Los Agujeros Negros, entrelazando la Relatividad con la Mecánica Cuántica.

Los agujeros negros, uno de los grandes misterios del siglo XX.

    Los agujeros negros han sido uno de los temas abiertos más intrigantes de la física durante este último siglo. Científicos como Stephen Hawking, Roger Penrose o Robert Oppenheimer se han dedicado durante la segunda mitad del siglo XX a estudiar las propiedades de esta apasionante pero intrigante región del espacio-tiempo. Además, algunos proponen que los agujeros negros serán la clave para resolver el mayor problema de la Física desde Einstein: entrelazar la Relatividad con la Mecánica Cuántica.

    Los agujeros negros son regiones teóricas (aún no han sido comprobados experimentalmente) que pesan tanto que crean campos gravitatorios muy fuertes, capaces de absorber incluso la luz. Éstos fueron teorizados a partir de las ecuaciones de campo de Einstein, que predecían una curvatura infinita del espacio-tiempo.

    La Relatividad General es una teoría formulada por Albert Einstein en 1915. En ella formuló que la gravedad no era una fuerza en sí, sino que estaba provocada por la curvatura del tejido del espacio-tiempo. Esta curvatura estaría provocada por la masa de los cuerpos de universo.

    Un buen ejemplo es este: imagínese que está en una moto acuática, cruzando el océano en dirección recta. Ahora imagínese que cerca de su ruta se produce un maremoto. Aunque intente seguir en línea recta, debido a la atracción del maremoto empezará a dar vueltas alrededor de él. En el universo pasa lo mismo. Los cuerpos pesados, como el Sol, curvan el tejido espacio-temporal, haciendo que cuerpos menos pesados, como La Tierra, giren alrededor de él.

La Relatividad General, una de las grandes teorías del siglo XX

    La Mecánica Cuántica, por el contrario, es capaz de explicar las interacciones que ocurren en el mundo subatómico. Describe correctamente la composición de los átomos, así como tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo: el electromagnetismo, la interacción fuerte y la débil. Esta se desarrolló a partir de la década de 1920 con las aportaciones de científicos como Paul Dirac, Niels Bohr, Erwin Schrödinger o Louis de Broglie.

    Esta teoría explica que los átomos están compuestos por electrones girando entorno a un núcleo de protones y neutrones, cada uno de ellos formados por tres quarks; que las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa; que las fuerzas fundamentales del universo están provocadas por el intercambio de unas partículas llamadas bosones, etc.
  

La mecánica cuántica explica las fuerzas electromagnética, fuerte y débil.
La relatividad explica la cuarta fueza, la gravedad

    Estas dos teorías, que constituyen los dos pilares de la Física actual, son incompatibles. La razón de esta incompatibilidad es que la Relatividad no es una teoría cuántica, es decir, no aplica los principios cuánticos. Otra razón es que, a escala subatómica, la gravedad no se nota, pues es muy débil. En cambio, predominan la fuerza electromagnética, la débil y la fuerte. Pero es necesario unificar estas dos teorías, pues son fundamentales para explicar las singularidades. Veamos qué es esto.  

    En los agujeros negros se pueden distinguir dos partes: el horizonte de sucesos y la singularidad. El horizonte de sucesos es una barrera exterior que constituye el límite del agujero negro, es decir, si se traspasa esa barrera es imposible escapar de la atracción gravitatoria del agujero. En esta barrera sucede una cosa interesante llamada radiación de Hawking. A veces, en el horizonte de sucesos se crean pares de partícula/antipartícula, y una de estas cae en el agujero negro mientras que la otra escapa en forma de radiación. Esta es la radiación de Hawking, lo que permite que un agujero negro reduzca su masa y acabe desapareciendo. 

La radiación de Hawking 



La fórmula de esta radiación, donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, k es la constante de Boltzmann, G la constante gravitacional y M la masa del agujero negro.

      

  En el interior de un agujero negro, al traspasar el horizonte de sucesos, encontramos una "singularidad". Una singularidad es un lugar en el que la densidad de materia y la curvatura del espacio se hacen infinitas, y no tiene significado desde el punto de vista físico teórico. Estas singularidades se encuentran en el interior de un agujero negro. Una singularidad como esta también se produjo en el Big Bang.

   Una de las propiedades que nos sirven para definir un agujero negro es la entropía. En toda la materia hay dos estados: el macroscópico y el microscópico. El estado macroscópico es lo que se puede ver a gran escala. Y el estado microscópico es lo que pasa en su interior: cómo interactúan sus moléculas, cómo son sus átomos, etc. Pues la entropía calcula la cantidad de estados microscópicos que pueden existir en un estado macroscópico. Cuanto más aumenta la entropía, más aumenta el desorden, es decir, más estados microscópicos puede haber en un mismo estado macroscópico. 

     Hay mucho misterio alrededor de esta entropía. Por ejemplo, ¿por qué aumenta?

La fórmula de la entropía, en la que k es la constante de Boltzmann y la W es el número de estados microscópicos posibles en un estado macroscópico.

  El problema aquí es que, para estudiar los agujeros negros, hacen falta las dos teorías antes mencionadas. Pues los agujeros negros son lo suficientemente pesados como para ser estudiados por la Relatividad pero lo suficientemente pequeños como para ser estudiados por la Mecánica Cuántica. Por esta razón, es necesario encontrar una teoría que unifique la gravedad con los principios cuánticos. ¿Serán los agujeros negros la clave?

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