Muere un genio, nace una leyenda

Stephen Hawking, como saben, falleció la semana pasada. Desde aquí me gustaría hacerle un pequeño homenaje a él y a su legado. ¿Saben? Si tuviera que elegir un momento en el que Hawking empezó a cambiar el mundo de la Cosmología, sería cuando comenzó a aplicar los principios de la Termodinámica a los agujeros negros. A consecuencia de ello unió dos físicas: la física de la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. No se me asusten ante estos conceptos: será sencillo, indoloro y para toda la familia…

Muere un genio, nace una leyenda

Stephen Hawking || Fuente: AFP.

Fruto de aplicar la Termodinámica, en 1974 Hawking publicó el que tal vez sea su trabajo más relevante (Hawking, 1974). Como resultado, concluyó que del horizonte de sucesos de un agujero negro surge una radiación de origen cuántico. En su honor, se le conoce como “radiación de Hawking”. En el momento de publicar el trabajo, Hawking contaba con la edad de 32 años. Pero antes, un inciso: ¿qué es eso del horizonte de sucesos?

El horizonte de sucesos

El horizonte de sucesos de un agujero negro es una zona a partir de la cual no existe relación de causalidad. Esto quiere decir que “lo que ocurre en Las Vegas se queda en Las Vegas”. Esto es, lo que suceda más allá del horizonte de sucesos no afecta al resto del universo. De manera muy simple: si atravesáramos el horizonte de sucesos no podríamos volver jamás. Ni siquiera aunque nos moviésemos a la velocidad de la luz.

Un ejemplo: imaginen que dos personas van agarradas de las manos. Una caminando hacia delante y la otra hacia atrás. Ambas se dirigen al bordillo de una piscina. Eso será nuestro horizonte de sucesos. Cuando la persona que camina hacia atrás pisa el bordillo, si da un paso más atravesará el horizonte de sucesos. Caerá al agua irremediablemente y ya no podrá volver (en esta piscina no hay escalera). La persona que camina hacia delante se debatirá entre tres opciones con respecto al bordillo u horizonte de sucesos:

  1. Girar a su alrededor (dar vueltas alrededor de la piscina).
  2. Atravesarlo para no volver jamás (tirarse al agua).
  3. Alejarse (Irse del recinto).

Recuerden estas tres opciones porque serán fundamentales a la hora de comprender lo que viene a continuación. ¿Estaban impacientes? Sé que sí… Vamos con la radiación de Hawking.

La radiación de Hawking

¿Conocen el Principio de Incertidumbre de Heinsenberg? Viene a decir que si analizamos una partícula cuántica no podremos saber su posición si conocemos su velocidad, y no podremos conocer su velocidad si sabemos cuál es su posición (físicos, perdónenme por Benetússer de esta forma tal concepto). Una de las consecuencias de este Principio es que en el universo se crean momentáneamente pares de partículas formadas por una partícula y su antipartícula. A esto se le conoce por el bonito nombre de “fluctuación cuántica del vacío”.

agujero negro

Impresión artística de un agujero negro supermasivo. Créditos: ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani (ampliar imagen).

Como les digo, partícula y antipartícula viven momentáneamente. Esto es así porque cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, se aniquilan y, por así decirlo, el vacío vuelve a ser vacío. Ahora bien: ¿qué ocurre si la fluctuación cuántica del vacío se produce en el horizonte de sucesos de un agujero negro? Dicho de otra forma: ¿qué ocurre si en la fluctuación cuántica del vacío una partícula se forma más allá del horizonte de sucesos y su antipartícula más acá? Esa cuestión es la que se planteó Hawking y trabajó sobre ella.

Una sí otra no

La partícula que se forma más allá del horizonte de sucesos desaparecerá del universo observable. Para nosotros deja de existir. Por otro lado, la otra partícula tiene tres opciones: atravesarlo, rodearlo o escapar. Las mismas que en nuestra piscina. Supongamos que la partícula no atraviesa el horizonte de sucesos y se aleja del agujero negro.

Si la partícula se aleja es porque una energía la impulsa hacia fuera. ¿De dónde procede esa energía? Del agujero negro. Einstein postuló con su famosa ecuación E=mc2 que la energía (E) tiene su origen en la masa (m) y siendo “c” la velocidad de la luz en el vacío. Vean que si el agujero negro emite energía, ha pagado un carísimo peaje: inequívocamente ha tenido que perder masa.

Al liberarse energía, como consecuencia también se libera una radiación. Tanto la energía como la radiación proceden del agujero negro. Y esta radiación es la famosa radiación de Hawking. Resumiendo: la radiación de Hawking viene de la conversión de parte de la masa del agujero negro en energía.

Consecuencias de la radiación Hawking

Cada vez que el agujero negro emite energía se torna cada vez más pequeño, o mejor dicho, menos masivo. Y cuando pase un tiempo determinado, dependiendo de la masa inicial del agujero negro, irá desapareciendo poco a poco en lo que se conoce como “evaporación de los agujeros negros”. Hawking estimó ese tiempo en decenas de miles de millones de años, un tiempo comparable a la edad del universo.

¿Existe realmente la radiación Hawking?

Si ya de por sí es complicado observar un agujero negro, observar la radiación que emite lo es todavía más. Sin embargo existen al menos dos demostraciones experimentales que indican que Hawking parece estar en lo cierto.

Una de ellas es una investigación (Weinfurtner, 2011) donde se recreó un agujero negro en laboratorio usando sonido en lugar de luz. En otra (Brádler & Adami, 2016) se explica una de las carencias de la teoría de Hawking: la pérdida de información cuántica. Además de los artículos científicos, podrán leer un resumen de ellos en las referencias (Zahumenszky, 2016).

Una leyenda que no pasa por el Nobel

Tal vez lo único que le ha faltado conseguir a este genio es el premio Nobel. Pienso que ha podido ser por algo similar a lo que le ocurrió a Albert Einstein. La diferencia es que Einstein sí lo consiguió. ¿Conocen en logro de Einstein por el qué ganó el Nobel? Si creen que fue por la teoría de la Relatividad, se equivocan. Einstein obtuvo el premio, y cito textualmente de la Academia Sueca, “por sus aportaciones a la física teórica y, especialmente, por el descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico”. Fue en 1921.

Einstein interpretó el efecto fotoeléctrico en 1905, esto es, 16 años antes. Y publicó sus teorías de la Relatividad Especial y General 1905 y 1915, respectivamente. Cuentan la leyenda que los miembros de la Academia Sueca no lograron comprender en su totalidad la Relatividad. Sin embargo, al ver la magnitud de éstas, Einstein era merecedor del premio. Por lo tanto, los miembros de la academia decidieron premiarlo por algo que sí comprendían: el efecto fotoeléctrico. Como coletilla dejaron eso de “por sus aportaciones a la física teórica”, englobando indirectamente a las teorías de la Relatividad.

Ojo, no malinterpreten esto que les acabo de decir. No estoy diciendo que el efecto fotoeléctrico no sea merecedor del Nobel. Lo es. Sin embargo, la Academia Sueca tenía la intención de otorgárselo por las teorías de la Relatividad.

Hawking vs. Einstein

¿Merecía Hawking un Nobel? Yo pienso que sí. Pero es mi opinión. Como también es mi opinión el pensar que no se lo dieron porque la Academia Sueca no llegó a comprender las teorías de Hawking. Con esto no quiero decir que yo lo comprenda. Ni muchísimo menos. Si los hallazgos de Hawking fueran un iceberg, tan solo he arañado la superficie de la punta. Y ahora que estoy terminando el texto, les confieso que me ha resultado muy laborioso para, en primer lugar, comprender las investigaciones de Hawking y, en segundo, intentar transmitírselo a ustedes de la mejor manera posible. Espero haberlo conseguido.

Albert Einstein

Albert Enstein junto a su ecuación, la más famosa de todos los tiempos.

Lo que también espero, es que al igual que ocurre con Einstein, el tiempo le vaya dando la razón a Hawking y se vayan demostrando todas sus teorías de manera experimental.

¿Con qué me quedo?

Estos días he leído varias entrevistas a Hawking. Hace tiempo también leí algunos de sus libros. Y, ¿saben una cosa? Si me tuviera que quedar con algo del profesor Hawking sería muy sencillo decir que con su gran labor científica y divulgativa. Sin embargo, dentro de unos años me gustaría que cuando escuchase algo de Hawking me viniese a la cabeza su sentido del humor. Creo que será eso lo que más recordaré.

Imagen de cabecera

  • Representación artística que muestra el evento de interrupción de marea llamado ASASSN-14li donde una estrella que merodea demasiado cerca de un agujero negro de 3 millones de masas solares fue destrozada. Los restos se precipitaron hasta el disco de acreción del agujero negro || Creditos: NASA’s Goddard Space Flight Center (Más información).

Referencias

  • Brádler, K. & Adami, C. (2016). “One-Shot Decoupling and Page Curves from a Dynamical Model for Black Hole Evaporation”. Physical Review Letters, 116, 101301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.101301 (Ver).
  • Cho, A. (2018). “Stephen Hawking, who shined a light on black holes, dies at age 76”. Science (Ver).
  • Davide Castelvecchi, D. (2018). “Science mourns Stephen Hawking’s death”. Nature (Ver).
  • Hawking, S. (1974). “Black hole explosions?”. Nature 248, pp 30–31. DOI: 10.1038/248030a0 (Ver).
  • Masegosa, J. (2018). “El legado de Stephen Hawking”. El País (Ver).
  • Rubio, I. (2018). “El legado indeleble de un genio”. El País (Ver).
  • Weinfurtner, S. et al (2011). “Measurement of Stimulated Hawking Emission in an Analogue System” Physical Review Letters, 106, 021302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.021302 (Ver).
  • Zahumenszky, C. (2016). “Logran probar la principal teoría de Stephen Hawking recreando un agujero negro en laboratorio”. Gizmodo (Ver).

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