Los científicos crean un agujero negro hecho de luz para probar la famosa teoría de Stephen Hawking Por Beatriz
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Los científicos han hecho un descubrimiento importante en el campo de la física de la radiación de Hawking al construir un agujero negro en miniatura a partir de luz, directamente en un laboratorio. Esta innovación permite una nueva forma de explorar fenómenos teóricos complejos.
Los investigadores lograron observar el brillo más reconocible de un agujero negro a partir de un hilo de fibra óptica. Por primera vez, notaron cómo reaccionaba esta luz dentro del agujero negro simulado que la generaba.
Este avance ofrece una perspectiva única y directa sobre la radiación de Hawking, una sutil emisión térmica que Stephen Hawking había predicho que escaparía de los agujeros negros. El estudio proporciona los primeros indicios del pequeño impulso que, en teoría, podría provocar la evaporación lenta de un agujero negro real, informa el equipo.
Durante un experimento de laboratorio con fibras ópticas, el equipo internacional de científicos detectó no sólo la radiación, sino también su tan buscada “reacción inversa”. Esta reacción muestra cómo la radiación devuelve energía y modifica el objeto que la originó.
Según el estudio, publicado el 1 de julio en la revista Nature, la luz se comportó exactamente como lo había predicho Hawking. Presentaba el brillo de un cuerpo caliente, con una temperatura y un espectro que disminuían gradualmente hacia frecuencias más altas, incluso en condiciones en las que la descripción tradicional de los agujeros negros generalmente no se aplica.
Donde se encuentran las grandes teorías de la física
La radiación de Hawking es un tema de gran interés ya que se encuentra en la intersección de las teorías más impactantes de la física moderna.
Ulf Leonhardt, físico del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel y coautor de la investigación, explicó vía correo electrónico que Jacob Bekenstein predijo la entropía y la temperatura de los agujeros negros, mientras que Hawking calculó la radiación térmica. Destacó que la radiación de Hawking-Bekenstein une la física cuántica, la relatividad general y la termodinámica, áreas que típicamente presentan incompatibilidades.
Esta colisión entre teorías es profunda: la relatividad general describe el espacio-tiempo como continuo y fluido, mientras que la mecánica cuántica aborda un universo de saltos discretos e impredecibles. Hasta el día de hoy, una reconciliación completa entre ambos ha sido un desafío.
Es esta compleja unión la que dificulta el estudio de la radiación de Hawking. Los astrónomos nunca han observado esta radiación en agujeros negros reales y probablemente nunca lo harán, ya que su brillo es demasiado débil para detectarlo a distancia. Por este motivo, los físicos utilizan sustitutos de laboratorio que obedecen a las mismas ecuaciones, creando análogos de los agujeros negros con agua, átomos ultrafríos y, en este caso, luz.
Cómo se creó un agujero negro a partir de luz
La clave para cualquier analogía con un agujero negro es un medio en movimiento. Leonhardt ilustró el concepto: “Imagínese un nadador en el mar con una corriente más fuerte de la que puede nadar. Es arrastrado. Eso es lo que sucede más allá del horizonte de sucesos, y es por eso que normalmente nada puede escapar de un agujero negro”.
El horizonte de sucesos de un agujero negro representa el punto donde la corriente en el universo real, el espacio mismo, se acelera a una velocidad que nada puede superar. Para replicar esta condición, el equipo necesitaba un material que simulara el movimiento a la velocidad de la luz. La solución encontrada fue ingeniosa: utilizar la propia luz para constituir el “material”.
“En óptica necesitamos un material que parezca moverse a la velocidad de la luz”, afirma Leonhardt. “Para ello utilizamos la propia luz en óptica no lineal; la luz se comporta como un material”.
En la práctica, los investigadores lanzaron un pulso de “bombeo” intenso y de duración extremadamente corta en una fina fibra de cristal fotónico. Esta fibra es un filamento de vidrio que tiene pequeños canales de aire a lo largo de su longitud, lo que permite un ajuste preciso de la forma en que se propaga la luz. A medida que el pulso avanzaba, alteraba sutilmente la refracción del cristal, creando un “bajón de velocidad” en movimiento. Un segundo pulso de “sondeo” mucho más débil chocó entonces con este frente en movimiento. En el punto donde la sonda ya no podía seguirlo, se formó un horizonte artificial, dando origen al análogo del agujero negro.
Captando el brillo y su resistencia.
El descubrimiento más importante se produjo en el rango ultravioleta. La teoría sugiere que la radiación de Hawking se genera en pares: una partícula logra escapar, mientras que su compañera, portadora de energía “negativa”, representa la imagen especular que sería absorbida por un agujero negro real. En la fibra utilizada en el experimento, esta partícula asociada se manifestó como luz ultravioleta.
Leonhardt detalló: “Contamos fotones en el ultravioleta que corresponden a los compañeros de Hawking más allá del horizonte. Tienen una longitud de onda de alrededor de 233 nanómetros. Esa fue nuestra señal”.
Tan crucial como observar el resplandor fue comprender su mecanismo de producción. Durante años, se creyó que la fibra acumulaba la radiación de Hawking a través de una cascada de pasos, donde la luz se convertía en varias formas intermedias antes de que emergiera la radiación. Sin embargo, el equipo descubrió que una sola interacción directa logra el proceso, con los pulsos de bombeo y sondeo produciendo el par Hawking en un solo paso limpio. Este modelo simplificado, según los investigadores, se puede aplicar a otros análogos e incluso a verdaderos agujeros negros.
Como la energía no aparece de la nada, la emisión de la radiación de Hawking necesariamente debe influir en la fuente que la originó. En un agujero negro real, esta influencia se manifiesta como la pérdida de masa y, en escalas de tiempo inimaginables, su eventual evaporación completa: el fenómeno descrito por Hawking en su influyente artículo de 1974. Ningún experimento había logrado todavía registrar esta retirada.
En este experimento, el equipo pudo observar tal efecto. La producción de radiación cambió una pequeña porción de la propia luz del pulso de la bomba a un color ligeramente diferente, lo que resultó en un patrón revelador y asimétrico en el espectro. Esta asimetría, ausente en estudios anteriores, es la característica de la reacción inversa, o retroceso, que representa el análogo del agujero negro pagando energéticamente por su propio brillo.
El camino hacia un nuevo experimento cuántico
El resultado también aborda uno de los dilemas más complejos de la física de los agujeros negros: el problema transplanckiano. Al rastrear el origen de la radiación de Hawking, el cálculo ingresa a un ámbito donde ningún físico puede estar seguro: la escala de Planck, una dimensión infinitesimal donde se cree que el espacio y el tiempo pierden su significado convencional y todas las leyes conocidas de la física dejan de aplicarse. En otras palabras, la predicción de Hawking parece descansar sobre una base que tal vez no exista.
“Cualquier luz que se aleje del horizonte se dispersa enormemente”, afirma Leonhardt. “Por lo tanto, debe provenir de ondas más pequeñas que la escala más pequeña de la naturaleza, cuya física se desconoce. ¿Produciría esto todavía radiación de Hawking? Ésa era la pregunta y la respondimos en nuestro experimento”. Sorprendentemente, el brillo se mantuvo perfectamente térmico incluso en este régimen extremo.
El siguiente paso del equipo ya está definido. Hasta ahora, han utilizado luz láser ordinaria, que puede replicar el espectro de la radiación de Hawking, pero no sus complejidades cuánticas más profundas. Ahora el plan es “entrar en el mundo cuántico”, según Leonhardt. “Exploraremos cómo alcanzar el régimen cuántico y observaremos características como el entrelazamiento”, la misteriosa conexión que debería vincular cada partícula de Hawking que se escapa con su compañera perdida.
