La guerra de Hawking ¿Tienen pelos los agujeros negros?

El pasado 14 de marzo de 2018 murió Stephen W. Hawking, el científico más famoso de nuestro tiempo. En estos días se ha escrito mucho sobre él pero poco sobre sus aportaciones científicas.

Sus trabajos están principalmente relacionados con los agujeros negros. Éstos no son invención de Hawking pero, como veremos, es una de las personas que más ha contribuido a su estudio. El concepto moderno de agujero negro procede de Subrahmanyan Chandrasekhar que en 1930 dedujo su existencia utilizando la Teoría General de la Relatividad (TGR) de Einstein, en contra de lo que sostenía el propio Einstein que no creía que pudiesen existir (así lo publicó en 1939).

agujero negro

Durante años los agujeros negros fueron una mera curiosidad teórica, sin ninguna verificación experimental, hasta que en la década de los 60 del s. XX se detectó una señal de rayos X procedente de Cygnus X-1 (de la constelación el Cisne). La explicación más razonable era suponer que era producida durante la acreción de materia por un agujero negro. Hoy tenemos muchos más datos que confirman la existencia de agujeros negros, la más clara es la detección de ondas gravitacionales cuyo origen es inequívocamente el choque entre agujeros negros. En los próximos meses quizás podamos observar por primera vez señales procedentes de la superficie (el horizonte de sucesos) del super agujero negro de millones de masas solares que hay en el centro de nuestra galaxia Radiotelescopios de todo el mundo están ahora colaborando con este objetivo.

Durante años se asumía que nada de lo que caía en un agujero negro podría salir de él, hasta que el 1 de marzo de 1974, cuando Hawking contaba con 32 años y la ELA ya estaba haciendo estragos en él, publicó un revolucionario artículo con el título: Black hole explosions? Hawking mostraba cómo en ciertas condiciones un agujero negro puede ir perdiendo masa emitiendo radiaciones en forma de calor. A este proceso se le conoce con el nombre de radiación de Hawking. Nadie la ha observado (es una de las causas por las que Hawking no tiene el Nobel) y es lógico que sea así, pues de existir (casi nadie lo duda) su emisión sería extremadamente débil lo que la hace indetectable. La probabilidad de generación de la radiación Hawking es mayor mientras más baja sea la temperatura del Universo. En miles de millones de años nuestro Universo será mucho más frio y los agujeros negros emitirán cada vez mayor energía. En su etapa final acabarán desintegrándose en una gran explosión.

En el mismo artículo deducía que durante el Big Bang las fluctuaciones cuánticas generaron innumerables agujeros negros muy pequeños que se iban desintegrando “produciendo tanta energía como un millón de bombas atómicas”. Hawking de esta forma conectaba los procesos cuánticos típicos de lo muy pequeño con la teoría general de la relatividad de Einstein que permite describir el universo a grandes escalas. El unificar ambas teorías daría lugar a una Teoría del Todo que fue la obsesión de Hawking. Estaba convencido de que a esta Teoría del Todo se habría llegado antes del año 2000, pero ni él ni nadie ha podido hacerlo, y cada vez parece más lejana.

tiempo

La teoría de Big Bang (no equivocar con la serie de mismo título), fue propuesta, no con ese nombre, por el sacerdote belga Georges Henri Joseph Édouard Lemaître en 1927 (Lemaître también se anticipó a Hubble en el descubrimiento ley de Hubble). En los años 70 del s. XX nadie dudada de que el Universo tenía su origen en el Big Bang, pero quedaban muchas cosas por explicar (y el asunto esta lejos de ser cerrado). Hawking en 1982 y, de forma independiente, los rusos Mukhanov y Chibisov, propusieron que el origen de las galaxias está en las pequeñas fluctuaciones cuánticas originadas durante los instantes iniciales del Big Bang. En 2013, el satélite Planck realizó el mapa más detallado del fondo cósmico de microondas (Recordemos que llamamos así a aquella radiación que nos llega de todas direcciones, y cuyo origen es el propio Big Bang). En las imágenes, en falso color, tomadas por el satélite Plank se apreciaban pequeñas diferencias de temperatura cuya explicación más simple eran las fluctuaciones cuánticas predichas por Hawking, Mukhanov y Chibisov. El descubrimiento le valió a estos tres científicos el premio Fronteras del Conocimiento BBVA en 2016.

La otra gran contribución científica de Hawking, para mí la más importante, fue la deducción de la siguiente fórmula:

Es a Hawking lo que el E = m c2 a Einstein
Es a Hawking lo que el E = m c2 a Einstein

La fórmula relaciona S, la llamada entropía de Bekenstein-Hawking, con la superficie del A del agujero negro. En física, la entropía es una medida del desorden, o de cuánta información puede albergar un objeto, en este caso el agujero negro. Los otros términos de la ecuación son muy conocidos por los físicos (k es la constante de Boltzmann, c la velocidad de la luz, ħ la constante de Planck y G la constante de gravitación universal). Lo más impresionante es que en una misma fórmula aparecen G, una constante básica de la Teoría General de la Relatividad, y ħ asociada con la Mecánica Cuántica. Es la primera fórmula, que yo sepa, en las que ambas teorías aparecen relacionadas. En varios sitios de internet he encontrado que Hawking consideró esta fórmula tan importante que quería que se inscribiese como epitafio en su tumba (en la tumba de Boltzmann aparece escrita también otra fórmula relacionada con la entropía).

Pero quizás lo que ha hecho más famoso a Hawking entre los científicos es su capacidad para plantear preguntas y crear debates sobre grandes cuestiones de la física. La más conocida es ¿Tienen pelos los agujeros negros? que nos cuenta con detalle Leonard Susskind en el estupendo libro La guerra de los agujeros negros. Veamos su significado con un experimento mental (es complicado hacer el experimento real). Supongamos dos agujeros negros Pepe y Paco tienen exactamente la misma masa (si queremos ser quisquillosos añadiremos que además tienen la misma carga y momento angular). Arrojamos en Pepe la Enciclopedia Británica. En Paco arrojamos la Enciclopedia Espasa (versión abreviada), y nos aseguramos (arrancando hojas, si es necesario) que su masa sea idéntica a la Británica. En ambos casos cada agujero las engullirá y las destruirá. Cuando finalmente exploten, dentro de unos miles de millones de años, mediante la emisión de la radiación Hawking ¿Se habrá perdido la información de ambas enciclopedias o habrá alguna forma de recuperarla? Parece lógico pensar que dado que ambos agujeros son exactamente iguales serán indistinguibles y no habrá forma de recuperarlas. Se dice que los agujeros no tienen pelos que permitan diferenciar Pepe de Paco. Aceptarlo equivale a eliminar un elemento fundamental de la física cuántica que es la conservación de la información.

La versión de agujeros sin pelos es la que defendía Hawking y apostó, junto con Kip Thorne, contra John Preskill, que defendía que los agujeros negros sí tenían pelos (una forma de decir que deberían contener algo que los hiciese diferentes). Trascurridos 40 años, en uno de sus últimos trabajos publicados, Hawking reconoció que estaba equivocado, de alguna manera en Pepe y Paco debería haber algo que los diferenciaba (le llamo “el pelo suave”) lo que permitiría recuperar la información que contenían. Lo curioso es que John Preskill al que daba por ganador ahora duda del resultado. Si los agujeros tienen pelos en cierto sentido seremos eternos pues la información de todo lo que ha ocurrido en el universo se conservará para siempre, o al menos por unos miles de millones de años.

Entre físicos y cosmólogos hay acuerdo en que Hawking ha hecho grandes aportaciones a la Física, aunque haya otros de su generación que alcancen su nivel y quizás lo superen (Steven Weinberg, Gerard’t Hooft, …) pero lo que indudablemente hace a Hawking diferente es su espíritu de lucha con humor contra la adversidad y su contribución a la difusión de la Cosmología y de la Ciencia en general escribiendo libros y participando en programas salpicados de humor. El más conocido y poco leído es Una breve historia del tiempo. Para mí el más recomendable es El universo en una cascara de nuez. En todos ellos a la ciencia rigurosa le añade aspectos especulativos y sugerentes, como cuando escribe que preguntar por el principio del tiempo es lo mismo que preguntar ¿qué hay al norte del norte?

carta

El científico utilizaba un sintetizador de voz para comunicarse con acento americano y un tono que sonaba metálico. Nunca quiso que se lo cambiasen (podrían haberle puesto la voz de una Siris masculina) pues ese sonido robótico se había convertido en una señal de identidad. Su sentido del humor era legendario. En su sitio en internet (http://www.hawking.org.uk/) cuenta: “Cuando tuve que dar una conferencia en Japón, me pidieron que no hiciera mención a un posible colapso del universo, porque esto podría afectar el mercado bursátil… . Sin embargo, puedo asegurarle a cualquiera que esté preocupado por sus inversiones que es un poco temprano para vender: incluso si el Universo llega a su fin, esto no ocurrirá hasta dentro de al menos 20.000 millones de años”.

Despidámoslo con recordando uno de sus pensamientos:

“El hecho de que nosotros, los humanos … hayamos sido capaces de acercarnos tanto a la comprensión de las leyes que nos gobiernan a nosotros mismos y nuestro Universo es un gran triunfo. Quiero compartir mi emoción y entusiasmo por esta búsqueda. Así que acuérdense de mirar hacia las estrellas y no hacia sus pies. Intenten encontrarle un sentido a lo que ven y pregúntense por aquello que hace que exista el universo. Sean curiosos. Y por muy difícil que pueda parecerles la vida, siempre hay algo que pueden hacer y en lo que pueden tener éxito. Lo importante es que no se rindan.”

Este artículo nos lo envía Guillermo Sánchez León, Profesor en la Universidad de Salamanca y autor de más de 100 artículos y ponencias, algunos de divulgación científica que podéis encontrar en su web.

Guillermo ha escrito diversos artículos en Naukas que encontraréis en el siguiente enlace.


8 Comentarios

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LicantropunkLicantropunk

Excelente artículo, buen homenaje para un científico que ya es un mito de la ciencia moderna.

Francis

Hecho en falta citar algunos artículos científicos originales. Que un agujero negro no tiene “pelo” es una frase que aparece por primera vez publicada en la página 876 del libro “Gravitation” (1973) de Misner, Thorne y Wheeler, la “biblia” del campo; el padre del término es, como no, John A. Wheeler.

Allí se citan dos trabajos de S. W. Hawking sobre agujeros negros en rotación de Kerr (sin carga eléctrica), en concreto “Gravitationally collapsed objects of very low mass,” MNRAS 152: 75-78 (1971), y “Black holes in general relativity,” CMP 25: 152-166 (1972).

Para los agujeros negros cargados de Reissner-Nordstrom (sin momento angular) se citan dos trabajos previos de Werner Israel, “Event horizons in static vacuum space-times,” PR 164: 1776-1779 (1967), y “Event horizons in static electrovac space-times,” CMP 8: 245-260 (1968).

Para el caso general se cita el breve artículo de Brandon Carter, “An axisymmetric black hole has only two degrees of freedom,” PRL 26: 331-333 (1970).

En relación a que los agujeros negros no pueden tener hipercargas electrodébiles (interacción débil) o hipercargas de color (interacción fuerte se citan trabajos de Hartle (1971, 1972), Teitelboim (1972b, 1972c), Bekenstein (1972a, 1972b) y Teitelboim (1972a).

Saludos
Francis

Oscar MeléndezOscar Meléndez

No hay dudas de que siempre que hable del universo, habrá un antes y un después de S. Hawking excelente científico. De los más lúcidos de nuestra época.

José Moruno LópezJosé Moruno López

interesante, claro y emotivo recuerdo de este genio.
Aleccionadoras palabras del propio Hawking que tan oportunamente transcribes: “Y por muy difícil que pueda parecerles la vida, siempre hay algo que pueden hacer y en lo que pueden tener éxito. Lo importante es que no se rindan”.

Amílcar A.

Interesante y un buen homenaje, mismo para quien conoce más la figura que su obra.
En los que me incluyo… Mismo teniendo en mi biblioteca privada la “Breve História do Tempo”.

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