Reseña: “Ripples in spacetime” de Govert Schilling

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“La búsqueda de ondas gravitacionales es un ejemplo de libro de texto de la exploración científica, durante todo un siglo desde la predicción teórica inicial hasta la primera detección directa. Ha sido una aventura voluble de pioneros seguros de sí mismos y científicos perserverantes, sueños y pesadillas, reveses y éxitos, retos tecnológicos, y pasión e iniciativa inquebrantables. […] Hemos aprendido a surfear las olas del espaciotiempo. Aún queda bastante camino por recorrer, esto es solo el principio”.

Me ha gustado mucho el libro de Govert Schilling, “Ripples in Spacetime. Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy,” Harvard University Press (Jul 2017) [339 pp.], web. Nos describe con todo lujo de detalles, pero con una escritura ágil y de fácil lectura, todo lo que una persona interesada debe saber las ondas de Einstein, el neologismo que introduce el autor para referirse a las ondas gravitacionales. Sin lugar a dudas un libro muy recomendable.

El autor (@Astro_Govert) es un popular divulgador científico holandés (@sterrenkunde), que a sus 60 años ha depurado un estilo propio, ágil y preciso, sin obviar el rigor. Siendo periodista sin formación científica reglada ha publicado muchas piezas en Sky & Telescope y en Science. Su especialidad es la astronomía (fue director de un planetario), habiendo publicado varios best-sellers de divulgación. Su nuevo libro (que se puso a la venta el 31 de julio) promete ser todo un éxito en 2017, el año del Premio Nobel a las ondas gravitacionales (esta predicción es mía, Schilling no se moja en este asunto).

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Tras un prólogo de Martin Rees y una introducción del autor, el libro está compuesto de 16 capítulos de unas 20 páginas cada uno, finalizando con unas notas bibliográficas, agradecimientos e índice. El prólogo de Rees [pp. VII-XI] deja claro que le ha gustado el libro, como a mí. La introducción [pp. 1-3] nos aclara que “la historia de la astronomía de ondas gravitacionales ya ha sido contada antes. [Por ello, este libro] tiene mucho que ver con la ciencia en progreso, sobre el modo en el que se realizan los descubrimientos, sobre los sucesos que ocurren hoy en día y sobre las expectativas para el futuro, cuando el estudio de las ondas gravitacionales sea un campo maduro de la astronomía. El descubrimiento de GW150914 es tanto la culminación de un siglo de búsqueda como el punto de partida para un capítulo completamente nuevo en nuestra exploración del universo”.

El capítulo 1, “Un Aperitivo Espaciotemporal” (“A Spacetime Appetizer”) [pp. 5-21], se inicia con un guiño a frikis, Interstellar (2014) de Christopher Nolan, uno de cuyos productores ejecutivos es el físico Kip Thorne (futuro Premio Nobel). Sigue un repaso fugaz a la historia de la ciencia, de los griegos a Einstein, nuestra dirección en el universo, la gravitación como curvatura del espaciotiempo (con mención a Gargantúa incluida), cómo la gravitación de Einstein explica la de Newton, y un final redondo: “Hasta donde yo sé, Kip Thorne podría estar preparando una secuela” [de Interstellar].

El estilo de este capítulo es similar al resto, varias piezas cortas independientes, cada una con una historia con principio y con final. Todas estas piezas están ligadas entre sí porque forman parte del mismo capítulo y más o menos tratan sobre el mismo tema (salvo quizás en el primero). Pero el gran mérito del autor es que se pueden disfrutar de forma independiente sin ningún problema de pérdida de continuidad. Así se agiliza la lectura a ratos sueltos del libro, sin desmerecer una lectura en bloque.

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La única ecuación que aparece en todo el libro es la ecuación de Einstein para la gravitación (pág. 22) que se discute con gran brevedad siguiendo a Wheeler: “La materia la dice al espaciotiempo cómo debe curvarse; y el espaciotiempo le dice a la materia cómo moverse”. Aparece al inicio del segundo capítulo, “Hablando Relativamente” (“Relatively Speaking”) [pp. 22-39]. Decorando con notas biográficas de Albert Einstein, se comenta el principio de equivalencia, la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, el desplazamiento del perihelio de Mercurio, el papel de Grossmann en el desarrollo de la relatividad general y se finaliza con la relación personal entre Einstein y Enhrenfest.

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La sonda Gravity Probe B es la protagonista del capítulo 3, “El Juicio a Einstein” (“Einstein on trial”) [pp. 40-59], sobre las verificaciones de las predicciones de la teoría general de la relatividad. La historia de la sonda nos lleva a la desviación de la luz de las estrellas en el eclipse de 1919, el desplazamiento al rojo gravitacional, el funcionamiento del GPS, la precesión geodésica y el frame dragging (no se suele traducir en España, pero sería algo como arrastre del sistema de referencia), y una mención final a las ondas gravitacionales como la última verificación de la teoría de Einstein.

Joe Weber, padre de la detección experimental de ondas gravitacionales con sus polémicos detectores de barras, que pasó de la fama a la oscuridad tras la guerra de las barras, en la que acabó perdiendo (nadie fue capaz de reproducir sus observaciones), protagoniza “La Onda Habla y las Peleas de las Barras” (“Wave Talk and Bar Fights”) [pp. 60-76], el cuarto capítulo. Tras repasar la confusión sobre si las ondas gravitacionales existían o no durante la vida de Einstein, se define lo que son estas ondas, y el autor se adentra en la vida y obra de Weber. Con rigor y precisión deja claro que Weber nunca observó estas ondas, aunque él falleciera creyendo que sí.

El capítulo 5, “Las Vidas de las Estrellas” (“The Lives of Stars”) [pp. 77-93], nos presenta un breve curso de astrofísica estelar, con énfasis en las estrellas de neutrones. “Precisión de Relojero” (“Clockwork Precision”) [pp. 94-111], el sexto capítulo, nos habla de los púlsares. Se inicia con Jocelyn Bell y su historia, el descubrimiento del púlsar PSR B1913+16 por Hulse y Taylor, y cómo Taylor y Weisberg lo usaron para demostrar la emisión de ondas gravitacionales. Por cierto, no se deja claro que el Nobel de Física se lo llevaron Hulse y Taylor por el descubrimiento, lo premiado, dejando fuera a Weisberg, porque no se premió la parte gravitacional de forma específica.

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“Búsqueda con Láser” (“Laser Quest”) [pp. 112-128], el séptimo capítulo, se inicia con los detectores de LIGO, que el autor visitó a principios de 2015. Se explica a nivel muy básico cómo funciona un interferómetro láser y la importancia de toda la tecnología de metrología que lo acompaña. El capítulo 8, “El camino a la Perfección” (“The Path to Perfection”) [pp. 129-149], está protagonizado por los futuros galardonados con el Premio Nobel por las ondas de Einstein. Se inicia con Rai Weiss, para pasar a Kip Thorne y acabar con el ya fallecido Ron Drever. El autor demuestra su gran capacidad de contar historias al relatar el cambio en la dirección del proyecto LIGO de la troika a Robbie Vogt y luego a Barry Barish. He leído esta historia contada por Harry Collins con todo lujo de detalles, pero la versión breve de Schilling está muy bien. Finaliza el capítulo con mención a Virgo y a GEO600, que junto a LIGO conforman la Colaboración LIGO-Virgo.

El capítulo 9, “Historias de la Creación” (“Creation Stories”) [pp. 150-166], nos describe el modelo cosmológico inflacionario. El objetivo del autor es llevarnos al décimo capítulo, “Caso Reabierto” (“Cold Case”) [pp. 167-187], sobre las ondas gravitacionales primordiales y los modos B observados por BICEP2; al final todo se quedó en el polvo (interestelar o galáctico). La idea del autor es que la comunicación pública de las observaciones de Weber y BICEP2 influyeron en la comunicación pública de la Colaboración LIGO-Virgo (el mismo argumento lo ofrece Harry Collins en sus libros).

GW150914 y Marco Drago son los protagonistas del capítulo 11, “Atrapada” (“Gotcha”) [pp. 186-205]. Se describe con detalla la filtración en Twitter de Lawrence Krauss y la tensión en los medios sobre la señal era real o una simple inyección artificial. Siendo periodista científico, el autor revive este relato en primera persona. Me ha gustado mucho la tensión dramática de la exposición de Schilling. Sin lugar a dudas uno de los grandes divulgadores de la actualidad.

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Los agujeros negros son los protagonistas de “Magia Negra” (“Black Magic”) [pp. 206-225], el duodécimo capítulo. Se nos describen las tres señales observadas en el LIGO Run O1, una de ellas candidata, cuyo origen es común, la fusión de un sistema binario de agujeros negros. El autor deja claro que aún hay muchas cuestiones sin resolver sobre el origen y formación de estos sistemas binarios.

El capítulo 13, “Nanociencia” (“Nanoscience”) [pp. 226-245], nos habla de las ondas gravitacionales de nanohercios que se pueden observar con medidas de precisión de la emisión de púlsares. Se nos habla de los proyectos IPTA (International Pulsar Timing Array), en concreto, PPTA (Parkes Pulsar Timing Array), EPTA (European Pulsar Timing Array) y NANOGrav (Nanoherz Observatory for Gravitational Waves), así como SKA, MWA, ASKAP y HERA.

Todo lo anterior nos lleva a la astronomía multimensajero en “Preguntas Subsiguientes” (“Follow-Up Questions”) [pp. 246-266], el décimocuarto capítulo, que se inicia en el Observatorio Roque de los Muchachos en La Palama, Islas Canarias. Se describe con bastante detalle la red de alerta que se activa tras cada señal (trigger) de una posible onda gravitacional; se buscan señales que la acompañen en todas las frencuencias del espectro electromagnético, e incluso con neutrinos.

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Los futuros observatorios espaciales de ondas gravitacionales son las protagonistas del capítulo 15, “Invasores del Espacio” (“Space Invaders”) [pp. 267-287]. Se relata en detalle la historia de LISA, LISA Pathfinder, eLISA y de nuevo LISA; se destaca la importancia de la observación de LIGO en el renacimiento de este campo que algunos daban por muerto. Y el último capítulo, “Surfeando la Astronomía de Ondas de Einstein” (“Surf’s Up for Einstein Wave Astronomy”) [pp. 288-306], se centra en la futura red a escala planetaria de observatorios de ondas gravitacionales. Además de LIGO, Virgo y GEO600, se presentan KAGRA y LIGO India, así como los futuros ET (Einstein Telescope), LUNGO (Long Ultra-Low-Noise Gravitational-Wave Observatory) y Super-LIGO. El futuro de la astronomía de ondas gravitacionales es muy prometedor.

Finaliza el libro con unas notas y recomendaciones bibliográficas, los agradecimientos, los créditos de las ilustraciones y el índice de contenidos. En resumen, un libro muy bien escrito, muy completo, con muchas historias, tanto de científicos como de instrumentos científicos, que se lee muy fácil y que será disfrutado por la mayoría de los lectores de este blog. Supongo que en próximos años será traducido al español, pues merece realmente la pena. Auguro que será todo un best-seller en inglés.


10 Comentarios

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Alejandro G.Alejandro G.

Interesante! Estaba buscando algo actual para leer y la verdad es que me interesa el libro. Lo tengo ya en la lista de Amazon para comprar en breve. Gracias!!

Pedro MascarósPedro Mascarós

Pues mira, hablando de ondas gravitacionales, a ver si alguien sabe aconsejarme; resulta que este veranito me he sumergido con “A first course of General Relativity” de Bernard Schutz, cuya buena fama de ser muy claro e ir paso a paso está justificadísimo, y me he apoyado tanto en la solución de los ejercicios que encontré en la red, como en otro libro también muy claro y muy , muy bien explicadito todo, que es “A Student´s guide to vectors and tensors” de Daniel Fleicsch.

Ahora bien, en el libro de relatividad he llegado a la parte de las ondas gravitacionales y su detección, y ahí ya no sé si adentrarme, pues el libro de Schutz es de 1985, es decir, que han pasado 30 años, y además hemos detectado ya las ondas gravitatorias, por lo tanto, ¿alguien puede indicarme algún libro de texto más moderno de igual fama que el de Bernard Schutz?
Me intriga también todo lo referente a la forma de definir la energía en RG, ya que en el libro de Schutz se menciona estos problemas, pero no me queda claro del todo.

MarianoS

Pedro,

Dos sugerencias:

Gravity from the ground up, B. Schutz, 2003. Es un texto completamente nuevo, no una revisión del clásico del mismo autor de 1985 que tú mencionas, con un enfoque diferente pero que en mi opinion no desmerece de la buena fama del anterior. La investigación del autor ha estado muy centrada en ondas gravitatorias y el Cap. 22 se dedica a ondas gravitatorias.

Gravity, James B. Hartle, 2004. Otra muy buena exposición, con el Cap. 16 dedicado a ondas gravitatorias.

Son dos de los representantes más conocidos de la tendencia ‘Physics first’ en la enseñanza de la RG. El Schutz se limita deliberadamente a un nivel muy basico en las matematicas, pero físicamente es excelente. El Hartle tiene un buen balance entre ambos aspectos. Ambos son menos duros que el Schutz de 1985 y que los restantes textos clásicos de la generación anterior (Wald, Misner-Thorne-Wheeler, Weinberg).

En el articulo de 2012 que enlazo mas abajo tienes un buen resumen de la situación de los textos hasta ese momento, con un mapa que situa los textos en los ejes ‘Math level’ vs ‘Delay in the physics’, y que puede quizas serte útil

http://physicstoday.scitation.org/do...3/PT.3.1605

Francisco R. Villatoro

Pedro, hay muchos libros de ondas gravitacionales, unos más matemáticos, otros más astrofísicos y otros más orientados a la observación experimental; la recomendación depende del foco que prefieras. En cuanto al problema de la energía, te recomiendo “Simplified derivation of the gravitational wave stress tensor from the linearized Einstein field equations,” by Steven A. Balbus, en PNAS (2016) http://www.pnas.org/content/113/42/11662.abstract (dirigido a undergraduates se lee muy fácil y explica lo relevante, cómo las ondas producen trabajo).

Francisco R. Villatoro

Pedro, la matemática aplicada (más allá de la relatividad general numérica) que usa en el estudio de ondas gravitacionales la describe muy bien Eric Poisson, Clifford M. Will, “Gravity: Newtonian, Post-Newtonian, Relativistic,” Cambridge Univ. Press (2014), que dedica unas 150 páginas a las ondas gravitacionales. En la línea de Schutz recomendaría Michele Maggiore, “Gravitational waves. Vol. 1: Theory and Experiments,” Oxford University Press (2008); el volumen 2 todavía no está publicado.

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Pedro:

Tal vez llego tarde a los comentarios (pues ya han hecho varios buenos). Pero si aún soy oportuno debo decir que yo en lo personal me la estoy pasando verdaderamente en grande con esta belleza de libro:

https://www.amazon.com/Modern-Classi...=kip+thorne

Escrito por el propio Thorne. Además tiene un capítulo completo al respecto de ondas gravitacionales que te aseguro disfrutarás muchísmo.

planck

“La única ecuación que aparece en todo el libro es la ecuación de Einstein para la gravitación (pág. 22)” Parece que se sigue cumpliendo el principio que dice que por cada ecuación que aparece en un libro se pierden no se cuantos miles de potenciales lectores. Esto es realmente penoso puesto que es imposible entender los principios y la estructura básica de la relatividad general sin Matemáticas. Por cierto, para los que quieran empezar desde prácticamente cero y no quieran gastarse un euro recomiendo esta web: http://teoria-de-la-relatividad.blogspot.com.es/ Es un trabajo muy completo, en español y muy claramente explicado.
Einstein enseñó al mundo un Universo realmente increíble y extraño: un Universo 4-dimensional con espacios-tiempos curvados, agujeros negros, puentes de Einstein-Rosen, ondas gravitacionales… esto en 1915 debió de ser como si viniese ahora un extraterrestre y nos mostrase la tecnología de como crear una puerta interdimensional :-) De hecho creo que aún no hemos acabado de digerir todas las consecuencias de la teoría sobre todo por la dificultad de visualizar entidades 4-dimensionales. ¿Es el tiempo una dimensión más en igualdad con las espaciales? Es evidente que la igualdad no es exacta. ¿Que demonios es el tiempo? Además la RG permite lineas cerradas de tipo tiempo (aunque a nivel cuántico su existencia es muy dudosa) ¿Que demonios significa salir en un instante t y volver en un instante anterior al mismo punto? Es algo curioso que un Universo (Multiverso) tipo Everett podría “resolver” la mayoría de las paradojas asociadas a los viajes al pasado por lo que aún no es descartable que esto sea posible. Por cierto si el tiempo es una dimensión más ¿Existe todo el Universo desde siempre incluyendo pasado-presente-futuro o solo existe nuestra linea temporal (el presente)? Si la primera opción es la correcta entonces no existe nada remotamente parecido al libre albedrío (aunque para nosotros, en la práctica es como si existiese).
Einstein descubrió una “dualidad” muy interesante: Masa-Energía=Curvatura (gravedad). Es muy difícil no relacionar esta “dualidad” con la descubierta por Maldacena (en el marco de teoría de cuerdas que trata de unificar RG y MC): CFT=AdS. De hecho las similitudes son enormes: el tensor energía momento se encuentra en la teoría de campos (CFT) y la curvatura (la gravedad) en el bulk (AdS). Toda la información sobre la gravedad (el tensor de Einstein en la RG) está codificada en la CFT (el tensor energía-momento de la RG). Existe todo un diccionario en la dualidad AdS/CFT que nos indica como está codificada la información de la curvatura en la teoría de campos, existen casos concretos en los que se ha encontrado que la posición de una “partícula elemental” (una cuerda) en AdS esta codificada en forma del valor medio de una red de spin en la CFT. ¿Que significa todo esto realmente? ¿Existen las dos versiones de la dualidad al mismo tiempo? (parece que es un error pensar en la existencia de ambas versiones de la dualidad como existiendo al mismo tiempo ya que la CFT codifica la información de la gravedad para todas la escalas posibles de energía de la teoría).
Para terminar mi parrafada dominguera quiero resaltar otra curiosa “coincidencia”: la inflación se identifica con un campo con un tensor energía-momento con presiones negativas lo que produce una enorme expansión del espacio-tiempo, los wormholes asociados a algunos agujeros negros y a curvaturas negativas (tipo AdS) también requieren energía exótica con un tensor energía-momento “negativo”, el paso de un Tuv mayor que 0 a un Tuv menor que cero parece indicar un cambio de fase (como el cambio de fase de confinamiento a deconfinamiento en la teoría dual) ¿Como se puede interpretar todo esto? Parece que cuando se crea un agujero negro se produce un cambio de fase en la teoría dual lo que parece producir el espacio-tiempo extra del interior ¿transiciones a nuevos estados de vacío? ¿nuevas configuraciones en un espacio-tiempo de 10 dimensiones? ¿desintegraciones de branas? ¿estados taquionicos? ¿Alguien apuesta por alguna cosa más exótica todavía? :-) Una cosa parece clara: el espacio-tiempo está hecho de algo con propiedades fascinantes y totalmente extrañas y el día que descubramos y expliquemos estas propiedades la revolución de la RG será algo minúsculo en comparación.

Francisco R. Villatoro

Por cierto, Planck, la ecuación de Einstein aparece como poema; parece ser que la ciudad de Leiden está decorada con poemas famosos en ciertos edificios; en el Museo Boerhaave, el Museo Nacional Holandés de Historia de la Ciencia y la Medicina, aparece como poema la ecuación de Einstein.

planck

Esa es otra, en un mundo donde el anumerismo y la ignorancia científica son la tónica general un poema es algo bello pero una ecuación es algo feo, por eso, si se pone una ecuación hay que “revestirla” o rodearla de colores bonitos para que parezca algo bello (ya que casi nadie va a entender lo que significa por lo menos que parezca algo bonito y agradable a la vista). Es penoso. Tristemente, parece que apreciar la belleza Matemática es cosa de unos pocos. Es cierto que un poema puede ser bello, sin embargo, la ecuación de la gravitación de Einstein representa una de las leyes más profundas y trascendentes de la naturaleza y representa nada menos que una equivalencia entre masa-energía y gravedad, esta es la verdadera belleza de la fórmula: la idea profunda y trascendente que representa. Lo siento por los poetas o la gente de letras pero ningún poema puede ni podrá jamás superar eso. Un saludo Francis.

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