Recordemos
la segunda ley de la termodinámica. Sostiene que la entropía de cualquier
sistema tiende siempre a aumentar. Recordemos también que los agujeros
negros recibieron ese nombre por no dejar escapar de su interior ningún
tipo de partícula, ni siquiera los fotones, es decir, la luz.
Pues
bien, en 1973, mientras Stephen Hawking se encontraba de visita en Moscú,
conversó con los físicos soviéticos Zeldovich y Starobinski sobre agujeros
negros. Ambos le convencieron de que, según el principio de incertidumbre,
los agujeros negros en rotación deberían crear y emitir partículas, es decir,
radiación. Hawking estuvo de acuerdo en sus argumentos físicos, pero albergaba
muchas dudas acerca de las matemáticas con que apoyaban sus conjeturas. Se
propuso idear un tratamiento matemático mejor, que describió en Oxford a
finales de aquel mismo año.
En
esa época todavía no había hecho los cálculos para encontrar qué cantidad de
radiación se emitiría. Aspiraba nada más a probar que los agujeros negros en
rotación emitían radiación, tal como habían predicho Zeldovich y Starobinski.
Sin embargo, tras realizar el cálculo, descubrió sorprendido que incluso los
agujeros negros sin rotación deberían crear y emitir partículas a un ritmo
estacionario. En primera instancia creyó que una de las aproximaciones que
había utilizado no era válida. Lo que finalmente le convenció de que la emisión
era real fue que el espectro de las partículas emitidas era exactamente el que
sería emitido por un cuerpo caliente. El
agujero negro emitía partículas exactamente al ritmo correcto para impedir las
violaciones de la segunda ley.
Desde
entonces otros físicos teóricos han repetido los cálculos, a veces de formas
diferentes. Todos sin excepción confirman que un agujero negro debería emitir
partículas y radiación como si fuera un cuerpo caliente con una temperatura en
consonancia con la masa del agujero negro. Cuanto mayor es la masa, menor es la
temperatura. La única explicación posible es que lo que pensamos que es espacio
vacío, no lo está completamente, porque eso significaría que los campos gravitatorio
y electromagnético tendrían que tener un valor exactamente de cero. Sin
embargo, el valor de un campo y su ritmo de cambio, con el tiempo son como la
posición de una partícula y su velocidad: el
principio de incertidumbre implica que cuanto mayor sea la precisión con la que
conocemos una de estas magnitudes, menor será la precisión con que puede
conocerse la otra.
De
manera que en el espacio vacío el campo nunca puede estar fijo en un valor
exactamente de cero, porque entonces tendría a la vez un valor preciso de cero
y un ritmo de cambio también de cero. Así que debe haber una cierta cantidad
mínima de incertidumbre, o fluctuaciones cuánticas, en el valor de un campo.
Dichas fluctuaciones pueden considerarse como pares de partículas de luz o de
gravedad que aparecen juntas en cierto instante, se separan, y luego se juntan
de nuevo y se aniquilan mutuamente. Estas son las denominadas partículas
virtuales, que a diferencia de las reales, no pueden observarse
directamente con un detector de partículas. Sin embargo, sus efectos
indirectos, como pequeños cambios en la energía de las órbitas electrónicas y
los átomos, pueden medirse y están de acuerdo con las predicciones teóricas con
un extraordinario grado de aproximación.
Según
la ley
de conservación de la energía (1ª ley de la termodinámica), una de las
componentes de un par de partículas virtuales tendrá energía positiva, y la
otra energía negativa. La de energía negativa está condenada a ser una
partícula virtual de corta vida, porque las partículas reales siempre tienen
energía positiva en situaciones normales. Por consiguiente, debe tratar de
encontrar a su compañera negativa y aniquilarse con ella. Pero el campo gravitatorio en el interior de un
agujero negro es tan intenso, que incluso una partícula real puede tener allí
energía negativa.
Por
lo tanto es posible que la partícula virtual caiga en el agujero negro y se
transforme en una partícula real. En tal caso, ya no tiene que aniquilarse con
su compañera. Esta última también puede caer en el agujero negro, pero como
tiene energía positiva, también es posible que escape al infinito como una
partícula real. Para cualquier observador, parecerá que ha sido emitida desde
el agujero negro. Cuanto más pequeño sea el agujero negro, menos distancia
tendrá que recorrer la partícula con energía negativa antes de convertirse en
una partícula real. De esta forma, el ritmo de emisión será mayor, y la
temperatura aparente del agujero negro será más alta.
La
energía positiva de la radiación saliente estaría compensada por un flujo de
partículas de energía negativa hacia el interior del agujero negro. Por la
famosa ecuación de Einstein E = mc2, la energía es
equivalente a la masa. Por consiguiente, un flujo de energía negativa hacia el
interior del agujero negro reduce su masa. A medida que el agujero negro pierde
masa, el área de su horizonte de sucesos se hace menor, pero este decrecimiento
de la entropía del agujero negro está sobradamente compensado por la entropía
de la radiación emitida, de modo que la segunda ley nunca se viola. Y esa,
amigos, es una excelente noticia que debería tranquilizarnos a todos, porque del
buen funcionamiento de las leyes en que se sustenta, dependen la buena marcha y
la predecibilidad relativa del universo físico que habitamos. Nuestro profe
Bigotini brinda por las leyes de la termodinámica con los bigotes empapados de
champán y el corazón rebosante de júbilo.
-El
miedo lleva a la ira, la ira al odio, el odio al sufrimiento, y el sufrimiento
te conduce al lado oscuro.
-Vale,
pero este autobús, ¿lleva o no lleva al centro?
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