S. Hawking tenía razón: Los agujeros negros se evaporan

Logran, por primera vez, observar en laboratorio la teoría que el físico británico formuló en 1974

Un equipo de investigadores del Instituto Technion de Tecnología de Israel, dirigidos por el físico Jeff Steinhauer, acaba de publicar en Nature un artículo en el que se demuestra, por primera vez, la veracidad de la predicción que Stephen Hawking hizo en 1974: que los agujeros negros se evaporan a lo largo del tiempo hasta desaparecer por completo.

Según la teoría del genial físico británico, en efecto, los agujeros negros no son, a pesar de su sugestivo nombre, totalmente negros, sino que emiten partículas, una tenue radiación que, en su honor, fue bautizada como radiación Hawking y que extrae lentamente energía del agujero negro hasta dejarlo exhausto. Casi desde el principio, la idea de Hawking fue dada por buena por la inmensa mayoría de los científicos, aunque por el momento ha resultado imposible de probar. Algo que sí han conseguido Jeff Steinhauer y sus colegas.

“Un agujero negro emite radiación como un cuerpo caliente a la temperatura de Hawking. Si su valor es muy alto, la radiación de Hawking consiste en partículas de todo tipo (fotones, gravitones, bosones vectoriales, bosones de Higgs, leptones y hadrones), pero si su valor es “bajo” solo emite fotones y gravitones.”

En un experimento de laboratorio, en efecto, este equipo de físicos ha logrado “ver” a la radiación Hawking en acción, cosa que nuestra tecnología no permite aún hacer directamente en el espacio, con agujeros negros reales. Para conseguirlo, los investigadores “fabricaron” un agujero negro virtual utilizando ondas de sonido y algunas de las formas de materia más extrañas y frías del Universo.

La radiación Hawking, en acción

“La imagen de un par partícula-antipartícula en el entorno del agujero negro fue introducida por Hawking, pero no se puede olvidar que la longitud de onda más probable de estas partículas es comparable al radio de Schwarschild. Por tanto, no tiene sentido imaginar las partículas como “pequeñas bolitas” cerca den un horizonte de sucesos enorme (como se muestra en esta figura). Las partículas tienen una longitud de onda λ tan grande como el agujero negro y se separan una distancia similar a λ, evitando aniquilarse entresí gracias a las fuerzas de marea gravitatorias.”

Los agujeros negros ejercen una gravedad tan fuerte que incluso los fotones (las partículas de las que está hecha la luz) no consiguen escapar cuando son capturados. Por otro lado, la Mecánica cuántica nos dice que lo que nosotros conocemos como “vacío espacial” es, en realidad, un auténtico hervidero de “partículas virtuales” que entran y salen de la existencia en pares de materia y antimateria.

Normalmente, y casi nada más aparecer, estas parejas de partículas virtuales se aniquilan unas a otras. Pero en la frontera de un agujero negro, donde la gravedad es extrema, puede suceder que esos pares de partículas se separen, una absorbida por el agujero, la otra lanzada a toda velocidad al espacio. La partícula que es absorbida tiene energía negativa, lo que reduce tanto la energía como la masa del agujero. Por eso, cuantas más de estas partículas absorba el agujero negro, más energía perderá, hasta el punto de llegar a evaporarse por completo. Las partículas “fugitivas”, por su parte, son lo que conocemos como radiación Hawking.

En un agujero negro real, la radiación Hawking es tan débil que nadie ha conseguido medirla. Por eso, desde hace años se buscaba la forma de observarla en laboratorio. Y ahora, Steinhauer y su equipo lo han conseguido.

En su experimento, los investigadores utilizaron lo que se conoce como “condensado Bose-Einstein”, una forma de gas extremadamente frío, para imitar el horizonte de sucesos de un agujero negro, la frontera invisible que, una vez atravesada, no permite que nada pueda regresar. En medio del gas, colocaron después un obstáculo, una especie de “acantilado” que obligaba al gas a caer en forma de cascada, convirtiendo así una cantidad suficiente de energía potencial en energía cinética como para que el gas fluyera a una velocidad mayor que la del sonido.

Vibraciones cristalinas de fonones

Después, y en lugar de pares de partículas materia-antimateria, los físicos utilizaron parejas de fonones, u ondas de sonido cuántico, inmersas en el flujo de gas. El fonón que se quedaba en el lado “lento” conseguía viajar en contra del flujo de gas, alejándose de la cascada, mientras que su pareja, el fonón del lado “rápido”, quedaba inevitablemente atrapado por la cascada, el “agujero negro” de gas a velocidad supersónica.

Según ha explicado el propio Steinhauer a la revista Live Science, “es como si trataras de ir contra una corriente que fluye más rápido de lo que puedes nadar. Sentirías que estás avanzando, pero en realidad vas hacia atrás. Y eso es análogo a lo que le sucede a un fotón que intenta salir de un agujero negro, pero al que la gravedad hace ir en dirección contraria”.

Stephen Hawking predijo que la radiación de las partículas emitidas por el agujero negro permanecería en un espectro continuo de longitudes de onda y energías. Y dijo también que sería posible describir el fenómeno con una única temperatura, que solo dependía de la cantidad de masa que tuviera el agujero negro. En su experimento, Steinhauer y su equipo lograron confirmar las dos predicciones en el interior del peculiar agujero negro sónico de su laboratorio.

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Es tan pequeño que ni lo podemos ver con el ojo desnudo, nos valemos de los microscopios electrónicos para poder saber de ellos, y, sin embargo, si me dieran a escoger la mayor maravilla del Universo, tendría mis dudas entre los átomos y el cerebro. Pero creo que, al final,  sin dudarlo, escogería ésta ¡Los átomos!

El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los átomos de cobre contienen 29 protones. El número de neutrones define el isótopo del elemento. El número de electrones influye en las propiedades magnéticas de un átomo.

Mucho ha tenido que evolucionar la Mente humana para llegar a saber sobre la entidad de la materia

Mucho ha tenido que trasminar la Mente Humana para llegar al fondo de los componentes de la materia que, como todos sabemos ahora, están conformadas de moléculas hechas de átomos que, a su vez, están hechos de partículas subatómicas unas más elementales que otras que, dentro del núcleo y fuera de él, hacen el conjunto que denominamos átomos.

El núcleo atómico está cargado positivamente al tener allí situados a los protones. Los neutrones no tienen carga y éstas dos partículas de la familia de los Hadrones en su rama bariónica, cuando están dentro del núcleo se suelen llamar nucleones. Lo curioso del caso es que, dentro de ellos, partículas más pequeñas de la familia Quarks, se han juntado en tripletes para conformarlos, es decir, un protón está conformado por dos quarks up y un quark down, mientras que un neutrón, está hecho por dos qurks down y un quarks up.

Pero, además, dentro de tan pequeño habitáculo ocurren sucesos extraordinarios, ya que, para mantener confinados a los Quarks, tiene que actuar lo que conocemos como fuerza nuclear fuerte que es transmitida por ocho bosones llamados Gluones.

 Hay quien habla de la existencia de materia extraña de Quarks y Gluones

Así que, los Quarks dentro de los protones y los neutrones están confinados, no pueden separarse y son sujetados por 8 partículas de la familia de los Bosones que se llaman Gluones que, son los intermediarios de la fuerza nuclear fuerte, la más potente de todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza. Esa fuerza, funciona al contrario que las otras tres, es decir, aumenta con la distancia. Se comporta como un muelle de acero que, cuanto más lo estiramos más resistencia opone.

Representación aproximada del átomo de Helio. en el núcleo los protones están representados en rojo y los neutrones en azul. En la realidad el núcleo también es simétricamente esférico. El núcleo atómicoes la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99,9% de la masa total del átomo.

La existencia del núcleo atómico fue deducida del experimento de Rutherford, donde se bombardeó una lámina fina de oro con partículas alfa, que son núcleos atómicos de helio emitidos por rocas radiactivas. La mayoría de esas partículas traspasaban la lámina, pero algunas rebotaban, lo cual demostró la existencia de un minúsculo núcleo atómico.

El Experimento de Rutherford. En 1911 se realizó en Manchester una experiencia encaminada a corroborar el modelo atómico de Thomson. Fué llevada a cabo por Geiger, Marsden y Rutherford, y consistía en bombardear con partículas alfa (núcleos del gas helio) una fina lámina de metal.

Una imagen precisa del núcleo del carbono-14 debe tener en cuenta tanto las interacciones entre parejas de protones y neutrones (fuerza a dos cuerpos, izquierda), como las interacciones entre tres nucleones (fuerzas a tres cuerpos, derecha).

Lo cierto es que, estos “personajillos” tienen una imnesa importancia en todo lo que se cuece en el Universo, ya que, sin ellos, no existirían las estrellas ni los mundos, ni las galaxias, ni las Nebulosas, ni ninguno de los objetos que captan nuestros telescopios en el inconmensurable Cosmos. ¡Ah! Tampoco nosotros podríamos existir si en estos personajes se dieran algunos cambios. Imaginaros que la masa del protón decrece en una diezmillonésima parte, o, que lo mismo le pudiera pasar a la carga del electrón… ¡Nosotros no existiríamos!

Interacciones eléctricas entre protones y electrones

Antes del experimento de Rutherford la comunidad científica aceptaba el modelo atómico de Thomson, situación que varió después de la experiencia de Rutherford. Los modelos posteriores se basan en una estructura de los átomos con una masa central cargada positívamente rodeada de una nube de carga negativa.
Este tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a proponer su modelo en que los electrones se moverían alrededor del núcleo en órbitas. Este modelo tiene una dificultad proveniente del hecho de que una partícula cargada acelerada, como sería necesario para mantenerse en órbita, radiaría radiación electromagnética, perdiendo energía.

Para aclarar el panorama y la confusión que sobre el átomo y el núcleo atómico existía, tuvo que llegar el gran físico Murray Gell-Mann, que fue quien por primera vez habló de los Quarks. Se le otorgó el Premio Nobel de Física en 1969 por sus descubrimientos sobre partículas elementales. La teoría de Gell-Mann aportó orden al caos que surgió al descubrirse cerca de 100 partículas en el interior del núcleo atómico. Esas partículas, además de los protones y neutrones, estaban formadas por otras partículas elementales llamadas Quarks. Los quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de Gluones. Junto con otros investigadores construyó la teoría cuántica de quarks y gluones, llamada Cromodinámica cuántica.

Sí, ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas!

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Como cada mañana, trabajando en la oficina en cuestiones jurídicas y tributarias, me llega el correo y, de entre todos los documentos recibidos, destaca (como no), la Revista de Física que me envía de manera periódica la Real Sociedad Española de Física, y, en la portada, aparece la imagen de un agujero negro.

De inmediato, sin poder contener mis deseos de ver los contenidos, la abro y miro en el interior donde me encuentro con trabajos como los siguientes:

Pulsos e Impulsos

Sobre la distinguibilidad experimental entre la mecánica cuántica estándar y la mecánica de Bohm. Le sigue el trabajo titulado “Mecánica bohmiana: ¿Una teoría de las variables ocultas?

“Durante más de 60 años la “teoría de variables ocultas” propuesta por David Bohm en 1952, conocida actualmente como mecánica bohmiana, ha sido fuente de controversia y debate dentro del campo y los fundamentos de la mecánica cuántica.

Las estrellas también mueren

En este apartado nos hablan de cómo mueren las estrellas una vez que han agotado su combustible nuclear de fusión, y, en qué se convierten dependiendo de sus masas. Estrellas como el Sol tendrán una primera transición de fase a Gigante roja y más tarde Nebulosa Planetaria con la estrella enana blanca en el centro.

Cuando las estrellas sobrepasan las 5 masas solares, su destino final está en convertirse en estrellas de neutrones, y, si es supermasiva en agujero negro. En ncada uno de los casos actúan fuerzas y principios diferentes como sería el caso del Principio de exclusión de Pauli que incide en los fermiones para las enanas blancas y las estrellas de neutrones.

Además de todos estos temas se habla de otros de interés

    Dispersión de la Luz en un prisma

         Reacción nentre el Sodio y el Agua

¿Cómo construir cámaras de niebla con utensilios de cocina?

Además de otros muchos artículos y demostraciones prácticas que nos llevan de la mano a conocer hechos muy normales en la Naturaleza y que a nosotros (que casi siempre estamos al margen de ella), nos parecen maravillas.

Lo dicho, nunca es tarde para aprender cosas nuevas y, si le prestas el debido interés… ¿Las conocerás!

emilio silvera

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Las teorías de Newton sobre el movimiento y la gravedad, con sus trescientos años de edad siguen proporcionando reglas que son maravillosamente precisas para entender y predecir la forma en que se mueven las cosas a velocidades mucho menores que la de la luz cuando la gravedad es muy débil. En los quince primeros años del siglo XX, Einstein dio con una teoría más profunda que podía tratar con el movimiento rápido y la gravedad intensa cuando la teoría de Newton fallaba. Pero, y esto es crucial, la teoría más ampliam y más profunda de Einstein se convierte en la de Newton cuando los movimientos son lentos y la Gravedad es débil.

                                                   Teoría cuántica, o, ¿universos paralelos?

Pasó lo mismo con las teorías cuánticas revolucionarias que se descubrieron en el primer cuarto del siglo XX cuando todos los físicos siguieron el rastro dejado por la semilla dejada por Planck a la que llamó “cuanto” y se simbolizó con la letra h. Aquella nueva teoría ofrecía una descripción más completa que la de Newton del funcionamiento del mundo cuando sondeamos el dominio de lo muy pequeño. Sus predicciones sobre el micromundo no-newtoniano son tremendamente precisas.

Pero una vez más, cuando trabajan con objetos grandes se hacen cada vez más parecidas a la descripción newtoniana. Así es como el núcleo de verdad dentro de una teoría pasada puede permanecer como una parte restrictiva de una teoría nueva y mejor. No parece que vaya a haber más revoluciones cintíficas (que las habrá).

Si consideramos nuestro “almacén” de teorías, podemos ver las interrelaciones entre las viejas y las nuevas. Consioderemos nuestro caso, en el que la mecánica cuántica se convierte en la mecánica newroniana cuando h se aproxima a cero. Este límite corresponde a una situación en la que los aspectos ondulatorios cuánticos de las partículas se hacen despreciables. Por esto podemos confiar plenamente en que la tricentenaria teoría de Newton del movimiento y de la gravedad se enseñaran y se urtilizaran dentro de mil años con la misma eficacia que lo hacemos hoy. Cualquiera que resulte ser la Teoría de Todo final, tendrá una forma restrictiva que describa el movimiento a velocidades mucho menores que la de la luz y, entonces, ahí estará Newton y, de la misma manera, cuando esos movimientos sean cercanos a c, Einstein también se hará presernte. Es decir, en la futura teoría subyacen las ideas de Newton y de Einstein como cimientis de esa nueva teoría que vendrá.

Fotografía del Congreso en el Hotel Metropole. Sentados, de izquierda a derecha: W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay (mecenas), H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Curie y H. Poincaré. De pie, de izquierda a derecha: R. Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens,A. Sommerfeld, F. Lindemann (secretario), M. de Broglie (secretario), M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J.H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein y P. Langevin. En esta situación llegó el histórico Congreso Solvay.

Se cuenta que en un descanso del aquel famoso Congreso Solvay, Einstein y Henri Poincaré se encontraron un momento sólos y, se entabló entre ellos, la conversación siguiente:

-Einstein: Sabe usted, Henri, en un tiempo estudié matemáticas, pero lo dejé por la Física.

-Poincaré: Oh, ¿de verdad Albert? ¿Y por qué?

-Einstein: Porque aunque podía distinguir los enunciados verdaderos de los falsos, no podía distinguir que hechos eran importantes.

.Poincaré: Eso es muy interesante, Albert, Porque originalmente yo estudié Física, pero la dejé por las matemáticas.

.Einstein: ¿De verdad? ¿Por qué?

.Poncaré: Porque no podía distinguir cuáles de los hechos importantes eran verdaderos.

Podeis sacar una conclusión.

       Donde esté presente la materia…, lo estará la Gravedad

Aquí la gravedad está presente y es la responsable de mantener unidos todos los objetos que en la imagen podemos contemplar, sus masas titan las unas de las otras y todo se mantiene unido. La fuerza de la gravedad tiene su mayor potencia, próximo al elemento que la origina, ya sea un átomo o un planeta, pero sus lineas de fuerza, aunque van disminuyendo con la distancia son infinitas, que no por débiles se deben despreciar. Lo que ocurre en el universo es que cualquier fuerza de gravedad mas fuerte, aparentemente anula las fuerzas débiles pero si el universo estuviera vacío de materia y de energía, dos átomos en ambos extremos del universo terminarían por atraerse. La fuerza de gravedad de un elemento viene determinado por el conjunto de átomos que lo forman comportándose como un solo elemento.

La principal sospechosa de variaciones minúsculas ha sido siempre la constante Gravitatoria, G. La Gravedad es con mucho la fuerza la fuerza más débil de la Naturaleza y la menos estrechamente sondeada por el experimento. Si se buscan los valores conocidos de las constantes principales en la contraportada de un libro de texto de Física podemos descubrir que G aparece especificada con muchas menos cifras decimales que c, h, o e. Aunque G a soportado asaltos a su constancia durante mucho tiempo, los ataques más rcientes han sido lanzados sobre α (alfa), la constante de estructura fina de la que hablamos ayer. está ahora de mucha actualidad debido a unos experimentos que se han hecho observando y midiendo la luz de unos quásares lejanos. Y, como ayer os decía, la constante de estructura fina liga la velocidad de la luz, la constante de Planck y la carga del electrón. Y, todo ello hace que, si varía en una pequerña proporción, el Universo cambiaría.

¿Quién será el que resuelve este misterio?

emilio silvera

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