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Agujeros negros cuánticos: uno de los mayores descubrimientos de Stephen Hawking

Hasta el año 1974, el estudio de los agujeros negros estuvo bajo la hegemonía de la relatividad general de Einstein. Sin embargo, ese mismo año, Stephen Hawking incorporó la teoría cuántica y descubrió que los agujeros negros tienen temperatura, entropía, y se evaporan.

Estos tres grandes descubrimientos marcaron el nacimiento de lo que ahora podemos denominar agujeros negros cuánticos, en oposición a los agujeros negros clásicos, cuya descripción se basa únicamente en la relatividad general.

¿Qué es un agujero negro?

De acuerdo con un importante resultado de la relatividad general, existen tres variables observables externamente que definen un agujero negro: masa, carga eléctrica y momento angular. Un agujero negro se forma cuando se produce una alta concentración de masa, o su equivalente en energía, en una región esférica cerrada del espacio denominada horizonte (figura 1).

agujeros negros
Figura 1. Esquema general de un agujero negro representando el horizonte de sucesos y la singularidad. Tomada de: Pinochet, J. (2019). Stephen Hawking y los agujeros negros cuánticos. Revista Mexicana De Fisica Ehttps://doi.org/10.31349/revmexfise.65.182

Según la relatividad general, si una determinada cantidad de masa, o su equivalente en energía, se comprime dentro del horizonte, se inicia un colapso gravitatorio que no puede detenerse.

El colapso culmina cuando la masa-energía queda reducida a un punto matemático de densidad infinita denominado singularidad, localizado en el centro del horizonte.

Aquí es donde entra en acción Stephen Hawking, ya que, la teoría cuántica predice que estos deben emitir radiación térmica y por lo tanto es posible asociar temperatura y entropía al horizonte, cosa que con la ley de la relatividad general no pasaba.

Principios fundamentales

Hawking basó su teoría en cuatro principios fundamentales:

  • La radiación de Hawking: Relacionado con el principio de incertidumbre de Heisenberg, que explica que en el borde del horizonte de un agujero negro se forman pares de partículas – antipartículas debido a la naturaleza aleatoria de los procesos cuánticos.
Figura 2. Par de partícula y antipartícula, e+ cae dentro del agujero negro y e- logra escapar. Tomada de: Pinochet, J. (2019). Stephen Hawking y los agujeros negros cuánticos. Revista Mexicana De Fisica Ehttps://doi.org/10.31349/revmexfise.65.182
  • La temperatura de Hawking: Explica que el horizonte de un agujero negro emite radiación a una temperatura absoluta.
  • El tiempo de evaporación: Como sucede con cualquier cuerpo caliente, un agujero negro emite radiación térmica compuesta preferentemente por fotones. La radiación de Hawking se lleva una parte de la masa-energía del agujero negro, generando una reducción gradual de la masa del agujero negro que da lugar al proceso de evaporación.
  • La entropía: Como la temperatura implica la existencia de entropía, Hawking concluyó que un agujero negro debe tener entropía.

Conclusión

Llegando así a una elaborada teoría a partir de estos descubrimientos y las ecuaciones que las constituyen en la que Hawking combina la teoría de la relatividad y la teoría cuántica. Sin embargo, los efectos cuánticos predichos por Hawking solo son importantes para agujeros negros comparativamente pequeños y poco masivos. En el caso de los agujeros estelares los efectos cuánticos son despreciables, lo cual significa que estos objetos tienen un comportamiento aproximadamente clásico, y pueden describirse satisfactoriamente mediante la relatividad general. Por lo tanto, la expresión agujeros negros cuánticos debiera reservarse para los agujeros pequeños y poco masivos.

Vemos entonces que aún queda mucho trabajo por hacer para corroborar empíricamente los hallazgos de Hawking, de modo que en el corto plazo se vislumbra difícil obtener resultados empíricos sólidos, ya sea en gravedad análoga o en astrofísica. En cualquier caso, la importancia de la contribución del genio británico al estudio de los agujeros negros es indudable, y cuando las implicancias físicas de su contribución sean plenamente comprendidas, seguramente será considerada una de las grandes revoluciones científicas el siglo XX.

Bibliografía

Pinochet, J. (2019). Stephen Hawking y los agujeros negros cuánticos. Revista Mexicana De Fisica Ehttps://doi.org/10.31349/revmexfise.65.182

julen Pastor Rodríguez

julen Pastor Rodríguez

1 comentario en «Agujeros negros cuánticos: uno de los mayores descubrimientos de Stephen Hawking»

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