Stephen Hawking vinculó mundos de la física

 

De como el logro más grande de Stephen Hawking vinculó mundos opuestos de la física

(Galde 21 primavera/2018). L. Grush[1]
Antes de Hawking, los agujeros negros eran considerados los colectores de basura más misteriosos del universo. Alguna vez se creyó que nada podía escapar a la inmensa atracción gravitacional de uno de esos objetos; son tan densos que incluso atraen la luz. Pero Hawking descubrió que, de hecho, algo escapa a un agujero negro: radiación. Gracias a su trabajo, ahora sabemos que los agujeros negros ni siquiera son totalmente negros. De hecho, tienen un tenue resplandor debido a la pequeña cantidad de energía que irradian. La ecuación que Hawking ideó para explicar cómo funciona este fenómeno se convirtió en su logro más notable, uno que lleva su nombre: radiación de Hawking. “Se le ocurrió la idea de que los agujeros negros tienen temperatura”, comenta Jonathan McDowell, un astrofísico del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian.

Su trabajo revolucionó lo que se pensaba que era una verdad fundamental de los agujeros negros y, además, consiguió algo mas. Su trabajo conectó dos conceptos conflictivos en la física teórica: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. “Esos son los dos pilares sobre los que descansa la física, pero son realmente incompatibles entre sí”, señala Raphael Bousso, físico teórico de Universidad de California Berkely que fue alumno de Hawking.

La mecánica cuántica tiene que ver con la forma en que el Universo funciona en el nivel más bajo: cómo las partículas pequeñas como los electrones y los positrones se mueven y se conectan. Si quieres saber cómo se unen los átomos, por ejemplo, la mecánica cuántica te respalda. En el otro lado de la escala está la relatividad general, que explica cómo funciona la gravedad. Es la idea de que los objetos grandes del Universo, como los planetas, las estrellas y las galaxias, en realidad doblan el espacio y el tiempo a su alrededor. Y eso dicta cómo estos objetos interactúan entre sí en el espacio.

Las dos son teorías robustas, respaldadas por mucha ciencia y observación. Pero parecen estar en conflicto, por mucho que lo han intentado los físicos nunca han encajando realmente. Y eso es un problema para los físicos porque la física trata de simplicidad. “Queremos ser capaces de describir cada vez más fenómenos con menos ingredientes fundamentales”, dice Bousso.

Pero Hawking encontró una forma de unir lo grande y lo pequeño. Miró lo que sucede alrededor de un objeto realmente masivo, uno con mucha gravedad, en una escala muy pequeña. Específicamente, analizó cómo las partículas interactúan en el borde de un agujero negro, conocido como el horizonte de eventos. Este límite a menudo se conoce como el “punto de no retorno”. Una vez que cruzas esta línea, caes al agujero negro sin importar nada, a menos que hayas descubierto una forma de viajar más rápido que la velocidad de la luz.

Aquí es donde nos hacemos pequeños: de acuerdo con la mecánica cuántica, el vacío del espacio no está realmente vacío. En cambio, las partículas virtuales aparecen y desaparecen en el vacío todo el tiempo. Estas partículas aparecen como pares opuestos: una partícula con energía positiva y una negativa, un yin y un yang. Lo que le sucede a uno le afecta al otro. Por lo general, el par se unirá rápidamente y se cancelarán mutuamente. Pero si se forman en el horizonte de sucesos, eso no es lo que sucede. Las cosas empiezan a ponerse raras.

Un par de partículas que se extiende a ambos lados del horizonte de sucesos será desgarado. El agujero negro aspira la partícula con energía negativa mientras que la partícula positiva se aleja del agujero negro. Esa partícula que escapa se convierte en la radiación de Hawking. La partícula condenada se convierte en parte del agujero negro. Pero dado que tiene energía negativa, en realidad hace que el agujero negro sea un poco más pequeño.

Si dejó un agujero negro solo, este proceso continuaría por miles de millones y miles de millones de años. Finalmente, el agujero negro se consumiría, y luego, como los agujeros negros son extraños, explotan. ¿Cómo es la explosión? “Bastante pequeña según los estándares astronómicos”, escribió Hawking. Pero sigue siendo bastante grande: aproximadamente del tamaño de 1 millón de bombas de hidrógeno de un megatón.

Por supuesto, los agujeros negros generalmente están rodeados por material que constantemente cae dentro de ellos. Pero Hawking demostró que era teóricamente posible que un agujero negro desapareciera con el tiempo en las condiciones adecuadas. “Los agujeros negros no durarán para siempre”, dice McDowell. “Mucho después de que todas las demás estrellas hayan desaparecido, los agujeros negros brillarán y finalmente explotarán”.

Esta idea revolucionó la física cuando se publicó en 1974. Pero también resolvió un gran rompecabezas: si nada escapa de un agujero negro, eso significa que son la cuadrilla de limpieza del universo, comiendo material que nunca regresa. Pero eso simplemente no tiene sentido para otras ramas de la física. Hay una ley de la termodinámica que dice que la aleatoriedad y el caos de un sistema, conocido como entropía, no pueden disminuir con el tiempo; nuestro desordenado Universo no puede volverse más limpio, es decir, ordenado. Entonces, ¿cómo era posible que los agujeros negros estuvieran aspirando la basura? El descubrimiento de Hawking demostró que los agujeros negros no violan la ley de la termodinámica: al emitir radiación, también contribuyenal caos.

Sin embargo, la radiación de Hawking no resolvió completamente todo. Fue un primer paso importante para unir la mecánica cuántica y la gravedad. Todavía hay muchas cosas acerca de la física grande y pequeña que aún no se han reconciliado. La radiación de Hawking era solo una forma en que las ideas podían funcionar juntas.

La radiación de Hawking también abrió algunas preguntas importantes. En la física cuántica, las características de las partículas (la orientación, la masa, el spin y otros rasgos de las partículas) se denomina información. Esa información se mantiene. Cuando se quema una hoja de papel, por ejemplo, la información de lo que estaba en ese papel está contenida en fuego, humo y ceniza. En teoría se podría volver a recomponer el papel porque se tiene toda la información. Pero la radiación de Hawking introdujo un nuevo enigma: si los agujeros negros están perdiendo masa, ¿a dónde va toda su información?

La información de un agujero negro está desapareciendo lentamente cuando se traga las partículas. ¡Y eso, simplemente, no debería suceder! La radiación que emite el agujero negro en realidad no contiene información del agujero negro, por lo que parece que todos los detalles están desapareciendo en el camino. Se le denomina como la paradoja de la información del agujero negro, y los físicos están tratando de encontrar soluciones para ello, incluido el propio Hawking. Pero aún no está completamente resuelto.

Aún así, lo que Hawking hizo fue dar un gran paso hacia una teoría unificada de la física: una teoría del todo. Todavía no estamos totalmente en ese punto, pero Hawking comenzó a construir el puente. Y continuó trabajando en ese puente hasta que murió. “Nos dio problemas para trabajar y direcciones para ir con ellos … Si resolvemos esos problemas, tendremos una mejor comprensión de cuáles leyes fundamentales realmente gobiernan la realidad”, dice Katie Mack, astrofísica de la Universidad de Carolina del Norte.

La habilidad de Hawking para la conexión se extendió más allá de la física. Los agujeros negros parecen abstractos, pero encontró formas de llevarlos a todos. Él hizo que la gente se entusiasmara con lo que hay allí afuera. Era popular en los medios de comunicación, apareciendo en Los Simpson, Star Trek y más. También escribió libros divulgativos muy populares sobre su trabajo. Entonces, de la misma manera que él conectó lo grande con lo pequeño, también atrajo gente al redil cosmológico, inspirando a las nuevas generaciones de científicos a continuar aprendiendo más sobre la rareza del espacio.

  1. L. Grush es divulgadora científica. Publicado en Defend Democracy Press

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