Se ha demostrado que uno de los teoremas más famosos de Stephen Hawking es correcto, utilizando ondas en el espacio-tiempo causadas por la fusión de dos agujeros negros distantes. El teorema del área del agujero negro, que Hawking derivó en 1971 de la teoría de la relatividad general de Einstein, establece que es imposible que el área de la superficie de un agujero negro disminuya con el tiempo. Esta regla interesa a los físicos porque está estrechamente relacionada con otra regla que parece establecer que el tiempo transcurra en una dirección particular: la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía o el desorden de un sistema cerrado siempre debe aumentar. Debido a que la entropía de un agujero negro es proporcional a su área de superficie, ambos siempre deben aumentar.
Según el nuevo estudio, la confirmación de los investigadores de la ley del área parece implicar que las propiedades de los agujeros negros son pistas importantes sobre las leyes ocultas que gobiernan el universo. Curiosamente, la ley del área parece contradecir otro de los teoremas probados del famoso físico: que los agujeros negros deben evaporarse en una escala de tiempo extremadamente larga, por lo que descubrir la fuente de la contradicción entre las dos teorías podría revelar una nueva física.
“El área de la superficie de un agujero negro no se puede reducir, que es como la segunda ley de la termodinámica. También tiene una conservación de la masa, ya que no se puede reducir su masa, por lo que es análogo a la conservación de la energía”, dijo el autor principal. Maximiliano Isi, astrofísico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, dijo a Live Science. “Al principio, la gente decía ‘Guau, ese es un paralelo genial’, pero pronto nos dimos cuenta de que esto era fundamental. Los agujeros negros tienen una entropía y es proporcional a su área. No es solo una coincidencia divertida, es un hecho profundo sobre el mundo que ellos revelan”.
El área de la superficie de un agujero negro está delimitada por un límite esférico conocido como horizonte de eventos; más allá de este punto, nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su poderosa atracción gravitacional. Según la interpretación de Hawking de la relatividad general, a medida que el área de superficie de un agujero negro aumenta con su masa, y debido a que ningún objeto arrojado al interior puede salir, su área de superficie no puede disminuir. Pero el área de la superficie de un agujero negro también se encoge cuanto más gira, por lo que los investigadores se preguntaron si sería posible lanzar un objeto adentro con la fuerza suficiente para hacer que el agujero negro gire lo suficiente como para disminuir su área.
“Hará que gire más, pero no lo suficiente para contrarrestar la masa que acaba de agregar”, dijo Isi. “Hagas lo que hagas, la masa y el giro harán que termines con un área más grande”.
Para probar esta teoría, los investigadores analizaron ondas gravitacionales, u ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, creadas hace 1.300 millones de años por dos gigantescos agujeros negros mientras giraban en espiral uno hacia el otro a alta velocidad. Estas fueron las primeras ondas detectadas en 2015 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser Avanzado (LIGO), un rayo láser de 3.000 kilómetros de longitud capaz de detectar las más leves distorsiones en el espacio-tiempo por la forma en que alteran la longitud de su trayectoria.
Al dividir la señal en dos mitades, antes y después de la fusión de los agujeros negros, los investigadores calcularon la masa y el giro de los dos agujeros negros originales y el nuevo combinado. Estos números, a su vez, les permitieron calcular el área de superficie de cada agujero negro antes y después de la colisión.
“A medida que giran una alrededor de la otra cada vez más rápido, las ondas gravitacionales aumentan en amplitud cada vez más hasta que finalmente se sumergen entre sí, creando esta gran explosión de ondas”, dijo Isi. “Lo que te queda es un nuevo agujero negro que está en este estado de excitación, que luego puedes estudiar analizando cómo está vibrando. Es como si tocas una campana, los tonos específicos y las duraciones con las que suena te dirán la estructura de esa campana, y también de qué está hecha”.
El área de superficie del agujero negro recién creado era mayor que la de los dos iniciales combinados, lo que confirma la ley del área de Hawking con un nivel de precisión de más del 95%. Según los investigadores, sus resultados están bastante en línea con lo que esperaban encontrar. La teoría de la relatividad general, de donde proviene la ley del área, hace un trabajo muy efectivo al describir los agujeros negros y otros objetos a gran escala.
Sin embargo, el verdadero misterio comienza cuando intentamos integrar la relatividad general, las reglas de los objetos grandes, con la mecánica cuántica, las de los muy pequeños. Empiezan a ocurrir eventos extraños que causan estragos en todas nuestras reglas estrictas y rápidas, y rompen la ley del área por completo.
Esto se debe a que los agujeros negros no pueden encogerse según la relatividad general, pero pueden hacerlo según la mecánica cuántica. El icónico físico británico detrás de la ley del área de superficie también desarrolló un concepto conocido como radiación de Hawking, donde se emite una niebla de partículas en los bordes de los agujeros negros a través de extraños efectos cuánticos. Este fenómeno hace que los agujeros negros se encojan y, finalmente, durante un período de tiempo varias veces mayor que la edad del universo, se evaporen. Esta evaporación puede ocurrir en escalas de tiempo lo suficientemente largas como para no violar la ley del área a corto plazo, pero eso es un pequeño consuelo para los físicos.
“Estadísticamente, durante un largo período de tiempo, se viola la ley”, dijo Isi. “Es como agua hirviendo, el vapor se evapora de la olla, pero si solo se limita a mirar el agua que desaparece en su interior, es posible que tenga la tentación de decir que la entropía de la olla está disminuyendo. Pero si toma el vapor en cuenta también, su entropía general ha aumentado. Es lo mismo con los agujeros negros y la radiación de Hawking”.
Con la ley de área establecida para períodos de tiempo cortos a medianos, los próximos pasos de los investigadores serán analizar los datos obtenidos de más ondas gravitacionales para obtener información más profunda que pueda obtenerse de los agujeros negros.
“Estoy obsesionado con estos objetos por lo paradójicos que son. Son extremadamente misteriosos y confusos, pero al mismo tiempo sabemos que son los objetos más simples que existen”, dijo Isi. “Esto, así como el hecho de que están donde la gravedad se encuentra con la mecánica cuántica, los convierte en el campo de juego perfecto para nuestra comprensión de lo que es la realidad”.
Fuente: Live Science.
