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From fluid dynamics to quantum gravity

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Experimentos de laboratorio permiten conocer mejor la radiación de Hawking

La radiación de los agujeros negros y la generación de partículas en un universo en expansión son los cimientos del conocimiento actual sobre la naturaleza cuántica del espacio-tiempo. Sin embargo, el hecho de que quedan bastante fuera del alcance de la astrofísica significa que también son poco conocidos. Unos agujeros negros artificiales realizados en el marco del proyecto FDTOQG, que ha profundizado en el conocimiento de la radiación de Hawking, podrían dar lugar a una solución a este problema.

Espacio

La segunda ley generalizada (SLG) de la termodinámica dice que un agujero negro posee su propia entropía, al igual que cualquier objeto ordinario con una temperatura determinada. Esto implica que un agujero negro debería emitir radiación térmica y cumplir la ley de un cuerpo negro tal y como dicta la termodinámica. Según indica Antonin Coutant, beneficiario de una beca Marie Curie e investigador principal del proyecto: «Esto parece contradecir la teoría clásica de los agujeros negros de donde nada podía escapar, pero Hawking descubrió en los años setenta del siglo pasado que la teoría cuántica predice una emisión de radiación y que esta radiación respeta la ley tal y como se espera de un cuerpo caliente». Sin embargo, aunque se haya teorizado sobre ella, la radiación de los agujeros negros se conoce poco, tal como explica la doctora Silke Weinfurtner, investigadora de la Universidad de Nottingham: «Por una parte, seguimos desarrollando el marco en el cual la relatividad general se reconcilia con la física cuántica y, por otra parte, tenemos muy pocas indicaciones procedentes de la observación, debido a que la temperatura de Hawking es pequeña, de modo que, en todas observaciones de agujeros negros actuales, este efecto es insignificante. Cuanto menor sea al agujero negro, mayor será la temperatura, pero desafortunadamente los agujeros negros que se encuentran en el universo son demasiado grandes». Aquí es donde interviene la gravedad análoga. Este enfoque innovador nos cuenta que la radiación de Hawking, la superradiancia y la generación de partículas cosmológicas son procesos universales que, aunque demasiado débiles para observarse mediante sistemas astrofísicos, pueden encontrarse en grandes cantidades de otros sistemas, como los fluidos, los superfluidos y los sistemas ópticos. «La gravedad análoga es la mejor opción que poseemos para observar estos efectos en experimentos de laboratorio», indica el doctor Coutant. «La analogía no es perfecta, pero el hecho de que estos procesos tengan lugar en un gran número de sistemas demuestra que son robustos frente a las modificaciones dependientes del sistema. Por ejemplo, si el espacio-tiempo fuese fundamentalmente discreto, deberíamos preocuparnos de si el proceso de Hawking se vería afectado por esta cualidad discreta. Fundamentalmente, los sistemas análogos son discretos en cierto modo (por ejemplo, un flujo de fluido consiste en moléculas de agua), pero el efecto de Hawking sigue teniendo lugar», explica la doctora Weinfurtner. De hecho, la solidez del proceso de superradiancia superó las expectaciones de los científicos, ya que todo requiere que haya algo en una rotación lo suficientemente rápida y que pueda absorber una pequeña cantidad de energía. Puesto que sin duda los agujeros negros giran y absorben materia de sus alrededores, la doctora Weinfurtner confía en que debería ser posible que se ralentizaran mediante este mecanismo. Sin embargo, la extrapolación a la astrofísica no es tan inmediata como pueda parecer. Existe una analogía de los modelos teóricos del proyecto que describen la interacción de pequeñas fluctuaciones con los agujeros negros, pero no demuestran que un agujero negro real muestre el mismo efecto. «Podemos probar nuestro marco teórico, pero no si nuestro marco teórico debe describir la realidad. Sin embargo, no hay duda de que la investigación mejoró nuestros conocimientos sobre la radiación de Hawking o la superradiancia (también conocida como proceso de Penrose), así como de las dificultades para detectarla incluso en un entorno de laboratorio controlado», explica la doctora Weinfurtner. Ahora que el proyecto FDTOQG (From fluid dynamics to quantum gravity) ha finalizado, el equipo desea ver cómo reaccionará la comunidad científica. Confían en que se realizarán más experimentos en el futuro, utilizando distintos sistemas para ser capaces de detectar la superradiancia.

Palabras clave

FDTOQG, agujero negro, radiación de Hawking, termodinámica, relatividad general, entropía, física cuántica, superradiancia

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