Los agujeros negros se encuentran entre los lugares más misteriosos del universo; lugares donde la estructura misma del espacio y el tiempo se deforman tanto que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, en su centro se encuentra una singularidad, un lugar donde la masa de muchas estrellas se aplasta en un volumen con un tamaño exactamente cero. Sin embargo, dos artículos recientes de física, publicados el 10 de diciembre en las revistas Physical Review Letters y Physical Review D, respectivamente, pueden hacer que los científicos reconsideren lo que creemos que sabemos sobre los agujeros negros. Los agujeros negros podrían no durar para siempre, y es posible que hayamos entendido mal su naturaleza y su aspecto en el centro, según los documentos.
El filo de la física de Einstein
Los astrónomos y físicos han sostenido durante mucho tiempo que la idea de una singularidad simplemente debe estar equivocada. Si un objeto con masa no tiene tamaño, entonces tiene densidad infinita. Y, por mucho que los investigadores arrojen la palabra "infinito", los infinitos de ese tipo no existen en la naturaleza. En cambio, cuando te encuentras con un infinito en una situación real, física y científica, lo que realmente significa es que has empujado tus matemáticas más allá del ámbito donde se aplican. Necesitas nuevas matemáticas.
Es fácil dar un ejemplo familiar de esto. La ley de la gravedad de Newton dice que la fuerza de la atracción gravitacional cambia a medida que uno sobre la distancia al cuadrado entre dos objetos. Entonces, si tomas una pelota ubicada lejos de la Tierra, experimentaría un cierto peso. Entonces, a medida que lo acercaras a la Tierra, el peso aumentaría. Llevando esa ecuación al extremo, al acercar el objeto al centro de la Tierra, experimentaría una fuerza infinita. Pero no lo hace.
En cambio, al acercar el objeto a la superficie de la Tierra, la simple ley de la gravedad de Newton ya no se aplica. Debe tener en cuenta la distribución real de la masa de la Tierra, y esto significa que necesita usar ecuaciones diferentes y más complejas que predicen un comportamiento diferente. Del mismo modo, aunque la teoría de la relatividad general de Einstein predice que existe una singularidad de densidad infinita en el centro de los agujeros negros, esto no puede ser cierto. En tamaños muy pequeños, debe entrar en juego una nueva teoría de la gravedad. Tenemos un nombre genérico para esta nueva teoría: se llama gravedad cuántica.
El nombre gravedad cuántica simplemente significa "gravedad en las escalas más pequeñas", pero la frase no implica una teoría específica. Sin embargo, se han hecho propuestas teóricas específicas que describirían la gravedad tal como está en el microcosmos. Una propuesta se llama bucle de gravedad cuántica.
La gravedad cuántica de bucles está bien definida matemáticamente y expresa la estructura del espacio-tiempo como una red de redes de espín, que evolucionan con el tiempo. Las redes de giro son solo una formulación matemática que describe cómo interactúan las partículas y los campos. Desde un punto de vista más práctico, la gravedad cuántica en bucle predice que el espacio-tiempo se cuantifica, con una unidad o pieza de espacio y tiempo lo más pequeña posible, más allá de la cual el espacio-tiempo no puede subdividirse más.
La gravedad cuántica de bucles es una teoría matemática difícil que se ha resistido a hacer predicciones comprobables dentro de los agujeros negros. Sin embargo, Abhay Ashtekar y Javier Olmedo en la Universidad Estatal de Pensilvania y Parampreet Singh en la Universidad Estatal de Luisiana han aplicado la gravedad cuántica de bucles al centro de los agujeros negros. Afirman que el resultado no es una singularidad.
Su cálculo predice que el espacio-tiempo se curva muy fuertemente cerca del centro del agujero negro. El resultado es que el espacio-tiempo continúa en una región en el futuro que tiene la estructura de un agujero blanco. Un agujero blanco es como un agujero negro en reversa, lo que significa que, a diferencia de un agujero negro, que atrae la materia, un agujero blanco dispara la materia.
Quizás haya otra forma de imaginar lo que predicen. Es bien sabido que en campos gravitacionales fuertes, el tiempo se ralentiza. Y los agujeros negros contienen los campos gravitacionales más fuertes del universo. Debido a esto, una posible interpretación de este nuevo trabajo es que la materia cae en un agujero negro y luego "rebota", disparando la masa a través del cosmos. Debido a que el tiempo es muy lento cerca del centro de un agujero negro, ese proceso simplemente lleva una cantidad enorme de tiempo. Si los investigadores tienen razón, en un futuro muy lejano, donde ahora hay agujeros negros, la materia entrará en erupción y se extenderá por todo el cosmos.
Como siempre en la ciencia teórica, hay muchas ideas interesantes y provocativas que simplemente no son ciertas, y esta puede ser una de ellas. Por lo tanto, es importante ver si hay soporte experimental para ideas teóricas como estas.
Hay algunas posibilidades Los científicos han observado fenómenos de muy alta energía en el espacio que no se han explicado por completo. Una es la existencia de rayos cósmicos de muy alta energía que golpean la atmósfera de la Tierra. Otro es lo que se llama "ráfagas de radio rápidas", que es cuando se observa una gran cantidad de energía de radio en un período de tiempo muy corto. Ambos fenómenos podrían, al menos en principio, ser la firma de un agujero negro en transición a un agujero blanco.
Ciertamente es prematuro aceptar esta interesante idea nueva. En cambio, sería prudente ver cómo se desarrollan los cálculos en curso utilizando la gravedad cuántica de bucles. Si las predicciones mejoran y comienzan a parecerse más a algunos de los fenómenos astronómicos observados sin explicación, podría ser que este nuevo resultado explicará cómo funciona la gravedad cuántica y reconfigurará nuestra comprensión del pasado y el futuro de nuestro universo.
Don Lincoln es investigador de física en Fermilab. Es el autor de "El gran colisionador de hadrones: la historia extraordinaria del bosón de Higgs y otras cosas que te dejarán boquiabierto"(Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de educación científica videos. SIGUELO en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son suyas.
Don Lincoln contribuyó este artículo a Live Science's Voces Expertas: Op-Ed & Insights.
