Se ha demostrado que uno de los teoremas m\u00e1s famosos de Stephen Hawking es correcto, utilizando ondas en el espacio-tiempo causadas por la fusi\u00f3n de dos agujeros negros distantes. El teorema del \u00e1rea del agujero negro, que Hawking deriv\u00f3 en 1971 de la teor\u00eda de la relatividad general de Einstein, establece que es imposible que el \u00e1rea de la superficie de un agujero negro disminuya con el tiempo. Esta regla interesa a los f\u00edsicos porque est\u00e1 estrechamente relacionada con otra regla que parece establecer que el tiempo transcurra en una direcci\u00f3n particular: la segunda ley de la termodin\u00e1mica, que establece que la entrop\u00eda o el desorden de un sistema cerrado siempre debe aumentar. Debido a que la entrop\u00eda de un agujero negro es proporcional a su \u00e1rea de superficie, ambos siempre deben aumentar.<\/p>\n\n\n\n
Seg\u00fan el nuevo estudio, la confirmaci\u00f3n de los investigadores de la ley del \u00e1rea parece implicar que las propiedades de los agujeros negros son pistas importantes sobre las leyes ocultas que gobiernan el universo. Curiosamente, la ley del \u00e1rea parece contradecir otro de los teoremas probados del famoso f\u00edsico: que los agujeros negros deben evaporarse en una escala de tiempo extremadamente larga, por lo que descubrir la fuente de la contradicci\u00f3n entre las dos teor\u00edas podr\u00eda revelar una nueva f\u00edsica.<\/p>\n\n\n\n
“El \u00e1rea de la superficie de un agujero negro no se puede reducir, que es como la segunda ley de la termodin\u00e1mica. Tambi\u00e9n tiene una conservaci\u00f3n de la masa, ya que no se puede reducir su masa, por lo que es an\u00e1logo a la conservaci\u00f3n de la energ\u00eda”, dijo el autor principal. Maximiliano Isi, astrof\u00edsico del Instituto de Tecnolog\u00eda de Massachusetts, dijo a Live Science. “Al principio, la gente dec\u00eda ‘Guau, ese es un paralelo genial’, pero pronto nos dimos cuenta de que esto era fundamental. Los agujeros negros tienen una entrop\u00eda y es proporcional a su \u00e1rea. No es solo una coincidencia divertida, es un hecho profundo sobre el mundo que ellos revelan”.<\/p>\n\n\n\n
El \u00e1rea de la superficie de un agujero negro est\u00e1 delimitada por un l\u00edmite esf\u00e9rico conocido como horizonte de eventos; m\u00e1s all\u00e1 de este punto, nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su poderosa atracci\u00f3n gravitacional. Seg\u00fan la interpretaci\u00f3n de Hawking de la relatividad general, a medida que el \u00e1rea de superficie de un agujero negro aumenta con su masa, y debido a que ning\u00fan objeto arrojado al interior puede salir, su \u00e1rea de superficie no puede disminuir. Pero el \u00e1rea de la superficie de un agujero negro tambi\u00e9n se encoge cuanto m\u00e1s gira, por lo que los investigadores se preguntaron si ser\u00eda posible lanzar un objeto adentro con la fuerza suficiente para hacer que el agujero negro gire lo suficiente como para disminuir su \u00e1rea.<\/p>\n\n\n\n
“Har\u00e1 que gire m\u00e1s, pero no lo suficiente para contrarrestar la masa que acaba de agregar”, dijo Isi. “Hagas lo que hagas, la masa y el giro har\u00e1n que termines con un \u00e1rea m\u00e1s grande”.<\/p>\n\n\n\n
Para probar esta teor\u00eda, los investigadores analizaron ondas gravitacionales, u ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, creadas hace 1.300 millones de a\u00f1os 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 Interfer\u00f3metro L\u00e1ser Avanzado (LIGO), un rayo l\u00e1ser de 3.000 kil\u00f3metros de longitud capaz de detectar las m\u00e1s leves distorsiones en el espacio-tiempo por la forma en que alteran la longitud de su trayectoria.<\/p>\n\n\n\n
Al dividir la se\u00f1al en dos mitades, antes y despu\u00e9s de la fusi\u00f3n de los agujeros negros, los investigadores calcularon la masa y el giro de los dos agujeros negros originales y el nuevo combinado. Estos n\u00fameros, a su vez, les permitieron calcular el \u00e1rea de superficie de cada agujero negro antes y despu\u00e9s de la colisi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
“A medida que giran una alrededor de la otra cada vez m\u00e1s r\u00e1pido, las ondas gravitacionales aumentan en amplitud cada vez m\u00e1s hasta que finalmente se sumergen entre s\u00ed, creando esta gran explosi\u00f3n de ondas”, dijo Isi. “Lo que te queda es un nuevo agujero negro que est\u00e1 en este estado de excitaci\u00f3n, que luego puedes estudiar analizando c\u00f3mo est\u00e1 vibrando. Es como si tocas una campana, los tonos espec\u00edficos y las duraciones con las que suena te dir\u00e1n la estructura de esa campana, y tambi\u00e9n de qu\u00e9 est\u00e1 hecha”.<\/p>\n\n\n\n
El \u00e1rea de superficie del agujero negro reci\u00e9n creado era mayor que la de los dos iniciales combinados, lo que confirma la ley del \u00e1rea de Hawking con un nivel de precisi\u00f3n de m\u00e1s del 95%. Seg\u00fan los investigadores, sus resultados est\u00e1n bastante en l\u00ednea con lo que esperaban encontrar. La teor\u00eda de la relatividad general, de donde proviene la ley del \u00e1rea, hace un trabajo muy efectivo al describir los agujeros negros y otros objetos a gran escala.<\/p>\n\n\n\n
Sin embargo, el verdadero misterio comienza cuando intentamos integrar la relatividad general, las reglas de los objetos grandes, con la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, las de los muy peque\u00f1os. Empiezan a ocurrir eventos extra\u00f1os que causan estragos en todas nuestras reglas estrictas y r\u00e1pidas, y rompen la ley del \u00e1rea por completo.<\/p>\n\n\n\n
Esto se debe a que los agujeros negros no pueden encogerse seg\u00fan la relatividad general, pero pueden hacerlo seg\u00fan la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. El ic\u00f3nico f\u00edsico brit\u00e1nico detr\u00e1s de la ley del \u00e1rea de superficie tambi\u00e9n desarroll\u00f3 un concepto conocido como radiaci\u00f3n de Hawking, donde se emite una niebla de part\u00edculas en los bordes de los agujeros negros a trav\u00e9s de extra\u00f1os efectos cu\u00e1nticos. Este fen\u00f3meno hace que los agujeros negros se encojan y, finalmente, durante un per\u00edodo de tiempo varias veces mayor que la edad del universo, se evaporen. Esta evaporaci\u00f3n puede ocurrir en escalas de tiempo lo suficientemente largas como para no violar la ley del \u00e1rea a corto plazo, pero eso es un peque\u00f1o consuelo para los f\u00edsicos.<\/p>\n\n\n\n
“Estad\u00edsticamente, durante un largo per\u00edodo 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 tentaci\u00f3n de decir que la entrop\u00eda de la olla est\u00e1 disminuyendo. Pero si toma el vapor en cuenta tambi\u00e9n, su entrop\u00eda general ha aumentado. Es lo mismo con los agujeros negros y la radiaci\u00f3n de Hawking”.<\/p>\n\n\n\n
Con la ley de \u00e1rea establecida para per\u00edodos de tiempo cortos a medianos, los pr\u00f3ximos pasos de los investigadores ser\u00e1n analizar los datos obtenidos de m\u00e1s ondas gravitacionales para obtener informaci\u00f3n m\u00e1s profunda que pueda obtenerse de los agujeros negros.<\/p>\n\n\n\n
“Estoy obsesionado con estos objetos por lo parad\u00f3jicos que son. Son extremadamente misteriosos y confusos, pero al mismo tiempo sabemos que son los objetos m\u00e1s simples que existen”, dijo Isi. “Esto, as\u00ed como el hecho de que est\u00e1n donde la gravedad se encuentra con la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, los convierte en el campo de juego perfecto para nuestra comprensi\u00f3n de lo que es la realidad”.<\/p>\n\n\n\n