Las ultimas noticias en tecnología, ciencia y cultura digital.
Illustration: Angelica Alzona (Gizmodo)
1.6K
9
Save

Hace casi 50 años, mucho antes de Interestelar y del Telescopio Event Horizon, el investigador postdoctoral William Unruh intentaba explicar los agujeros negros en un coloquio de la Universidad de Oxford. Fue el principio de una extraña carrera en pos de un objetivo no menos extraño: crear un agujero negro..

No había puntos de referencia cotidianos con los que comparar un objeto tan denso que la luz no puede escapar de su gravedad deformada. Entonces Unruh ideó su propia pequeña analogía: imaginen una cascada y un pequeño pez que nada accidentalmente sobre su borde, demasiado lento para nadar contra el flujo del agua. El pez quedaría atrapado para siempre en el fondo de la cascada para nunca volver a su hogar. Eso es básicamente lo que le sucede a la luz en un agujero negro.

Unos años más tarde, Unruh enseñaba física sobre el comportamiento de los fluidos, y se dio cuenta de que las matemáticas de aquella analogía pintaban una imagen aún más similar a un agujero negro de lo que había considerado cuando se le ocurrió. ¿Quizá los experimentos análogos que obedecen a un conjunto similar de reglas físicas a los agujeros negros, podían servir para descubrir otros efectos físicos desconocidos aplicables también en los agujeros negros?

Durante décadas, Unruh expulsó las ideas solo en teoría. Pera cuando él mismo se convirtió en profesor se dio cuenta de que podían hacer realidad la idea. Podía construir un objeto similar a un agujero negro en su laboratorio.

Una foto del experimento Weinfurtner.
Foto: Uniuversidad de Nottingham

Desde la década de 1980, diferentes científicos han diseñado y construido, una gran cantidad de análogos de agujeros negros que intentan recrear la rareza del espacio-tiempo predicha por científicos como Albert Einstein y Stephen Hawking. Justo este año, un equipo dirigido por el físico Jeff Steinhauer en el Instituto de Tecnología Technion-Israel descubrió la evidencia más fuerte hasta el momento de la radiación que Hawking predijo que emanaría de los bordes exteriores de los agujeros negros usando uno de esos análogos. El problema es que la comparación entre el universo analógico y el real no puede llegar mucho más lejos.

“El universo no es una cascada que fluye sobre un borde, y un agujero negro es diferente en muchos otros aspectos a esa analogía, pero en otros aspectos ambos son muy similares”, explicó Unruh, ahora profesor de la Universidad de la Columbia Británica. ¿Cómo de lejos? ¿Es la similitud lo suficientemente fuerte como para que estudiar los análogos pueda reforzar las teorías sobre el comportamiento de un agujero negro? “Yo diría que sí”, replicó Unruh a Gizmodo.

Un fenómeno difícil de estudiar

La teoría de la relatividad general de Einstein predice la existencia de agujeros negros, objetos cuya gravedad deforma tanto el espacio y el tiempo que más allá de un límite llamado horizonte de eventos, la luz no puede escapar. Estos límites son una carga para las teorías de los físicos, ya que obedecen tanto a las leyes de las partículas más pequeñas (la mecánica cuántica) como las leyes de la relatividad general y su descripción de la gravedad. Hasta hoy, no hay una forma comprobada de vincular estas dos grandes ramas de la física. Los teóricos han ideado algunos fenómenos físicos que podrían ocurrir en estas regiones extremas. Una de ellas es la radiación de Hawking, que no es otra cosa que la idea de que pequeñas fluctuaciones de energía causadas por la mecánica cuántica en la superficie del agujero negro pueden causar que los agujeros negros emitan partículas. Otra es el proceso de Penrose, por el cual Los agujeros negros que giran pueden inyectar energía en partículas cercanas.

Ingenieros trabajando en la actualización de Advance LIGO en el observatorio de Hanford
Foto: LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel

Los experimentos de observación de agujeros negros como los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo y el Telescopio Event Horizon no pueden resolver los horizontes de eventos en una escala tan pequeña como la cuántica. El Gran Colisionador de Hadrones, el mayor destructor de átomos del mundo, aún no ha producido un agujero negro en miniatura: sí, los físicos los están buscando, pero no, los mini agujeros negros no causarían ningún daño y se desintegrarían casi de inmediato.Sin embargo, para crearlos, el Gran Colisionador de Hadrones probablemente necesite haces que contengan mucha más energía que sus capacidades actuales.

Mientras tanto, los humildes análogos que usan átomos ultra fríos, láser o incluso agua corriente para recrear ese complejo fenómeno cósmico podrían al menos verificar que ciertos procesos teorizados existen en la naturaleza en objetos que actúan como agujeros negros.

Los agujeros tontos

En las décadas posteriores al debut de la teoría de la radiación de los agujeros negros de Hawking, Unruh usó las matemáticas para expandir las analogías y desarrollar el concepto de “agujeros tontos”, llamado así porque atraparían el sonido en lugar de la luz. Otros físicos elaboraron sobre esa teoría e idearon sus propios agujeros tontos. En la década de 2000, Unruh y su equipo, junto con ingenieros civiles de la Universidad de Columbia Británica, estaban listos para construir agujeros tontos en el laboratorio.

Cámara de vacío del experimento de Jeff Steinhauer
Foto: Technion - Israel Institute of Technology

Estos primeros análogos de agujeros negros se parecían mucho más a cascadas que a puntos de no retorno interestelares. Como investigadora postdoctoral y colega de Unruh en la Universidad de Columbia Británica, Silkie Weinfurtner supervisó las bombas que transportan el agua por un canal y cruzan una barrera que representa el agujero negro. Inicialmente, los científicos esperaban enviar vibraciones, también conocidas como sonido, a través del agua, pero la velocidad del sonido en el agua es de 1.500 metros por segundo, una velocidad difícil de estudiar en un pequeño experimento de laboratorio. En su lugar, enviaron olas físicas, como las que verías en el océano.

El equipo publicó sus primeros resultados en 2010. Cuando las ondas que produjeron interactuaron con la barrera, crearon pares de ondas a cada lado de la barrera, similares a los pares de partículas que Hawking predijo que aparecerían a ambos lados del horizonte de eventos, dentro y fuera del agujero negro. El trabajo teórico de Hawking y Unruh en conjunto implica que los agujeros negros emiten un espectro “térmico” o de “cuerpo negro” de longitudes de onda basadas únicamente en sus temperaturas, que para los agujeros negros está directamente relacionado con su masa. Las ondas del canal de Weinfurtner generaron un espectro sorprendentemente similar, y el equipo afirmó haber medido la emisión de Hawking de manera simulada en su sistema analógico.

“La radiación del agujero negro es uno de los procesos quizás más peculiares”, explicó Weinfurtner a Gizmodo. Gracias a nuestro experimento, “puedes reproducir ese proceso en el laboratorio”.

Siguieron agujeros tontos más complejos; Weinfurtner acabó liderando su propio grupo, ahora en la Universidad de Nottingham en el Reino Unido. Ese grupo ideó un análogo de agujero negro a partir de un vórtice producido por un fluido de drenaje y rotación. El vórtice amplificó las ondas que viajaban sobre el líquido que rebotaba en él, y el experimento se convirtió en una primera observación de un proceso llamado superradiancia en el laboratorio, una analogía del proceso de Penrose, donde los agujeros negros que giran turbocargan las partículas en el espacio a su alrededor.

Agujeros cada vez más complejos

En la última década más o menos, los científicos han producido una variedad de análogos basados en conceptos similares. La luz láser, cuando viaja a través de un vidrio cuyas propiedades han sido alteradas temporalmente para cambiar la velocidad a la que viaja la luz, también genera partículas de luz similares a la radiación de Hawking. Pero estos análogos todavía carecían de algunas de las características cuánticas que gobiernan la radiación de Hawking en los agujeros negros reales. Unruh explicó que estos sistemas simplemente se calientan demasiado para observar pequeños efectos que ocurren a una pequeña fracción de un grado por encima del cero absoluto.

Cuando Unruh consideró por primera vez observar estos efectos cuánticos en un sistema analógico, no pensó que fuera posible acceder a las bajas temperaturas requeridas. Sin embargo cuando expresó esta duda en una conferencia en Nuevo México hace dos décadas, un físico llamado Mark Raizen se leventó y le dijo que ya se podía acceder a temperaturas suficientemente bajas en los sistemas de laboratorio llamados condensados ​​de Bose-Einstein. Este año, Steinhauer, del Instituto de Tecnología Technion-Israel, puede haber detectado por fin esos efectos cuánticos en uno de los análogos más similares a los agujeros negros.

El profesor Jeff Steinhauer junto a la instalación utilizada para crear agujeros negros de sonido
Foto: Technion

Steinhauer le explicó a Gizmodo que había estado estudiando durante mucho tiempo condensados ​​de Bose-Einstein. Se trata de colecciones de átomos ultra fríos que demuestran efectos cuánticos mecánicos en escalas casi macroscópicas. Había oído hablar de la posibilidad de crear agujeros negros basados ​​en ondas de sonido utilizando condensados ​​de Bose-Einstein y comenzó a trabajar en ellos como un proyecto paralelo. Una vez descubrió una manera de construir uno de estos sistemas, el físico “implacable” y “perfeccionista” abandonó todos sus otros proyectos y se dedicó a buscar agujeros negros sónicos a tiempo completo.

El sistema de Steinhauer es similar al de Unruh conceptualmente hablando. Una pequeña región en forma de tubo de decenas de micrómetros de ancho contiene miles de átomos de rubidio atrapados por un láser. Un láser adicional crea una diferencia de energía, el límite, que se mueve a través de los átomos para actuar como una cascada. Los datos se registran desde el punto de vista del límite donde los átomos fluyen sobre él. Imagine que un acantilado de alguna manera pudiera moverse hacia atrás a través del terreno sobre el que reposa un río, se manera que se parecería tanto a una cascada como a un río que fluye sobre un acantilado estacionario.

El sonido viaja a dos velocidades diferentes a cada lado del límite, desde la perspectiva del límite: rápidamente en la parte superior, ya que los átomos son más densos y se mueven más lentamente, y lentamente en la parte inferior, donde los átomos son menos densos y se mueven más rápido. Los fonones, las unidades más pequeñas de sonido, pueden viajar en cualquier dirección en la parte superior, ya que la velocidad del sonido es más lenta que la velocidad de movimiento de los átomos. En el otro lado (el fondo de la cascada), los átomos se mueven más rápido de lo que una onda de sonido podría viajar a través de ellos. En otras palabras, un fonón nunca podría regresar al límite y quedaría atrapado en el agujero negro sónico.

Aspecto de la máquina que recrea agujeros negros con sonido.
Foto: Jeff Steinhauer (Technion)

Steinhauer presentó resultados en 2014 y 2016, demostrando indicios de las correlaciones cuánticas entre los fonones correspondientes. El verano pasado, ahora acompañado por el postdoctorado Juan Ramón Muñoz de Nova y los estudiantes Katrine Golubkov y Victor I. Kolobov, Steinhauer publicó el resultado del experimento con 21 mejoras después de ejecutar el experimento más de 7,400 veces. En los datos apareció un espectro térmico espontáneo, la emisión similar a un agujero negro cuyas longitudes de onda se basaron únicamente en el análogo del sistema a la gravedad.

Hawking tenía razón

Es justo lo que Hawking imaginó. Steinhauer le explicó a Gizmodo que incluso se podrían extraer cifras análogas a la “temperatura de Hawking”, la temperatura que determinaría la naturaleza de la radiación de Hawking en un agujero negro real.

La carrera por crear un agujero negro en laboratorio sigue. Hoy los científicos tienen sistemas que imitan las leyes de la física de los agujeros negros en sus laboratorios con las que esperan continuar recreando las peculiaridades teóricas de estos fenómenos cósmicos. La cuestión de fondo es: ¿De qué sirven todos estos experimentos sin la capacidad de confirmar que los agujeros negros de la vida real realmente actúan de esta manera?

Quizás lo más importante es que estos análogos les dicen a los teóricos que su trabajo no está completamente fuera de lugar”, dijo Unruh. “Este fenómeno ha resultado ser tan omnipresente... Ocurre en muchas situaciones diferentes”.

Algunos de estos científicos están tan interesados en usar agujeros negros para estudiar fluidos que fluyen y átomos fríos. “Hay mucho que aprender para comprender estas pequeñas fluctuaciones en los fluidos y superfluidos cuando se llevan al límite”, añade Weinfurtner.

Imagen: NASA Goddard Spaceflight Center

Pero algunos cuestionan qué tan cerca están los análogos de los agujeros negros reales. “Se debate ampliamente si los análogos pueden decirnos algo sobre el cosmos”, explica a Gizmodo Daniele Faccio, profesor de Tecnologías Cuánticas en la Universidad de Glasgow en Escocia. Faccio trabaja en sus propios análogos de agujeros negros y acepta que demuestran que las matemáticas detrás de las teorías son correctas. “Sin embargo, mi opinión personal es que no pueden decirnos si los agujeros negros reales también emiten radiación de Hawking u obedecen exactamente el mismo comportamiento que vemos en el laboratorio”.

Estas conversaciones van mucho más allá de la física del agujero negro. Las matemáticas detrás de las teorías que parecen gobernar el universo distante ocasionalmente surgen en condiciones de laboratorio de alta ingeniería utilizando metales extraños o átomos fríos. Algunos científicos incluso han ideado experimentos para imitar el Big Bang utilizando condensados ​​de Bose-Einstein. Algún día, quizás estos experimentos de laboratorio revelen un nuevo comportamiento que luego se pueda ver en el espacio.

“En este momento, muchas de las analogías han sido una especie de lindos experimentos de prueba de principio que demuestran que podemos realizar estos procedimientos en nuestros laboratorios”, apunta Gretchen Campbell, profesora adjunta y codirectora del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland. “Será interesante ver si alguna vez pueden proporcionarnos una nueva visión del universo”.

Pero los agujeros negros no son cascadas. Es imposible decir si nuestra tecnología nos permitirá comprender la naturaleza de los agujeros negros reales. En cuanto a si los comportamientos de fluidos, haces de luz y átomos fríos en el laboratorio dan fe de los cálculos de Hawking debido a las matemáticas de aspecto similar que rigen su comportamiento, eso depende de usted. “Yo diría que sí, me da más fe”, termina Unruh, “pero es algo que casi todos los científicos tendrán que responder por sí mismos”.

Share This Story