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    Los agujeros negros no son totalmente negros y otras ideas del innovador trabajo de Stephen Hawkings

    Crédito:NASA Goddard, CC BY

    El físico matemático y cosmólogo Stephen Hawking fue mejor conocido por su trabajo en la exploración de la relación entre los agujeros negros y la física cuántica. Un agujero negro es el remanente de una estrella supermasiva moribunda que ha caído sobre sí misma; estos remanentes se contraen a un tamaño tan pequeño que la gravedad es tan fuerte que incluso la luz no puede escapar de ellos. Los agujeros negros ocupan un lugar preponderante en la imaginación popular:los escolares se preguntan por qué el universo entero no se colapsa en uno solo. Pero el cuidadoso trabajo teórico de Hawking llenó algunos de los agujeros en el conocimiento de los físicos sobre los agujeros negros.

    ¿Por qué existen los agujeros negros?

    La respuesta corta es:debido a que existe la gravedad, y la velocidad de la luz no es infinita.

    Imagina que estás parado en la superficie de la Tierra y dispara una bala al aire en ángulo. Tu bala estándar volverá a bajar en algún lugar más lejano. Suponga que tiene un rifle muy poderoso. Entonces es posible que pueda disparar la bala a tal velocidad que, en lugar de bajar muy lejos, en cambio, "extrañará" la Tierra. Continuamente cayendo y perdiendo continuamente la superficie, la bala estará realmente en una órbita alrededor de la Tierra. Si tu rifle es aún más fuerte, la bala puede ser tan rápida que abandone por completo la gravedad de la Tierra. Esto es esencialmente lo que sucede cuando enviamos cohetes a Marte, por ejemplo.

    Ahora imagina que la gravedad es mucha, mas fuerte. Ningún rifle podría acelerar las balas lo suficiente como para salir de ese planeta, así que, en cambio, decides disparar luz. Mientras que los fotones (las partículas de luz) no tienen masa, todavía están influenciados por la gravedad, doblando su camino al igual que la trayectoria de una bala es doblada por la gravedad. Incluso los planetas más pesados ​​no tendrán una gravedad lo suficientemente fuerte como para doblar el camino del fotón lo suficiente como para evitar que se escape.

    Pero los agujeros negros no son como planetas o estrellas, son los remanentes de las estrellas, empaquetado en la más pequeña de las esferas, decir, solo unos pocos kilómetros de radio. Imagina que pudieras estar parado en la superficie de un agujero negro, armado con tu pistola de rayos. Disparas hacia arriba en ángulo y notas que el rayo de luz se curva, baja y no llega a la superficie! Ahora el rayo está en una "órbita" alrededor del agujero negro, a una distancia aproximada de lo que los cosmólogos llaman el radio de Schwarzschild, el punto de no retorno."

    Por lo tanto, como ni siquiera la luz puede escapar de donde estás parado, el objeto que habita (si pudiera) se vería completamente negro para alguien que lo mire desde lejos:un agujero negro.

    ¿Pero Hawking descubrió que los agujeros negros no son completamente negros?

    La respuesta corta es sí.

    No se puede ver luz proveniente de un agujero negro fuera del radio de Schwarzschild. Crédito:SubstituteR, CC BY-SA

    Mi descripción anterior de los agujeros negros usaba el lenguaje de la física clásica, básicamente, La teoría de Newton aplicada a la luz. Pero las leyes de la física son en realidad más complicadas porque el universo es más complicado.

    En física clásica, la palabra "vacío" significa la ausencia total y completa de cualquier forma de materia o radiación. Pero en física cuántica, el vacío es mucho más interesante, en particular cuando está cerca de un agujero negro. En lugar de estar vacío, el vacío está lleno de pares de partículas y antipartículas que se crean fugazmente por la energía del vacío, pero deben aniquilarse unos a otros poco después y devolver su energía al vacío.

    Encontrará todo tipo de pares partícula-antipartícula producidos, pero los más pesados ​​ocurren con mucha menos frecuencia. Es más fácil producir pares de fotones porque no tienen masa. Los fotones siempre deben producirse en pares para que se alejen entre sí y no violen la ley de conservación del momento.

    Ahora imagine que se crea un par justo a esa distancia del centro del agujero negro por donde circula el "último rayo de luz":el radio de Schwarzschild. Esta distancia puede estar lejos de la superficie o cerca, dependiendo de cuánta masa tenga el agujero negro. E imagina que el par de fotones se crea de modo que uno de los dos apunte hacia adentro, hacia ti, en el centro del agujero negro, sosteniendo su pistola de rayos. El otro fotón apunta hacia afuera. (Por cierto, es probable que la gravedad te aplaste si intentas esta maniobra, pero supongamos que eres sobrehumano.)

    Ahora hay un problema:el único fotón que se movió dentro del agujero negro no puede volver a salir, porque ya se mueve a la velocidad de la luz. El par de fotones no puede volver a aniquilarse entre sí y devolver su energía al vacío que rodea al agujero negro. Pero alguien debe pagar el flautista y este tendrá que ser el agujero negro en sí. Después de haber dado la bienvenida al fotón a su tierra sin retorno, el agujero negro debe devolver parte de su masa al universo:exactamente la misma cantidad de masa que la energía que el par de fotones "tomó prestados, "según la famosa igualdad de Einstein E =mc².

    Esto es esencialmente lo que Hawking mostró matemáticamente. El fotón que sale del horizonte del agujero negro hará que parezca que el agujero negro tiene un brillo tenue:la radiación de Hawking que lleva su nombre. Al mismo tiempo, razonó que si esto pasa mucho, por mucho tiempo, el agujero negro podría perder tanta masa que podría desaparecer por completo (o más precisamente, volverse visible de nuevo).

    ¿Los agujeros negros hacen que la información desaparezca para siempre?

    Respuesta corta:No, Eso sería contrario a la ley.

    Muchos físicos comenzaron a preocuparse por esta cuestión poco después del descubrimiento del resplandor por Hawking. La preocupación es la siguiente:las leyes fundamentales de la física garantizan que cada proceso que ocurre "avanza en el tiempo, "también puede suceder" al revés en el tiempo ".

    Un par de fotones que se aniquilan entre sí se etiqueta A. En un segundo par de fotones, etiquetado B, uno entra en el agujero negro mientras el otro se dirige hacia afuera, estableciendo una deuda energética que es pagada por el agujero negro. Crédito:Christoph Adami, CC BY-ND

    Esto parece contrario a nuestra intuición, donde un melón que salpicó el suelo nunca volvería a ensamblarse mágicamente. Pero lo que sucede con los objetos grandes como los melones está realmente dictado por las leyes de la estadística. Para que el melón se vuelva a montar, muchos miles de millones de partículas atómicas tendrían que hacer lo mismo al revés, y la probabilidad de eso es esencialmente cero. Pero para una sola partícula esto no supone ningún problema. Entonces, para las cosas atómicas, todo lo que observe hacia adelante podría ocurrir al revés.

    Ahora imagina que disparas uno de los dos fotones al agujero negro. Solo se diferencian por un marcador que podemos medir, pero eso no afecta la energía del fotón (esto se llama "polarización"). Llamemos a estos "fotones izquierdos" o "fotones derechos". Después de que el fotón izquierdo o derecho cruza el horizonte, el agujero negro cambia (ahora tiene más energía), pero cambia de la misma manera si se absorbió el fotón izquierdo o derecho.

    Dos historias diferentes ahora se han convertido en un futuro, y ese futuro no se puede revertir:¿Cómo sabrían las leyes de la física cuál de los dos pasados ​​elegir? ¿Izquierda o derecha? Esa es la violación de la invariancia de inversión en el tiempo. La ley exige que todo pasado tenga exactamente un futuro, y cada futuro exactamente un pasado.

    Algunos físicos pensaron que tal vez la radiación de Hawking lleva una huella de izquierda / derecha para dar a un observador externo una pista de lo que fue el pasado, pero no. La radiación de Hawking proviene de ese vacío parpadeante que rodea el agujero negro, y no tiene nada que ver con lo que arrojas. Todo parece perdido, pero no tan rápido.

    En 1917, Albert Einstein demostró que la materia (incluso el vacío junto a la materia) en realidad reacciona a las cosas entrantes, de una manera muy peculiar. El vacío junto a esa materia se "estimula" para producir un par de partículas y antipartículas que parece una copia exacta de lo que acaba de llegar. En un sentido muy real, la partícula entrante estimula la materia para crear un par de copias de sí misma, en realidad una copia y una anti-copia. Recordar, pares aleatorios de partículas y antipartículas se crean en el vacío todo el tiempo, pero los pares de cosquillas no son aleatorios en absoluto:se parecen al cosquillas.

    Este proceso de copia se conoce como efecto de "emisión estimulada" y está en el origen de todos los láseres. El resplandor de Hawking de los agujeros negros, por otra parte, es lo que Einstein llamó el efecto de "emisión espontánea", que tiene lugar cerca de un agujero negro.

    Ahora imagina que el cosquilleo crea esta copia, de modo que el fotón izquierdo le haga cosquillas a un par de fotones izquierdos, y un fotón derecho da un par de fotones derecho. Dado que uno de los socios de los pares con cosquillas debe permanecer fuera del agujero negro (nuevamente por conservación del impulso), esa partícula crea la "memoria" que se necesita para que la información se conserve:un pasado tiene un solo futuro, el tiempo se puede revertir, y las leyes de la física están a salvo.

    En un accidente cósmico Hawking murió en el cumpleaños de Einstein, cuya teoría de la luz, Solo paso, salva la teoría de los agujeros negros de Hawking.

    Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.




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