Solitón: la onda inmortal
Por Paul Davies
Durante un paseo a caballo por los alrededores de Edimburgo, el ingeniero escocés John Scott-Russell observó cómo una barcaza era recomlacada a lo largo de un estrecho canal por dos caballos que tiraban desde tierra. Trasncurría el año de 1834. Mientras Russell contemplaba el espectáculo, la barcaza se detuvo repentinamente, ocasionando un movimiento violento del agua. Ante el asombro de Russell, se levantó una ola en la proa de la nave y "fue deslizándose a gran velocidad hacia adelante, formando una única ondulación de gran altura: una montaña de agua, redondeada y bien diferenciable, que continuó su recorrido por el canal, sin variar aparentemente su forma o reducir la velocidad". Russell saltó precipitado de su caballo y se lanzó en persecución del enigmático fenómeno. Durante más de dos kilómetros persiguió la ola, sin perderla de vista, hasta que desapareció entre las innumerables curvas del canal.
Todos hemos examinado en más de una ocasión los movimientos de una ola. Cuando lanzamos una piedra a un estanque se forman pequeñas ondulaciones, que se van extendiendo y ensanchando en círculos concéntricos, cada vez más débiles, hasta que se difuminan en la orilla.
Pero la gigantesca ola que Russell vio en el canal era, por le contrario, un promonitorio único sobre la superficie en calma del agua, que mantenía su forma intacta mientras avanzaba.
Siempre que se habla de longitud de onda nos referimos a la distancia que existe entre la cresta de una onda y la siguiente. La altura de la cresta se denomina amplitud. Ahora bien: ¿de qué depende la velocidad de una onda? Sabemos que "cuanto mayor sea la longitud de onda, tanto mayor será la velocidad de propagación", pero eso no toca el punto de la "amplitud".
Entonces: "La velocidad de una onda depende sólo de la longitud de onda y no de la fuerza de la onda, es decr, la amplitud". Siempre que la cresta y el seno de la ola no sean excesivamente grandes, que el mar o el lago tengan muchos centenares de metros y que ignoremos la fuerza de la ola.
¿Qués lo que ocurrió en el canal donde anduvo Russell? Como se sabe, los canales tienen la profunidad suficiente para que las quillas no toquen el fondo. Ahora bien; si la ola originada por la la proa de un barco que navega por el canal tiene una altura desmesurada, entonces el citado axioma deja ser válido. Además de la longitud de onda, resulta que la fuerza de la onda - que se refleja en la altura de su cresta - influye en la velocidad de propagación. En términos técnicos podemos afirmar que, si la superficie del agua está lisa, pero la amplitud de onda es grande, la velocidad vendrá dada en función tanto de la longitud de onda como de la altura misma.
Mientras que las ondas normales se propagan "linealmente" y se construyen mediante ecuaciones sencillas, fáciles de resolver... en el caso la onda única aparecen ante nuestros ojos procesos "no lineales". Las ecuaciones "no lineales" son una maniobra matemática que un físico teórico sólo utiliza cuando resulta absolutamente imprescindible. Las olas únicas, sin embargo, parecen no dar mucho motivo para ello. Se les considera una rareza científica con poca importancia práctica y teórica.
Los físicos de partículas tienen puestas sus esperanzas en las ondas únicas, sobre todo en el ámbito de los campos electromagnéticos. Muchos físicos teóricos creen que los solitones pueden ser considerados una nueva especie de partículas subnucleares, con propiedades interesantes y muy variadas. Entre los experimentes que han realizado, cierta vez estudiaban un nuevo tipo de campo subnuclear, cuando descubrieron que dicho campo tenía multitud de estados mínimos de energía, lo que quiere decir que el campo podía estar "retorcido" y enmarañado entre dos estados, en alguna de esas configuraciones, el solitón resultante se comportaba como una carga magnética aislada.
Sin embargo, aunque parece esperanzador, no se trata del monopolo magnético, . Pasémonos a la cuarta dimensión. ¿Cómo puede explicarse un solitón en la cuarta dimensión? Un solitón cuatridimensional es una magnitud en el espacio y el tiempo, y tiene una existencia efímera, a pesar de ello, tales "instantones" (como se les denomina), juegan un papel importante entre configuraciones de campos que anteriormente se consideraban imposibles. Dicho de otro modo; un campo de este tipo pasa de una configuración a otra atravesando un "retorcimiento".
La gravitación es una fuerza que se describe por medio de un campo no lineal. Esta alinealidad conduce a los más extraños estados de la fuerza de la gravedad, como son los agujeros negros (que podrían ser caracterizados como solitones gravitacionales). Algunos teóricos creen que, al comienzo del universo, cuando aún eran mayúsculos los efectos de la gravedad, fueron posibles los instantoes de la fuerza de la gravedad. Hay una teoría que incluso afirma que todo el universo debe su existencia únicamente a estas magnitudes, porque sólo ellas permitirían que el espacio y el tiempo hayan encontrado el camino desde la nada hasta la existencia... con ayuda de un retorcimiento.
A pesar de que tales hipótesis continúan siendo vagas, es excitante que la onda única perseguida por Russell en el canal hay traído tantos conocimientos que nos transportan hasta el nacimiento del mismo universo.
Revista Muy Interesante, Junio de 1991.
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