Los campos magnéticos podrían originarse en las distorsiones del espacio-tiempo

Un campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas (flujo de la electricidad). Se suelen representar mediante “líneas de campo magnético” o “líneas de fuerza”. Si bien los físicos actuales saben cómo manipularlos y crearlos, hasta el momento no hay una clara teoría universal que explique la forma en que inicialmente se originaron en los entornos astrofísicos.

No obstante, dos científicos han propuesto algo totalmente novedoso: ellos plantearon un nuevo mecanismo de generación de campos magnéticos basado en las distorsiones del espacio-tiempo ocasionadas por la relatividad especial, según explica Physorg. Los autores han publicado los resultados de su investigación en Physical Review Letters.

El espacio-tiempo es la entidad geométrica en la cual se desarrollan todos los eventos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad. Debido a que el universo tiene tres dimensiones espaciales físicas observables, es usual referirse al tiempo como la “cuarta dimensión” y al espacio-tiempo como “espacio de cuatro dimensiones”. La Teoría Especial de la Relatividad, propuesta por Eisntein, se ocupa de los cuerpos que se mueven con velocidad constante.

El científico Swadesh Mahajan, de la Universidad de Texas en Austin, en compañía de su colega, el profesor Yoshida Zensho de la Universidad de Tokio, han decidido retomar las investigaciones de la dinámica ideal, dado que todos los mecanismos ideales son demasiado débiles y no lo suficientemente generales como para explicar el origen de los campos magnéticos. “Estamos muy lejos del entendimiento completo, pero esperamos haber dado un paso importante hacia la eventual recreación de la historia, que requerirá una gran cantidad de esfuerzo computacional”, sostuvo el científico.

Sistema no-ideal

El campo magnético que se mueve a corta velocidad comparada con la velocidad de la luz, puede representarse por un campo vectorial, caracterizado por fuerza y dirección, producidas por objetos magnéticos o campos eléctricos. Según lo describe la dinámica ideal, los campos magnéticos son matemática y físicamente el equivalente de un vórtice; esto explica su clara tendencia a girar.

Este proceso torna dificultoso el desarrollo de un análisis exacto sobre el origen de los campos magnéticos, ya que se debe tomar como punto de partida el hecho de que los campos magnéticos tienen helicidad, es decir, una especie de “carga topológica”. Empero la helicidad no puede cambiar bajo la influencia de una fuerza ideal, restringiendo la aparición de cualquier vorticidad con un valor inicial cero.

Desde el llamado efecto baroclínico, hasta los procesos derivados de la inflación, la cromodinámica cuántica y los efectos de la radiación, los expertos han puesto total atención en los mecanismos no-ideal. Pese a que estos engranajes desempeñan un papel importante a la hora de generar un campo magnético en ciertas escalas, ninguno de estos efectos puede ser considerado un artilugio único y universal que opere en todas las escalas.

Los investigadores hallaron que la vorticidad de los campos magnéticos puede ser generada en una dinámica estrictamente ideal, siempre y cuando la dinámica se incruste en el espacio-tiempo curvo descrito por la relatividad especial. Su mecanismo puede crear un campo magnético capaz de ser amplificado para crear, a su vez, grandes campos magnéticos.

“Para generar los campos magnéticos en un estado de ausencia (…) tenemos que romper el invariante topológico”, informó Mahajan. “Para que eso suceda, la fuerza efectiva tiene que ser aquella que no se pueda expresar como un gradiente perfecto. La salida baroclínica puede hacerlo y la relatividad especial también (en la dinámica ideal), simplemente con la obligatoriedad del uso de las ecuaciones del movimiento invariable de Lorente”, concluye el científico.

Reliquias del Universo

Según exponen los expertos, los efectos de la relatividad especial pueden destruir las restricciones topológicas que limitan la creación de campos magnéticos. Las distorsiones del espacio-tiempo relativista pueden modificar la forma en que los campos de flujo no homogéneo interactúan con la entropía. Si bien otros mecanismos pueden también desempeñar un papel en la creación de campos magnéticos, la nueva unidad de creación relativista ha surgido como un fuerte mecanismo ideal para el origen universal de los campos magnéticos.

Para Mahajan, los campos magnéticos se encuentran en todos los niveles de ajustes cósmicos y astrofísicos. La mayoría de ellos “son reliquias creadas en algún momento de la evolución del universo, que podrían haber desempeñado un papel fundamental en la formación de estructuras y a menos que se aísle y se determine cómo y dónde se generaron, será difícil escribir una historia satisfactoria del universo”, concluye el especialista.

El nuevo mecanismo es especialmente dominante para los flujos relativistas, como plasmas cósmicos partícula-antipartícula, plasmas en la magnetosfera de estrellas de neutrones, etc. Incluso para los plasmas no relativistas, la unidad relativista puede superar la amortiguación y siguen siendo dominantes hasta que el campo magnético alcanza valores en el rango de 1 gauss, que es aproximadamente el doble del campo magnético de la Tierra.

El descubrimiento de que la relatividad especial puede proporcionar un mecanismo universal ideal para generación de vorticidad, podría ayudar a los científicos a entender los orígenes de los campos magnéticos en entornos masivos astrofísicos. Además, también podría arrojar resultados únicos sobre las propiedades de los grandes sistemas físicos e incluso geometrías espacio-tiempo avanzadas.

“Desentrañar el origen de la generación de los campos magnéticos en los sistemas de laboratorio, especialmente en los sistemas altamente relativista, es de nuevo un determinante fundamental de la evolución ulterior de tales sistemas y debe ser sumamente entendido”, manifiesta el experto en física Swadesh Mahajan.