ciencia ficción. De hecho, puede afirmarse que los agujeros negros son realmente
materia de la ciencia mas que de la ciencia ficción. Como explicaré, hay buenas
razones para predecir la existencia de los agujeros negros; los testimonios de las
observaciones apuntan inequívocamente a la presencia de cierto número de
agujeros negros en nuestra propia galaxia y de mas en otras.
Cuando verdaderamente trabajan de firme los escritores de ciencia ficción es a la
hora de narrar lo que sucede al que cae en un agujero negro. Una afirmación
corriente es la de que, si el agujero negro gira, uno puede precipitarse por un
pequeño orificio en el espacio-tiempo y salir a otra región del universo. Esto
suscita obviamente grandes posibilidades para el viaje espacial. Necesitamos algo
semejante para dirigirnos en el futuro hacia otras estrellas y con mas razón si
pretendemos ir a otras galaxias. El hecho de que nada pueda viajar a mayor
velocidad que la de la luz significa que el viaje de ida y vuelta a la estrella más
próxima exigiría por menos ocho años. ¡Demasiado para pasar un fin de semana
en Alfa Centauro! Por otro lado, si uno consigue entrar por un agujero negro
podría reaparecer en cualquier lugar del universo. Sin embargo no esta muy claro
el medio de elegir destino; es posible elegir disfrutar unas vacaciones en Virgo y
acabar en la nebulosa del Cangrejo.
Lamento decepcionar a los aspirantes al turismo galáctico, pero este guión no
funciona: si uno penetra en un agujero negro, acabara aplastado y desintegrado. A
pesar de ello, tiene sentido decir que las partículas que constituyen el cuerpo pasarán a otro universo, pero no creo que a quien acabe convertido en espagueti en un agujero negro Ie sirva de consuelo saber que sus partículas pueden sobrevivir.
Al margen de bromas, este trabajo esta basado en ciencia sólida. En la mayoría de lo que aquí digo coinciden otros científicos que investigan en este campo, aunque su aceptación sea bastante reciente. Sin embargo, la última parte del trabajo está basada en indagaciones de ultima hora sobre que no es general el
consenso, pero han suscitado un interés considerable.
Aunque el concepto de lo que ahora denominamos “agujero negro" me introducido
hace mas de doscientos años, el nombre data sólo de 1967 y su autor fue el físico
norteamericano John Wheeler. Constituyó un golpe de genio, que garantizó la entrada de los agujeros negros en la mitología de la ciencia ficción. Además estimuló la investigación científica al proporcionar un término definido a algo que carecía de un titulo satisfactorio. No conviene subestimar la importancia que en elámbito científico cobra un buen nombre.
Por lo que conozco, el primero en referirse a los agujeros negros fue alguien en
Cambridge llamado John Michell, que redactó un trabajo sobre este asunto en
1783. Su idea era esta: supongamos que disparamos verticalmente una granada
de cañón desde la superficie terrestre, a medida que se remonte, disminuirá su
velocidad por efecto de la gravedad, acabando por interrumpir su ascensión y
retomar a la superficie, pero, si supera una cierta velocidad crítica, jamás dejará
de ascender para caer, sino que continuara alejándose. Esta velocidad critica
recibe el nombre de velocidad de escape. Es de unos 11,2 kilómetros por segundo
en la Tierra y de unos 160 kilómetros por segundo en el Sol. Ambas velocidades
son superiores a la velocidad de una auténtica granada de cañón, pero muy
inferiores a la velocidad de la luz, que es de trescientos mil kilómetros por
segundo. Eso significa que la gravedad no ejerce gran efecto sobre la luz, que
puede escapar sin dificultad de la Tierra o del Sol. Pero Michell razonó que seria
posible la existencia de una estrella con masa suficientemente grande y tamaño
suficientemente pequeño para que su velocidad de escape fuera superior a la de
la luz. No conseguiríamos ver semejante estrella, porque no nos llegaría la luz de
su superficie; quedaría retenida por el campo gravitatorio del astro. Sin embargo,
podemos detectar la presencia de la estrella por el efecto que su campo
gravitatorio ejerza en la materia próxima.
No es realmente consecuente tratar a la luz como granadas de cañón. Según un
experimento llevado a cabo en 1897, la luz viaja siempre a la misma velocidad
constante. ¿Cómo, entonces, puede reducirla la gravedad? Hasta 1915, cuando
Einstein formuló la teoría general de la relatividad, no se dispuso de una
explicación consistente del modo en me la gravedad afecta a la luz y hasta la
década de los sesenta no se entendieron generalmente las inferencias de esta
teoría para estrellas viejas y otros astros enormes.
Según la relatividad general, cabe considerar el espacio y el tiempo juntos como
integrantes de un espacio cuatridimensional denominado espacio-tiempo. Este
espacio no plano; se halla distorsionado o curvado por la materia y la energía que
contiene. Observamos esta curvatura en el combado de las ondas luminosas o de
radio que pasan cerca del Sol en su viaje hacia nosotros. En el caso de la luz que
pasa próxima al Sol, la curvatura es muy pequeña. Pero si este se contrajera
hasta sólo un diámetro de unos pocos kilómetros la curvatura sería tan grande que
la luz no podría escapar y se quedaría retenida por el campo gravitatorio del Sol.
Según la teoría de la relatividad, nada puede desplazarse a velocidad superior a la
de la luz, así que existiría allí una región de la que nada puede escapar. Esta región recibe de nombre de agujero negro. Su frontera es el horizonte de sucesos y esta formado por la luz que no consigue escapar v que permanece en el borde.
Puede que parezca ridículo enunciar la posibilidad de que el Sol se contraiga
hasta tener solo un diámetro de unos cuantos kilómetros, cabe pensar que no es
posible una contracción tal de la materia, pero resulta que si puede serlo.
El Sol posee su tamaño actual porque está muy caliente. Consume hidrógeno para
transformarlo en helio, como una bomba H bajo control. El calor liberado en este
proceso genera una presión que permite al Sol resistir la atracción de su propia
gravedad, que trata de empequeñecerlo.
Con el tiempo, el Sol agotará su combustible nuclear, lo que sucederá hasta
dentro de cinco mil millones de años, así que no hay que apresurarse a reservar
boleto para un vuelo con destino a otra estrella. Astros más grandes que el Sol
quemarán su combustible con una rapidez mucho mayor cuando lo consuman
empezarán a perder calor y a contraerse; si su tamaño es inferior a dos veces la
masa del Sol acabarán por dejar de contraerse y alcanzaran un estado estable;
uno de tales estados es el llamado de enana blanca, estrellas que poseen un radio
de unos miles de kilómetros y una densidad de centenares de toneladas por
centímetro cúbico. Otro de tales estados es el de la estrella de neutrones, que
tienen un radio de unos quince kilómetros y una densidad de millones de
toneladas por centímetro cúbico.
Conocemos numerosas enanas blancas en nuestro sector de la galaxia. Las
estrellas de neutrones fueron observadas hasta 1967, cuando Jocelyn Bell y
Antony Hewich en Cambridge descubrieron unos objetos denominados pulsares
que emitían vibraciones regulares de ondas de radio. Al principio se preguntaron si
habrían establecido contacto con una civilización alienígena. Recuerdo que la sala
en que anunciaron su hallazgo estaba decorada con figuras de "hombrecillos
verdes". Al final, ellos y todos los demás llegaron a la conclusión menos romántica
de que esos objetos eran estrellas de neutrones en rotación, lo cual constituyó una
noticia para los autores de westerns espaciales y también una buena información
para los pocos que entonces creíamos en los agujeros negros. Si algunas estrellas
podían contraerse hasta tener un diámetro de veinte o treinta kilómetros y
convertirse en estrellas de neutrones, cabía esperar que otras se contrajeran aún
más para convertirse en agujeros negros.
Una estrella cuya masa sea superior dos veces a la del Sol no puede acabar en
enana blanca o en estrella de neutrones; en algunos casos estallará y arrojará
materia suficiente para que su masa llegue a ser inferior al límite, pero no siempre
sucederá así. Algunas estrellas se volverán tan pequeñas que sus campos
gravitatorios curvaran la luz hasta el punto de que ésta retorne hacia la estrella. Ni
la luz ni ninguna otra cosa podrá escapar de allí. Esas estrellas se convertirán en
agujeros negros. Las leyes de la física son simétricas en el tiempo; en
consecuencia, si existen objetos llamados agujeros negros donde caen cosas que
no pueden salir, ha de haber otros objetos de donde las cosas puedan salir pero
no caer. Cabria denominarlos agujeros blancos. Se podría imaginar la posibilidad
de saltar a un agujero negro en un lugar para salir en otro por un agujero blanco;
seria el método ideal de viaje espacial a larga distancia antes mencionado. Todo lo
que se necesitaría sería hallar cerca un agujero negro. Tal forma de viaje pareció
factible en un primer momento. Hay soluciones de la teoría general de la
relatividad de Einstein en las que se puede caer en un agujero negro y salir por un
agujero blanco, pero investigaciones ulteriores mostraron que estas soluciones
eran muy inestables; una mínima perturbación, como la presencia de una nave
espacial, destruiría la "gatera” o conducto desde el agujero negro al blanco. La
nave espacial quedaría destrozada por fuerzas de una magnitud infinita. Sería
como cruzar en un barril las cataratas del Niágara.
Tras esto parece no haber esperanza. Los agujeros negros serian útiles para
desembarazarse de la basura o incluso de algún amigo, solo que constituyen un
"país de irás y no volverás". Lo dicho hasta aquí se basa, sin embargo, en cálculos
referidos a la teoría general de la relatividad de Einstein, que concuerda con todas
las observaciones efectuadas, aunque sabemos que no puede ser del todo cierto
porque no incorpora el principio de indeterminación de la mecánica cuántica. Este
principio afirma la imposibilidad de que las partículas tengan simultáneamente una
posición y una velocidad bien definidas. Cuanto mayor sea la precisión con que se
mida la posición de una partícula, tanto menor será la precisión con que quepa
medir la velocidad y viceversa.
En 1973 comencé a investigar que diferencia supondría el principio de indeterminación en los agujeros negros. Con gran sorpresa por parte de todos y mía propia descubrí quo significaba que los agujeros negros no lo son completamente, sino que emitirían radiaciones y partículas con un ritmo constante.
Mis resultados suscitaron la incredulidad general cuando los anuncie cerca de
Oxford durante una conferencia. El presidente del acto declaró que eran absurdos
y escribió un trabajo afirmándolo. Cuando otros repitieron mis cálculos, hallaron el
mismo efecto y, al final, el presidente hubo de admitir que yo estaba en lo cierto.
¿Cómo pueden escapar radiaciones del campo gravitatorio de un agujero negro?
Hay diversos modos de entenderlo, y aunque parecen muy diferentes, en realidad,
todos son equivalentes. Uno consiste en advertir que en distancias cortas, el principio de indeterminación permite que las partículas se desplacen a una velocidad superior a la de la luz. Así, partículas y radiación pueden atravesar el horizonte de sucesos y escapar. del agujero negro. Es posible que salgan cosas
de allí, aunque lo que regrese de un agujero negro será diferente de lo que cayó.
Solo la energía será la misma.
A medida que un agujero negro emita partículas y radiación perderá masa, lo que
provocara que se empequeñezca y lance partículas más rápidamente. Con el
tiempo su masa llegara a ser cero y desaparecerá por completo. ¿Qué les
sucederá a los objetos, incluyendo posibles naves espaciales, que hubieran caído
en el agujero negro? Según algunas de mis recientes investigaciones, la respuesta
es que irán a parar a un pequeño universo propio. Un universo diminuto y
encerrado en sí mismo, que se separe de nuestra región del universo. Este
pequeño universo puede unirse de nuevo a nuestra región del espacio-tiempo. De
ser así, se nos presentará como otro agujero negro que se constituyó y luego
desapareció. Partículas caídas en un agujero negro aparecerán como partículas
emitidas por el otro agujero negro y viceversa.
Esto parece justamente lo que se necesitaba para que fuese posible el viaje
espacial a través de los agujeros negros. Uno conduce simplemente su nave
espacial hacia el agujero negro que se Ie antoje (convendría que fuese grande
para que las fuerzas gravitatorias no lo hiciesen papilla antes de entrar), el
interesado espera reaparecer en algún otro agujero, aunque no podrá elegir
dónde.
Este sistema de transporte intergaláctico ofrece un serio inconveniente: los
pequeños universos a donde llegan las partículas del agujero corresponden al
llamado tiempo imaginario. En tiempo real, un astronauta que cayera en un
agujero negro tendría un desagradable final: quedaría desgarrado por la diferencia
entre las fuerzas gravitatorias sobre su cabeza y sus pies, ni siquiera sobrevivirían
las partículas que constituyeron su cuerpo. Sus historias, en tiempo real,
concluirían en una singularidad, pero en el tiempo imaginario proseguirán las
historias de las partículas, que pasarían al pequeño universo y emergerían como
partículas emitidas por otro agujero negro. En cierto sentido, el astronauta sería
transportado a otra región del universo, aunque las partículas que emergieran no
se asemejarían gran cosa al astronauta; tampoco podría servirle de mucho
consuelo saber que sus partículas sobrevivirán en tiempo imaginario puesto que
penetró en la singularidad en tiempo real. Cualquiera que caiga en un agujero
negro debe atenerse al siguiente lema: "Piensa en lo imaginario."
¿Que es lo que determina en donde emergerán las partículas? El número de
partículas en el pequeño universo será igual al número de las que cayeron por el
agujero negro más las que este emita durante su disolución. Eso significa que las
partículas caídas en un agujero negro saldrán por otro de la misma masa
aproximada. Cabe así tratar de seleccionar por donde saldrán las partículas si se
crea un agujero negro de la misma masa que aquel en que cayeron las partículas.
Igualmente probable seria que el agujero negro expulsara cualquier otra serie de
partículas con la misma energía total, y aunque emitiera el mismo tipo de
partículas, nadie podría decir si se trataba de las que cayeron por el otro agujero.
Las partículas no llevan tarjeta de identidad: todas las de un determinado tipo
parecen iguales.
Lo anterior significa la improbabilidad de que resulte factible alguna vez el viaje a
través de un agujero negro. En primer lugar, se tendría que ir viajando por el
tiempo imaginario, sin preocuparse del terrible final que su historia pudiera tener
en tiempo real. En segundo lugar, no cabría elegir el punto de destino. Sería como
viajar en algunas compañías de líneas aéreas, que yo podría mencionar.
Aunque los pequeños universos no resulten muy útiles para los viajes espaciales,
tienen consecuencias importantes para la tentativa de hallar una teoría unificada
completa que describa la totalidad del universo. Nuestras teorías actuales
contienen cierto número de cantidades, como el tamaño de la carga eléctrica de
una partícula, que no pueden predecir los valores de esas cantidades, aunque la
mayoría de los científicos cree que hay alguna teoría unificada subyacente capaz
de predecir todos esos valores.
Es muy posible que exista esa teoría subyacente. La candidata mejor colocada por
el momento recibe el nombre de supercuerda heterótica. La idea es que el
espacio-tiempo está lleno de lacitos, como cabos de hilo. Las que concebimos
como partículas elementales son, en realidad, esos lacitos que vibran de modos
diferentes. Esta teoría no contiene números cuyos valores puedan ser adaptados.
Cabria esperar que la teoría unificada fuese capaz de predecir todos los valores
de las cantidades, como la carga eléctrica de una partícula, que quedan
indeterminados conforme a nuestras teorías presentes. Aunque no hayamos
podido predecir ninguna de esas cantidades a partir de la teoría de la
supercuerda, muchos creen que llegaremos a conseguirlo.
De ser correcta la imagen de los pequeños universos, nuestra capacidad para
predecir tales cantidades se vera reducida, ya que no podemos observar cuantos
pequeños universos hay por ahí afuera aguardando reunirse con nuestra región
del universo. Es posible que existan pequeños universos con sólo unas cuantas
partículas, pero serían tan reducidos que nadie advertiría su unión ni su
separación. Sin embargo, al integrarse, alterarán los valores aparentes de
cantidades tales como la carga eléctrica de una partícula y en consecuencia, no
conseguiremos predecir cuales serán los valores aparentes de esas cantidades,
porque ignoramos cuántos pequeños universos hay aguardando ahí afuera. Puede
que haya una explosión de la población de pequeños universos. A diferencia del
caso humano, no parecen existir factores limitadores como la oferta de alimentos o
el espacio habitable. Los pequeños universos existen en su propio terreno. Es un
poco como preguntar cuantos ángeles pueden danzar en la cabeza de un alfiler.
En la mayoría de las cantidades, los pequeños universos parecen introducir en los
valores predichos un volumen definido, aunque reducido, de indeterminación, pero que pueden proporcionar una explicación del valor observado de una cantidad importantísima, la llamada constante cosmológica.
Éste es en las ecuaciones de la relatividad general un término que proporciona al espacio-tiempo una tendencia integrada a expandirse o contraerse. Originariamente, Einstein propuso una pequeñísima constante cosmológica con la esperanza de equilibrar la tendencia de la materia a hacer que se contrajera el universo. Esa motivación desapareció cuando se descubrió que el universo se expandía.
Pero no resultó fácil desembarazarse de la constante cosmológica. Cabía esperar que las fluctuaciones implícitas en la mecánica cuántica arrojasen una constante cosmológica que fuese muy grande. Sin embargo, podemos observar como la expansión del universo varia con el tiempo y determinar, así, que es muy pequeña
la constante cosmológica. Hasta ahora no existe una buena explicación de la razón de que sea ten reducido el valor observado. Pero la separación y reunión de los pequeños universos afectará el valor aparente de la constante cosmológica.
Como no sabemos cuantos pequeños universos hay, existirán diferentes valores
posibles de la constante cosmológica aparente. Sin embargo, un valor próximo a
cero será, cuando mucho, el más probable.
S.H
