Agujeros negros de laboratorio prueban que Hawking tiene razón

Stephen Hawking ni descubrió los agujeros negros ni postuló el Big-Bang. Pero sus trabajos en los años setenta fueron determinantes para explicar ambos. Tanto que, aunque haya pasado a la historia como un revolucionario de la astrofísica, en realidad aportó algo concreto y sencillo a las teorías sobre los sumideros cósmicos: los agujeros negros no son tan negros y tienen pelos, contrariamente a una teoría extendida. Ahora, un laboratorio israelí ha construido un modelo de ellos para comprobar que Hawking estaba en lo cierto.

En 1974, el renombrado físico sorprendió al mundo de la física con su teoría de la radiación de Hawking. Sugería que, en lugar de ser negros, los agujeros negros deberían brillar ligeramente debido a los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos, el lugar límite a partir del cual no hay marcha atrás y todo lo que cae dentro pasa a una singularidad de la que no puede salir... relativamente. De acuerdo con la teoría de Hawking, el fuerte campo gravitatorio alrededor de un agujero negro puede afectar la producción de pares de partículas y antipartículas. Todo, en realidad, tiene que ver con una paradoja que le obsesionaba: al tragarse un objeto, ¿adónde va a parar la información que describe ese objeto? Lo vemos mejor en este vídeo con una aspiradora:

Si estas partículas se crearan justo fuera del horizonte de sucesos, el miembro positivo de este par de partículas podría escapar, resultando en una radiación térmica observada desde el agujero negro. Esta radiación, que más tarde se denominó radiación de Hawking, consistiría, por lo tanto, en fotones, neutrinos y otras partículas subatómicas. La teoría de la radiación de Hawking estuvo entre las primeras en combinar los conceptos de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Fabricando agujeros negros desde 2004

Para probar la teoría de Hawking, el investigador del Instituto de Ciencias Weizmann Ulf Leonhardt reunió algunas ideas iniciales sobre cómo crear agujeros negros ópticos, que se publicaron en 1999 y 2000. En 2004, finalmente logró un método que realmente funcionó, que es el que se utilizó en su estudio reciente.

"Imagínese que, como en los experimentos mentales de Einstein, la luz persigue otro pulso de luz. Supongamos que toda la luz viaja dentro de una fibra óptica. En la fibra, el pulso cambia un poco la velocidad de la luz que la persigue, de modo que la luz no puede alcanzar el pulso. Experimenta un horizonte de orificios blancos; no puede entrar. La parte frontal del pulso actúa exactamente como lo contrario: un horizonte de agujero negro, un lugar donde la luz no puede salir. Esta es la idea en pocas palabras". Quizás no se entienda mucho de esta afirmación, pero no olvidemos la idea principal: un agujero negro es negro porque las partículas de luz tampoco pueden escapar de él, atraídas por la enormísima gravedad que se lo traga todo en su seno.

Leonhardt y sus colegas publicaron y demostraron esta idea en 2008. Posteriormente, intentaron usarla para demostrar la radiación de Hawking. Ésta nunca se ha observado directamente en el espacio, ya que no es actualmente posible. Sin embargo, se puede demostrar en entornos de laboratorio, por ejemplo, utilizando condensados de Bose-Einstein, ondas de agua, polaritones o luz. En el pasado, varios investigadores intentaron probar la radiación de Hawking en el laboratorio utilizando estas técnicas, pero la mayoría de sus estudios fueron, de hecho, problemáticos y, por lo tanto, se han cuestionado.

Como lo demuestran los esfuerzos anteriores, observar la radiación de Hawking en el laboratorio es una tarea altamente desafiante. El estudio realizado por Leonhardt y sus colegas podría ser la primera demostración válida de la radiación de Hawking en la óptica.

El estudio realizado por Leonhardt y sus colegas podría ser la primera demostración válida de la radiación de Hawking en la óptica.

"Los agujeros negros están rodeados por sus horizontes de sucesos", explicó Leonhardt. "El horizonte marca el borde donde la luz ya no puede escapar. Hawking predijo que en el horizonte se crean paquetes de luz (fotones). Un fotón aparece fuera del horizonte y puede escapar, mientras que su compañero aparece en el interior y cae en el agujero negro. Según la mecánica cuántica, las partículas están asociadas a las ondas. El fotón en el exterior pertenece a una onda que oscila con frecuencia positiva, la onda de su compañero en el interior oscila con una frecuencia negativa".

En su estudio, Leonhardt y sus colegas iluminaron las frecuencias positivas y negativas. Su luz de frecuencia positiva era infrarroja, mientras que la de frecuencia negativa era ultravioleta. Los investigadores los detectaron y luego los compararon con la teoría de Hawking.

La pequeña cantidad de luz ultravioleta que lograron detectar utilizando equipos sensibles es el primer signo claro de la radiación Hawking estimulada en la óptica. Esta radiación se conoce como "estimulada" porque es estimulada por la luz de la sonda que los investigadores enviaron para perseguir los pulsos.

"Nuestro hallazgo más importante, tal vez, es que los agujeros negros no son algo fuera de lo común, sino que se asemejan mucho a lo que hacen los pulsos de luz a la luz ordinaria en las fibras", dijo Leonhardt. "Demostrar fenómenos cuánticos sutiles como la radiación de Hawking no es fácil. Se necesitan pulsos extremadamente cortos, fibras extraordinarias, equipos sensibles y, por último pero no menos importante, el arduo trabajo de estudiantes dedicados. Pero incluso la radiación de Hawking es algo que uno puede entender".

"Ahora necesitamos mejorar nuestra configuración para prepararnos para el próximo gran desafío: la observación de la radiación espontánea de Hawking", dijo Leonhardt. "En este caso, la radiación ya no se estimula, excepto por las inevitables fluctuaciones del vacío cuántico. Nuestros próximos objetivos son los pasos que mejoran el aparato y prueban varios aspectos de la radiación de Hawking estimulada, antes de pasar a la radiación de Hawking espontánea".