¿Son calvos los agujeros negros?

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Los agujeros negros son unos objetos muy raros. Son acumulaciones de materia enormemente compacta, que ejerce una gravedad tan grande, que a menos de cierta distancia (el horizonte de sucesos) nada puede escapar de su atracción, ni siquiera la luz. De ahí su nombre.

La existencia de los agujeros negros había sido predicha en el siglo XVIII por el geólogo inglés John Michell y por el astrónomo francés Laplace. Por entonces nadie hizo demasiado caso, pero a partir de 1915, cuando Einstein formuló la teoría de la Relatividad General, el interés por estos objetos misteriosos creció. Pronto se llegó a la conclusión de que, cuando una estrella de gran masa agotara la posibilidad de producir reacciones nucleares de fusión, ninguna fuerza de la naturaleza sería capaz de vencer la atracción de la gravedad de la materia resultante, por lo que se produciría un agujero negro. Pero durante mucho tiempo se dudó de su existencia real, porque la teoría parecía predecir que la materia situada en el interior de un agujero negro ocuparía un volumen nulo y por tanto tendría una densidad infinita. Como los físicos suelen sospechar que el infinito es un concepto matemático que no se puede alcanzar en la vida real, sólo se veían dos posibilidades: o bien los agujeros negros no existen, o bien habría que modificar la teoría de Einstein para que no alcancen una densidad infinita.

Otro problema relacionado es el hecho de que la Relatividad General y la Mecánica Cuántica son incompatibles. Sin embargo, en el caso de un agujero negro, habría que aplicar las dos: al tratarse de una gran concentración de materia que actúa a través de la gravedad, debería aplicarse la Relatividad General, pero al tratarse de un objeto muy pequeño, cuyo radio tiende a cero, debería ser estudiado mediante la Mecánica Cuántica.

Durante los años sesenta del siglo XX se despertó gran interés por el estudio teórico de los agujeros negros. Uno de los resultados fue el teorema de la ausencia de pelo o de la calvicie (no-hair theorem), que afirma que la información física sobre el objeto origen de un agujero negro se reduce, después del colapso, a sólo tres variables: su masa, su carga eléctrica, y su momento angular. Esto significa que todos los agujeros negros que procedieran de objetos con estos tres valores iguales serían indistinguibles, aunque otras variables fueran muy diferentes. Entre esa información estaría el número bariónico (número de protones y neutrones en el objeto inicial); el número leptónico (número de electrones en dicho objeto); si el objeto estaba constituido por materia o por antimateria; y mucho más. Según el teorema de la calvicie, esa información estaría contenida dentro del agujero negro, pero no sería posible medirla desde fuera. Eso es lo que quiere decir la frase metafórica que afirma que los agujeros negros están calvos (o sea, que no tienen pelos que los distingan).

En 1974, Stephen Hawking señaló que, en teoría, un agujero negro podría desintegrarse con el tiempo. Si un par de partículas virtuales surgiera de forma espontánea, exactamente en el horizonte de sucesos de un agujero negro, una de las dos partículas podría dirigirse hacia el interior del agujero negro y la otra hacia fuera. En tal caso, las dos partículas ya no podrán aniquilarse mutuamente, con lo que la que se queda fuera se convertirá automáticamente en una partícula real (radiación de Hawking). Como el principio de la conservación de la energía sigue en vigor, para que eso ocurra es preciso que la masa del agujero negro disminuya en una cantidad igual a la masa de esa partícula. Si este proceso se repite durante miles de millones de años, a la larga un agujero negro acabaría evaporándose por completo. Cuanto más pequeña fuera la masa del agujero negro, más deprisa se evaporaría.

Nótese, por cierto, que la radiación de Hawking es una construcción puramente teórica. Ni se ha detectado, ni es probable que se detecte en muchísimo tiempo. Por otro lado, tampoco se han detectado las partículas virtuales, a las que dediqué otro artículo. Todas estas teorías se alejan cada vez más de la física experimental, y son simples elucubraciones.

La posibilidad de que un agujero negro se desintegre, combinada con el teorema de la calvicie, dio lugar a la paradoja de Hawking. En principio, parece evidente que las partículas virtuales que escaparan de un agujero negro no podrían llevar información sobre este. En tal caso, cuando todo el agujero negro se desintegre, ¿dónde queda la información que contenía sobre el objeto del que procedió, que se suponía estaba dentro de él, aunque nosotros no pudiéramos medirla? ¿Desaparece? Pero esto contradice una afirmación fundamental de la Mecánica Cuántica: que ese tipo de información no puede desaparecer, que se conserva siempre. Tenemos, pues, una paradoja.

Una solución posible de la paradoja es que la información contenida en el agujero negro escape de alguna manera a través de las partículas virtuales en que se desintegrara. Stephen Hawking empezó negando que esto pueda ocurrir, pero después de la guerra de los agujeros negros Leonard Susskind y otros físicos lograron convencerle. El principal argumento que aportaron fue el principio holográfico, según el cual la información contenida en el agujero negro estaría codificada en su límite bidimensional (el horizonte de sucesos). Pero debe tenerse en cuenta que el principio holográfico es consecuencia de la teoría de cuerdas, que no está confirmada, y de una supuesta teoría de gravedad cuántica que haría compatibles la Relatividad General y la Mecánica Cuántica, y que aún no existe.

Como se verá, los físicos se lo pasan muy bien desarrollando teorías cada vez más complejas y cada vez más alejadas de la realidad, porque es imposible comprobarlas. Me pregunto si al estudiar estas cosas están haciendo ciencia, o simplemente jugando. Eso sí, de vez en cuando les proporcionan fama a través de unos medios de comunicación que no entienden de lo que se está hablando, pero que suelen poner titulares con mucho gancho.

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Manuel Alfonseca

Dedicado a Felipe Gómez-Pallete, que me sugirió este artículo