Hay descubrimientos científicos que parecen pertenecer a mundos completamente distintos hasta que una anomalía obliga a relacionarlos. El canto de una ballena y la teoría de la relatividad especial de Einstein son, en principio, dos asuntos sin conexión evidente. Uno pertenece a la acústica submarina y al estudio de los cetáceos; el otro, a las leyes fundamentales que describen el espacio, el tiempo y los límites de propagación de la información.
Sin embargo, un trabajo de investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Woods Hole Oceanographic Institution ha encontrado un vínculo inesperado entre ambos campos. El punto de encuentro está en un fenómeno aparentemente sencillo: cuando una misma señal sonora llega a un receptor siguiendo caminos diferentes, sus ondas pueden interferir y modificar el momento en que parece producirse su máximo de intensidad.
En determinadas condiciones, los cálculos pueden indicar velocidades del sonido muy superiores a las reales. Pero el sonido no está viajando realmente a esa velocidad. Lo que se desplaza de manera aparentemente anómala es el máximo de la señal, no la información contenida en ella. Y eso es territorio de Einstein.
Las ballenas de aleta (Balaenoptera physalus) producen sonidos capaces de recorrer enormes distancias bajo el océano. Según John Spiesberger, investigador de Earth and Environmental Sciences y uno de los autores del estudio, un canto puede ser detectado a unos 100 kilómetros de distancia mediante un solo hidrófono.
Esta extraordinaria capacidad de propagación convierte los sonidos de las ballenas en una herramienta científica de enorme valor. Los investigadores pueden colocar receptores acústicos en distintos puntos del fondo marino y comparar el instante en que cada uno recibe el mismo canto. Si se conoce la velocidad del sonido en el agua y las diferencias temporales entre los receptores, es posible calcular dónde se encontraba el animal.
Aunque el método parece sencillo sobre el papel, el problema radica en que el océano no funciona como un laboratorio acústico perfectamente limpio. Por ejemplo, mientras una señal acústica puede viajar directamente desde la ballena hasta un receptor, otra parte de esa misma onda puede rebotar en la superficie del mar antes de alcanzar el detector; como consecuencia, ambas ondas llegan al mismo destino a través de caminos diferentes y con pequeños desfases temporales.
El error que parecía un fallo informático
El científico Spiesberger descubrió este fenómeno mientras perfeccionaba un programa informático diseñado para optimizar los cálculos de localización de ballenas. Bajo condiciones normales, el sonido se propaga por el agua marina a una velocidad aproximada de 1.500 metros por segundo —aunque dicha constante fluctúa según variables ambientales como la temperatura, la presión y la salinidad—; sin embargo, al ejecutar el software, sus ecuaciones comenzaron a arrojar resultados totalmente absurdos e incoherentes.
En algunos casos, el programa calculaba velocidades cercanas a 1.000 metros por segundo. En otros, llegaba a valores de aproximadamente 3.000 metros por segundo.
Aunque la primera explicación parecía obvia y apuntaba a un error en el código, tras revisar minuciosamente el programa los investigadores descubrieron que este comportamiento no procedía de un fallo informático. El verdadero problema radicaba en la propia naturaleza de la señal, cuya anomalía se debía a la interferencia temporal que ocurre cuando las ondas acústicas viajan por dos caminos distintos y producen una señal engañosa.
Para entender este fenómeno, imaginemos a una ballena situada cerca de la superficie: mientras una parte de su canto viaja directamente hacia un hidrófono, otra parte se dirige hacia arriba, rebota en la superficie del agua y después alcanza ese mismo receptor. Dado que estas dos señales recorren distancias diferentes, terminan llegando al detector con una clara diferencia temporal entre sí.
Cuando dos ondas similares se encuentran con un pequeño desfase, pueden reforzarse o cancelarse parcialmente, lo que altera significativamente la forma de la señal registrada por el hidrófono. Debido a esto, el máximo de energía que detecta el instrumento puede aparecer antes o después de lo que cabría esperar siguiendo únicamente la trayectoria directa; por lo tanto, si el investigador utiliza ese pico como referencia para calcular la velocidad del sonido, obtendrá una velocidad aparentemente imposible, que fue precisamente lo que confundió inicialmente a Spiesberger.
La cuestión fundamental es que la señal no ha violado ninguna ley física. Lo que ha cambiado es la posición temporal del máximo de la onda.
¿Dónde entra Einstein?
La teoría de Einstein establece que ningún objeto ni señal que transporte información puede superar la velocidad de la luz en el vacío, un límite que está profundamente relacionado con la estructura del espacio-tiempo y la causalidad. Sin embargo, existe una distinción esencial entre la velocidad de propagación de la información y la velocidad aparente de una característica de una onda. En determinadas circunstancias, la forma de una señal puede modificarse de tal manera que uno de sus máximos parezca desplazarse a una velocidad superior al límite establecido.
Esto no significa que una partícula haya viajado más rápido que la luz, ni tampoco implica que se pueda enviar información de forma instantánea. En realidad, la interferencia simplemente altera la posición aparente de una característica concreta de la señal; por eso, aunque el fenómeno pueda parecer a primera vista una ruptura de las reglas de Einstein, no lo es en absoluto, ya que la clave radica estrictamente en cómo se transmite la información.
Si dos señales interfieren, el máximo resultante puede desplazarse; sin embargo, dicho desplazamiento no permite transmitir un mensaje por delante de la señal causal que transporta la información. Dicho de otra manera, un pico de onda puede parecer más rápido que la información que lo genera y, por eso, este fenómeno no permite enviar un mensaje al pasado ni superar realmente la velocidad de la luz.
La relatividad especial permanece intacta porque la causalidad no se rompe. Este detalle es precisamente lo que hace interesante el estudio: una situación cotidiana de acústica submarina permite observar un comportamiento de las ondas relacionado conceptualmente con uno de los principios fundamentales de la física moderna.
Además, los investigadores creen que comprender este efecto podría mejorar la manera en que se localizan las ballenas mediante sus sonidos. La acústica pasiva es especialmente importante porque permite estudiar a los animales sin necesidad de observarlos directamente. Una ballena puede estar a decenas de kilómetros de distancia, fuera del campo visual de un barco o bajo la superficie, y aun así revelar su presencia mediante sus vocalizaciones.
Pero si los modelos de localización no tienen en cuenta correctamente las interferencias entre la señal directa y los ecos, la posición calculada del animal puede presentar errores de cientos de metros.
En determinados estudios científicos, esa diferencia puede resultar sumamente relevante, ya que una localización más precisa permite mejorar sustancialmente el conocimiento sobre las rutas de desplazamiento, las zonas de alimentación, los patrones de comportamiento y la distribución geográfica de las poblaciones de cetáceos. Asimismo, esta precisión aporta información de gran valor en contextos de conservación donde es estrictamente necesario identificar con exactitud los puntos críticos de concentración de los animales para garantizar su protección.
Por ahora, una parte importante de este trabajo permanece exclusivamente en el terreno de la teoría y las simulaciones informáticas. Sin embargo, el siguiente paso consistirá en comprobar el efecto de forma experimental, para lo cual Spiesberger pretende comenzar con un montaje relativamente sencillo: utilizar micrófonos convencionales y una superficie rígida que permita reproducir fielmente el comportamiento reflectante de la superficie del océano.
La idea central consiste en generar una señal que pueda alcanzar el receptor a través de dos caminos distintos, permitiendo comprobar si se manifiesta el desplazamiento previsto del máximo de energía. Si este experimento acústico logra reproducir las predicciones teóricas con éxito, los investigadores planean aplicar la misma lógica matemática a un sistema óptico, una comparación que abriría la puerta a estudiar exactamente el mismo fenómeno físico utilizando ondas de luz. @mundiario