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jueves, 28 de abril de 2011

Experientia docet: La brillante idea del Dr. Hawking

Experientia docet: La brillante idea del Dr. Hawking





En 1974 Stephen Hawking llegó al convencimiento teórico de que los agujeros negros no podían ser negros, si acaso gris muy oscuro. Un agujero negro se dice que es negro porque se supone que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitatoria. Según Hawking, sin embargo, debido a una de esas rarezas de la mecánica cuántica, un agujero negro debería brillar muy muy débilmente, como los rescoldos en una hoguera a punto de apagarse. Las implicaciones eran tremendas. Al emitir, la que dio en llamarse radiación de Hawking, un agujero negro iría perdiendo gradualmente energía y masa. Si no consigue incorporar más masa terminaría evaporándose completamente, como un charco en un cálido día de verano.
El problema del resultado de Hawking es que, como corolario, predecía que la temperatura típica a la que un agujero negro emite radiación debería ser del orden de una milmillonésima de la radiación de fondo que dejó el mismísimo Big Bang. Por tanto, la comprobación experimental observando la radiación emitida por un agujero negro es imposible, hoy por hoy, en la práctica.
En un artículo [1] subido a arXiv, y aceptado para publicación en Physical Review Letters, un equipo de investigadores dirigido por Daniele Faccio de la Universidad de Insubria (Italia) afirma, sin embargo, que ha detectado la radiación de Hawking en el laboratorio. No necesitaron crear un agujero negro, simplemente dispararon pulsos de luz láser a un bloque de vidrio. Esto creó una región de la que la luz no podía escapar (análoga a una agujero negro) y también su opuesta, una región en la que la luz no podía entrar. Cuando el equipo de investigadores enfocó una cámara apropiada al bloque de vidrio, recogieron el débil resplandor de la radiación de Hawking.
Pero, ¿qué tiene que ver una cosa con la otra? ¿Cómo se relaciona lo que ocurre en un trozo de vidrio en la mesa de un laboratorio con uno de los objetos más espectaculares del universo?
Si una estrella moribunda tiene masa suficiente, puede colapsar y formar una región de densidad infinita llamada singularidad. La gravedad de un objeto así es tan intensa que nada, ni siquiera la misma luz, puede librarse de ella si se le ocurre pasar lo suficientemente cerca de él. El límite a partir del cual ya no hay escape se llama horizonte de sucesos.
En el año 1974 Hawking se paró a considerar qué pasaba justo en el borde del horizonte de sucesos. Según la mecánica cuántica, el espacio vacío es cualquier cosa menos vacío. Más bien es un caldero en ebullición de partículas evanescentes. Durante breves períodos de tiempo, estas partículas pasan a la existencia desde la pura nada, dejando atrás agujeros en la nada. Estos agujeros son sus antipartículas. Poco tiempo después, la partícula y su agujero se recombinan, y vuelve la nada.
Si resulta que el par partícula-agujero aparece en el borde de un horizonte de sucesos, puede ocurrir que la partícula o su agujero crucen el horizonte de sucesos para nunca más volver. Al otro componente del par no le queda otro remedio que hacerse real. Estas partículas, la mayor parte de las cuales son fotones, son las que constituyen la radiación de Hawking, y como los fotones y los antifotones son iguales, los agujeros contribuyen de la misma manera que las partículas.
Pero ¿de dónde viene la energía de estos fotones que han surgido de la nada? Del mismo agujero negro, que de esta forma se evapora gradualmente. La radiación de Hawking une campos tan aparentemente inconexos como la gravitación, la mecánica cuántica y la termodinámica, convirtiéndose por ello un concepto importante de la física teórica de los últimos 30 años.
En 1981 este concepto se vio ampliado. William Unruh de la Universidad de British Columbia (Canadá) puso de manifiesto [2] que los agujeros negros son realmente ejemplos extremos de una clase más amplia de sistemas físicos que pueden formar horizontes de sucesos. Consideremos, por ejemplo, un lago de aguas tranquilas. Si tiramos una piedra veremos cómo las ondas que origina se expanden en círculos en todas direcciones. Si hacemos el experimento cerca de una salida del lago donde el agua comienza a moverse, veremos que las ondas ya no son circulares sino que se ven deformadas en la dirección del movimiento. Si existiese una zona de aguas rápidas en la salida, llegaría un momento en la que la velocidad sería tan alta que las ondas de la superficie ya no pueden ir corriente arriba. Se ha formado un horizonte de sucesos en el curso de agua, las ondas ya no pueden escapar si lo sobrepasan. En la imagen vemos que las perturbaciones del agua que cae no consiguen afectar a la placidez de la del lago de arriba, ya que han sobrepasado el horizonte de sucesos, que está unos metros antes de la salida del agua.
Lo que el equipo de Faccio ha sido capaz de hacer es una versión de este fenómeno en la que intervienen fotones. Se basan en que, conforme el pulso de luz láser se mueve a través de la pieza de vidrio (sílice fundida), cambia el índice de refracción del mismo (la velocidad a la que la luz se mueve a través del material) por tratarse de un medio no lineal (para saber por qué ocurre esto se puede leer a Migui o aFrancis). La luz en la proximidad del pulso se ve más y más ralentizada conforme el índice de refracción va cambiando con el paso del pulso.
Para ver cómo un pulso “A” puede actuar como un agujero negro, imagina que lo enviamos tras otro más débil y lento, “B”. Poco a poco A va alcanzando a B, reduciendo la velocidad de la luz en las proximidades del pulso lento, B. Esto ralentizará aún más el pulso lento B hasta que finalmente se desacelere tanto que se pare. Básicamente, el frente del pulso perseguidor A lo ha “capturado”, actuando como el horizonte de sucesos de un agujero negro.
Ahora imagina que enviamos otro pulso “C” tras el A, pero C es más débil. Conforme C se acerca a la cola de A también reduce la velocidad (porque la velocidad de la luz en el vidrio que está atravesando ha sido reducida por el paso de A). Cuanto más se acerca, más lento viaja, y nunca puede terminar de alcanzarlo. La cola de A se ha convertido también, por tanto, en otro horizonte de sucesos. En este caso, sin embargo, impide que las cosas entren más que evitar que salgan. Parece la antítesis de un agujero negro, por lo que podemos llamarlo un agujero blanco.
En el experimento llevado a cabo, no había pulsos B ni C. Su papel lo representaban los fotones evanescentes que surgían de la nada alrededor de A. Conforme el pulso pasaba a través del vidrio, sus horizontes de sucesos podrían haber “barrido” algunos de estos fotones, produciendo la radiación de Hawking con los que dejaban atrás.
Cuando el equipo de investigadores enfocó la cámara y disparó 3600 pulsos del láser, registró un débil resplandor precisamente en el rango de frecuencias que la teoría de Hawking predice. Tras una cuidadosa consideración y descarte de otras posibles fuentes para esta luz, concluyen que han observado realmente la radiación de Hawking por primera vez.
Aunque estos estudios no pueden probar con certeza que los agujeros negros emiten radiación y se evaporan, sí apoyan las ideas que usó Hawking en su razonamiento

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