Física fundamental

Los agujeros negros dispondrían también de un túnel del tiempo

Imitan a los agujeros de gusano y posibilitan que la radiación escape de la gravedad

Los agujeros negros dispondrían también de un túnel del tiempo
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Eduardo Martínez de la Fe

Los agujeros negros dispondrían de un túnel del tiempo parecido al de los agujeros de gusano, a través del cual la radiación predicha por Hawking puede escapar de su potente campo gravitatorio. Un nuevo intento de conciliar física cuántica y gravedad.

Un agujero negro es una región finita del espacio que contiene una concentración elevada de masa con un potente campo gravitatorio del que nada puede escapar, ni siquiera la luz.

Sin embargo, el célebre astrofísico Stephen Hawking, fallecido en 2018, revolucionó la astronomía en 1974, cuando afirmó que los agujeros negros son capaces de emitir energía, de perder materia e incluso de desaparecer, algo que contradice la propia noción de agujero negro.

Esa energía se origina porque un agujero negro estaría emitiendo constantemente pares de partículas: una de ellas queda efectivamente atrapada por la gravedad, pero la otra escapa hacia fuera, provocando una emisión espontánea de radiación conocida como radiación de Hawking.

Aunque la predicción de Hawking tiene casi 50 años, científicos de todo el mundo llevan décadas tratando de comprobar que este fenómeno se puede constatar.

Intentos previos

El año pasado, científicos israelíes anunciaron que habían creado un agujero negro sónico, análogo del cósmico, del que las ondas sonoras no pueden escapar: demostraron que la radiación estacionaria de Hawking se emite realmente desde su interior, con temperatura y fuerza constantes.

Más recientemente, Haruna Katayama, investigadora de la Universidad de Hiroshima en Japón, propuso otra fórmula para replicar la radiación de Hawking en un laboratorio.

La fórmula integra no solo agujeros negros, sino también agujeros blancos, en los que nada puede penetrar, así como el entrelazamiento cuántico, que permite a dos partículas comportarse de la misma forma, aunque estén separadas entre sí.

Con estos ingredientes, Katayama diseñó un metamaterial capaz de generar la radiación de Hawking: las partículas que lo forman viajan a una velocidad superior a la de la luz y se posicionan en el horizonte de sucesos de ambos agujeros, blanco y negro.

Como Hawking decía que la radiación se produce por pares de partículas, una atrapada en un agujero negro, y otra en un agujero blanco, lo que han ideado estos investigadores es crear en laboratorio la radiación de Hawking utilizando dos partículas en entrelazamiento cuántico.

De esta forma, la partícula entrelazada observable (la que termina fuera) contiene el reflejo especular de su partícula compañera y puede confirmar así la radiación de Hawking, señala Katayama.

Nueva aproximación

Una nueva aproximación a la detección de la radiación de Hawking ha sido formulada ahora por un equipo de físicos de Riken, el gran instituto de investigación de Ciencias Naturales en Japón.

Siguiendo de alguna forma la idea del entrelazamiento cuántico propuesta por Katayama, Kanato Goto y su equipo se han apoyado en un modelo físico parecido, los agujeros de gusano, para confirmar teóricamente que la radiación de Hawking se mantiene incluso después de la desaparición de un agujero negro predicha por el astrofísico británico.

Un agujero de gusano es una supuesta característica del espacio-tiempo, según la cual existiría en el universo una especie de pasadizo secreto para recorrer en un instante enormes distancias espaciales e incluso viajar a través del tiempo. Sería como un túnel del tiempo.

Lo que han hecho Goto y su equipo es considerar que los agujeros negros imitan a los agujeros de gusano: pueden disponer de un puente similar que conecta el interior de un agujero negro con la radiación exterior.

De esta forma, han calculado que el agujero negro tiene, matemáticamente hablando, la capacidad de proporcionar una vía de escape a la radiación de Hawking.

Por este motivo consideran que los físicos tenían razón cuando sospechaban que la radiación de Hawking se conserva incluso después de la desaparición del agujero negro.

“Descubrimos una nueva geometría del espacio-tiempo con una estructura similar a la de un agujero de gusano que se había pasado por alto en los cálculos convencionales”, dice Goto. "La entropía calculada con esta nueva geometría da un resultado completamente diferente".

Nuevas preguntas

Pero esto plantea nuevas preguntas. “Todavía no conocemos el mecanismo básico de cómo la radiación se lleva la información”, dice Goto. “Necesitamos una teoría de la gravedad cuántica”, añade, refiriéndose a la paradoja que provocó Hawking con su afirmación de 1974.

La teoría de la Relatividad General de Einstein predice que nada que caiga en un agujero negro puede escapar de su interior. Pero cuando Stephen Hawking calculó que los agujeros negros deberían emitir radiación si se tiene en cuenta la mecánica cuántica, se creó una paradoja.

Si, como dice la Relatividad, el agujero negro termina evaporándose por completo con todo su contenido, esa idea contradice un principio fundamental de la física cuántica: que la información nunca puede desaparecer del universo.

“Esto sugiere que la relatividad general y la mecánica cuántica, tal como están actualmente, son inconsistentes entre sí”, dice Goto. “Tenemos que encontrar un marco unificado para la gravedad cuántica”, añade.

Eso significa que, si queremos llegar al fondo de cómo surgió el universo, necesitamos considerar la gravedad como fenómeno cuántico.

Gravedad cuántica

En la misma línea de Goto, astrónomos del Reino Unido han descubierto recientemente que los agujeros negros pueden convertirse en la puerta de acceso a la gravedad cuántica, considerada el santo grial de la Nueva Física.

Lo piensan porque han comprobado que los agujeros negros son sistemas termodinámicos más complejos de lo que se pensaba hasta ahora: no solo emiten radiación térmica, sino también una presión sobre el entorno que emana de la gravedad cuántica oculta en su interior.

La historia de este galimatías, del que dependen aspectos fundamentales para nuestra comprensión del universo, continúa sin ofrecer respuestas consistentes, pero alumbrando nuevos caminos que tal vez conduzcan a la conciliación entre física cuántica y gravedad.

Referencia

Replica wormholes for an evaporating 2D black hole. Kanato Goto et al. Journal of High Energy Physics volume 2021, Article number: 289 (2021). DOI:https://doi.org/10.1007/JHEP04(2021)289

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