domingo 17 de enero de 2021
Ciencia | agujeros negros | Stephen Hawking | Agujero negro

Agujeros negros "no tan negros": ¿qué descubrió Stephen Hawking que mereció un Premio Nobel?

El prestigioso profesor de Cambridge creía que la clave del conocimiento estaba en estos monstruos gravitatorios y desarrolló la ecuación que le trajo los más fuertes dolores de cabeza a los científicos. ¿Qué fue lo que planteó Hawking y por qué no consiguió un Nobel?

El reconocido científico Stephen Hawking revolucionó la física teórica y el conocimiento del Universo a partir de un trabajo publicado en 1974 en donde explicaba por qué los agujeros negros emiten radiación. Para esto, logró la difícil tarea de combinar por primera vez la relatividad con la cuántica, un disparador para avanzar hacia una teoría del todo.

Hawking fue uno de los más grandes físicos teóricos del mundo. Pese a sus enormes limitaciones físicas, escribió docenas de artículos que en conjunto, significan un aporte científico difícil de evaluar adecuadamente. El profesor ocupó la cátedra Lucasiana de Matemática que ostentaba Isaac Newton, en la Universidad de Cambridge. Además, fue autor de obras reconocidas como Historia del Tiempo y Del Big Bang a los Agujeros Negros.

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agujero negro
Modelo de agujero negro.

Modelo de agujero negro.

Hawking se preguntaba constantemente por la naturaleza del Universo, el lugar de los humanos en él y por qué es como es. Dedicó su vida a estudiar los agujeros negros, ya que estaba seguro de que si el Universo se expande y tuvo un comienzo, toda la materia y energía surgida de ese punto inicial debía formar una singularidad. ¿Y qué tiene que ver esto con los agujeros negros? Hawking dedujo que el Universo antes del Big Bang debía ser una singularidad, y pensaba que si queríamos entender qué había ocurrido antes, el secreto estaba en estudiar los agujeros negros, ya que estos también poseen estas singularidades. En una singularidad la gravedad es tan fuerte que empieza a tener relevancia a nivel cuántico por lo que es esencial tener una teoría cuántica de la gravedad que pueda explicar los fenómenos que allí se presentan, es decir, una “teoría del todo”. Hawking fue el primero en conseguir una ecuación compatible entre la relatividad general y la termodinámica, la ecuación de la temperatura del agujero negro.

Big Bang
La teoría del Big Bang refiere al punto inicial en el que se formó la materia, el espacio y el tiempo. De acuerdo con el modelo estándar, tuvo lugar hace unos 13.800 millones de años.

La teoría del Big Bang refiere al punto inicial en el que se formó la materia, el espacio y el tiempo. De acuerdo con el modelo estándar, tuvo lugar hace unos 13.800 millones de años.

Hawking fue el primero en conseguir una ecuación compatible entre la relatividad general y la termodinámica, la ecuación de la temperatura del agujero negro.

Así fue que, estudiando los agujeros negros, desarrolló una grandiosa teoría conocida como la Radiación de Hawking.

El primer logro que ningún científico pudo

La Radiación Hawking es el mayor logro del científico, el trabajo por el que es mundialmente conocido. Coloquialmente hablando, con este descubrimiento, se dice que "los agujeros negros no son tan negros".

Un agujero negro es una enorme concentración de masa, de enorme densidad, en un pequeño punto que deforma el espacio-tiempo. Tiene tanta gravedad que ni siquiera la luz (con su avasallante velocidad) puede escapar de él. Por esto se dice que es un agujero negro. Todo lo que entra en un agujero negro no sale.

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Un agujero negro es una enorme concentración de masa, de enorme densidad, en un pequeño punto que deforma el espacio-tiempo.

Cuando hablamos de un agujero negro hablamos de algo enorme, consecuencia de la relatividad descrita por Albert Einstein. Hawking fue uno de los primeros en relacionar algo como los agujeros negros, de escala macroscópica (relatividad), con algo de escala microscópica (cuántica). Es decir, relacionó la relatividad con la cuántica, teorías que se entienden por separado. Fue algo muy difícil que ningún científico pudo lograr. Y lo hizo con su Ecuación de Temperatura de los Agujeros Negros.

Agujero-Negro1
La primera foto de un agujero negro. La imagen fue registrada en el 2019, un año después de la muerte de Stephen Hawking.

La primera foto de un agujero negro. La imagen fue registrada en el 2019, un año después de la muerte de Stephen Hawking.

Hawking decía que si algo estaba muy caliente, era porque estaba emanando algo. En este caso, sería la radiación. Pero si un agujero negro lo traga todo y nada sale de él ¿cómo era posible que saliera radiación? Según Hawking, el agujero negro debería tener temperatura. ¿Cómo puede tener temperatura algo que se lo traga todo? ¿Cómo puede dejar escapar energía si absorbe todo?

Hawking decía que si algo estaba muy caliente, era porque estaba emanando algo. En este caso, sería la radiación. Pero si un agujero negro lo traga todo y nada sale de él ¿cómo era posible que saliera radiación?

Había que refutar esto: que nada escapa de un agujero negro.

La respuesta de Hawking

Para entender la solución de Hawking hay que conocer sobre el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Lo que hay que saber sobre esta ley física es que permite que como por "arte de magia", puedan aparecer partículas de la nada en el espacio en cualquier momento y en cualquier lugar (violando el Principio de Conservación de la Energía que dice que la materia no puede surgir de la nada).

radiación de Hawking
La radiación de Hawking es una radiación teóricamente producida cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro y debida plenamente a efectos de tipo cuántico. Fue planteada por el mismo Stephen Hawking.

La radiación de Hawking es una radiación teóricamente producida cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro y debida plenamente a efectos de tipo cuántico. Fue planteada por el mismo Stephen Hawking.

El Principio de Incertidumbre permite que la energía que hay en el vacío se concentre en un punto y que de allí puedan surgir partículas nuevas, conocidas como partículas virtuales. Estas partículas surgen de a pares, una partícula y una antipartícula y ambas enseguida se aniquilan porque no pueden entrar en contacto, antes se destruyen. Por ejemplo, surge un electrón (materia) y a la vez un anti-electrón (antimateria) y luego viven durante un intervalo de tiempo muy pequeño. El proceso se repite todo el tiempo en todas partes.

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Acá está la clave del postulado de Hawking.

Hawking planteó que en la frontera de un agujero negro, que delimita desde dónde ya no se puede escapar de su gravedad, pueden surgir un par de estas partículas virtuales que duran tan poco tiempo y que desaparecen.

Hawking planteó que en la frontera de un agujero negro, que delimita desde dónde ya no se puede escapar de su gravedad, pueden surgir un par de estas partículas virtuales que duran tan poco tiempo y que desaparecen.

Y pensó: ¿Qué pasa si en esta pequeña frontera surgen un par de estas partículas de la nada? Si en este punto surgen este par de partículas, puede pasar que una de las partículas quede de un lado de la frontera (de donde ya no puede escapar) y la otra del otro lado y con una buena velocidad pueda escapar del agujero negro y emitirse como radiación. ¡Esta es la radiación de Hawking! Y sucede a consecuencia del mismo vacío.

Los físicos postularon formas de medir la radiación de Hawking pero por la complejidad del desafío, Hawking no pudo obtener un Premio Nobel y murió el 14 de marzo del 2018 en Cambridge, a los 76 años.

*Este artículo fue elaborado con el aporte del especialista en física teórica, Daniel Blanco, director del proyecto de divulgación Sálvame Ciencia.