regular de la materia visible, la MOND puede predecir la dinámica de las galaxias. Pero esa predicción se basa en nuestras mediciones iniciales. Medimos la luz que viene de una galaxia para calcular su masa, pero a menudo no sabemos con seguridad la distancia a esa galaxia, así que no sabemos con certeza cuán enorme es realmente la galaxia. Y hay otras variables, como el gas molecular, que no podemos observar en absoluto. Así que, efectivamente, algunas galaxias no coinciden perfectamente con las predicciones de MOND, pero en definitiva, lo que es casi un milagro es que tengamos suficientes datos sobre galaxias para probar MOND una y otra vez.

Sus oponentes dicen que el mayor defecto de MOND es su incompatibilidad con la física relativista.

En 2004, Bekenstein propuso su TeVeS, o Teoría Relativista de la Gravedad para MOND. Desde entonces, se han presentado varias formulaciones relativistas de MOND, incluyendo una hecho por mí, llamada Bimetric MOND, o BIMOND.

Por lo tanto, no, la incorporación de MOND a la física einsteiniana ya no es un desafío. Oigo que todavía se hace esta declaración, pero sólo de las personas que repiten como loros a otros yque no están al corriente de los acontecimientos de los últimos 10 años. Existen varias versiones relativistas de MOND. Lo que sigue siendo un desafío es demostrar que MOND puede dar cuenta de las anomalías masivas de la cosmología.

Otro argumento que los cosmólogos suelen hacer es que, la materia oscura es necesaria, no sólo para el movimiento dentro de las galaxias, sino a escalas aún mayores. ¿Qué tiene que decir MOND sobre eso?

Según la teoría del Big Bang, el universo comenzó como una singularidad uniforme hace 13.800 millones de años. Y, al igual que en las galaxias, las observaciones de la radiación cósmica de fondo del universo primitivo sugieren que, la gravedad de toda la materia en el universo, simplemente, no es suficiente para formar los diferentes patrones que vemos actualmente, como galaxias y estrellas, en sólo 13.8 mil millones de años. Una vez más, la materia oscura fue llamada al rescate: no emite radiación, pero sí engloba el material visible con gravitación. Y así, a partir de la década de 1980, el nuevo dogma cosmológico era que la materia oscura constituía un asombroso 95 por ciento de toda la materia del universo. Eso duró, bueno, hasta que algo estalló en 1998.

Resultó que la expansión del universo se estaba acelerando, no desacelerando como todos nosotros pensábamos originalmente. Cualquier forma de materia genuina, oscura o no, debería haber frenado la aceleración. Y de nuevo, se asumió otro invento, se postuló un nuevo tipo de entidad: La energía oscura. La cosmología ahora aceptaba que el universo está compuesto por 70 por ciento de energía oscura, un 25 por ciento de materia oscura y un 5 por ciento de materia regular.

Pero la energía oscura es sólo una solución rápida, lo mismo que la materia oscura. Y, al igual que pasó con las galaxias, puedes inventar todo un flamante tipo de energía y luego pasarte años tratando de entender sus propiedades, o puedes intentar enmendar tu teoría.

Entre otras cosas, MOND apunta a una conexión muy profunda entre la estructura y la dinámica de las galaxias y la cosmología. Esto no se espera en la física aceptada. Las galaxias son pequeñas estructuras dentro de la gran escala del universo, y esas estructuras pueden comportarse de manera diferente sin que implique contradicción en el consenso cosmológico actual. Sin embargo, MOND sí crea esta conexión, vinculando ambas cosas.

Esta conexión es sorprendente: Por alguna razón, la constante MOND de a0 está próxima a la aceleración que caracteriza al universo mismo. De hecho, la constante de MOND equivale al cuadrado de la velocidad de la luz, dividida por el radio del universo.

Por tanto, yendo a la cuestión que planteaba, el enigma señalado es válido en la actualidad. MOND aún no tiene suficiente cosmología, pero estamos trabajando en ello. Y una vez que lo comprendamos plenamente, creo que también entenderemos la expansión del universo, y viceversa: una nueva teoría cosmológica que explicaría MOND. ¿No sería asombroso?

¿Qué piensa de las propuestas de teorías unificadas de la física que fusionan MOND con la mecánica cuántica?

Todo esto se remonta a mi paper de 1999 sobre "MOND, como un efecto de vacío", donde señalaba que el vacío cuántico de un universo como el nuestro puede producir un comportamiento MOND dentro de las galaxias, con la constante cosmológica apareciendo bajo el disfraz de aceleración constante MOND, a0.  No obstante, estoy muy satisfecho de ver tales propuestas presentadas, sobre todo porque están hechas por gente de fuera de la tradicional comunidad de MOND. Es importante que investigadores de otros orígenes se interesen por MOND y traigan nuevas ideas para profundizar en nuestra comprensión de su origen.

¿Y si usted tuviera una teoría unificada de la física que lo explicara todo? ¿Entonces que?

Sabes, no soy una persona religiosa, pero a menudo pienso en nuestro pequeño punto azul en el espacio, y en el laborioso trabajo que los físicos hacen aquí. ¿Quién sabe? Tal vez en alguna parte de ahí fuera, en una de esas galaxias que he estado investigando, ya exista una teoría unificada conocida de la física, con una variante MOND construida en su haber. Y entonces pienso, ¿y qué? Aún nos divertimos haciendo matemáticas. Todavía sentimos la emoción de intentar comprender el universo, aunque el universo nunca lo haya notado.


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Traducido/editado por Pedro Donaire
Ref. Nautilus Cosmos, febrero 2017
"The Physicist Who Denies Dark Matter"
Por Oded Carmeli, 18 de mayo de 2017
Imagen: Mordehai Milgrom is an Israeli physicist and professor in the department of Condensed Matter Physics at the Weizmann Institute in Rehovot, Israel. Fuente: Weizmann Institute of Science. De Wikimedia.

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