Un agujero negro es un campo de juego de física. Este es el lugar donde puede observar y probar las ideas y conceptos más extraños y fundamentales del campo de la física. Sin embargo, hoy en día no hay forma de observar directamente los agujeros negros en acción; estas formaciones no emiten luz ni rayos X, que pueden ser detectados por los telescopios modernos. Afortunadamente, los físicos han encontrado formas de simular las condiciones de un agujero negro en el laboratorio y, al crear análogos de los agujeros negros, están comenzando a resolver los misterios más asombrosos de la física.
Jeff Steinhauer, investigador del Departamento de Física del Instituto de Tecnología de Israel, recientemente atrajo la atención de toda la comunidad física al anunciar que estaba usando un análogo de un agujero negro para confirmar la teoría de 1974 de Stephen Hawking. Esta teoría establece que los agujeros negros emiten radiación electromagnética conocida como radiación de Hawking. Hawking sugirió que esta radiación es causada por la aparición espontánea de un par de partículas y antipartículas en el horizonte de eventos, como se llama el punto en el borde de un agujero negro, más allá del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Según la teoría de Hawking, cuando una de las partículas cruza el horizonte de sucesos y es capturada por un agujero negro, la otra es arrojada al espacio. El experimento de Steinhower fue la primera demostración de esas fluctuaciones espontáneas,que confirman los cálculos de Hawking.
Los físicos advierten que este experimento aún no confirma la existencia de radiación de Hawking en los agujeros negros astronómicos, ya que el agujero negro de Steinhauer no es exactamente lo que podemos observar en el espacio. Físicamente, todavía no es posible crear campos gravitacionales poderosos que formen agujeros negros. En cambio, el análogo utiliza sonido para imitar la capacidad de un agujero negro para absorber ondas de luz.
“Esta onda sonora es como intentar nadar contra la corriente de un río. Pero el río fluye más rápido de lo que nadas”, dice Steinhauer. Su equipo enfrió la nube de átomos a casi el cero absoluto, creando el llamado condensado de Bose-Einstein. Al hacer que el gas fluya más rápido que la velocidad del sonido, los científicos han creado un sistema del que las ondas sonoras no pueden salir.
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Steinhauer publicó sus observaciones a principios de agosto en un artículo de la revista Nature Physics. Su experimento es importante no solo porque hizo posible observar la radiación de Hawking. Steinhauer afirma que vio las partículas emitidas por el agujero negro sónico y las partículas dentro de él "enredarse". Esto significa que dos partículas al mismo tiempo pueden estar en varios estados físicos, como un nivel de energía, y que conociendo el estado de una partícula, podemos conocer inmediatamente el estado de la otra.
El concepto de un análogo de agujero negro fue propuesto en la década de 1980 por William Unruh, pero no se creó en el laboratorio hasta 2009. Desde entonces, científicos de todo el mundo han estado creando análogos del agujero negro, y muchos de ellos están tratando de observar la radiación de Hawking. Aunque Steinhauer fue el primer investigador en tener éxito en este frente, los sistemas analógicos ya están ayudando a los físicos a probar las ecuaciones y principios que se han utilizado durante mucho tiempo en estos sistemas teóricos, pero solo en papel. De hecho, la principal esperanza para los análogos de los agujeros negros es que puedan ayudar a los científicos a superar uno de los mayores desafíos de la física: combinar la gravedad con los principios de la mecánica cuántica que subyacen al comportamiento de las partículas subatómicas, pero que aún no son compatibles con las leyes. gravedad.
Aunque los métodos utilizados son muy diferentes, el principio es el mismo para todos los análogos de un agujero negro. Cada uno tiene un punto que, al igual que el horizonte de sucesos, no puede ser atravesado por ninguna onda utilizada en lugar de la luz, porque la velocidad requerida es demasiado alta. Estas son algunas de las formas en que los científicos simulan agujeros negros en el laboratorio.
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En 2010, un grupo de físicos de la Universidad de Milán causó sensación en la comunidad científica, afirmando que observaron la radiación de Hawking de un análogo de agujero negro, que se creó utilizando pulsos láser de alta potencia dirigidos al vidrio de sílice. Aunque se cuestionó la afirmación de los científicos (el físico William Unruh dijo que la radiación que notaron es mucho más intensa que la radiación de Hawking calculada y que va en la dirección incorrecta), el análogo que crearon sigue siendo un método muy interesante para modelar el horizonte de eventos.
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Este método funciona de la siguiente manera. El primer impulso dirigido al vidrio de cuarzo es lo suficientemente fuerte como para cambiar el índice de refracción (la velocidad a la que la luz ingresa a la sustancia) dentro del vidrio. Cuando el segundo impulso golpea el vidrio, debido al cambio en el índice de refracción, se ralentiza hasta detenerse por completo, creando un "horizonte" más allá del cual la luz no puede penetrar. Este tipo de sistema es lo opuesto a un agujero negro, del cual la luz no puede escapar, por lo que se le llamó "agujero blanco". Pero como dice Stephen Hawking, los agujeros blancos y negros son básicamente lo mismo, lo que significa que deben exhibir las mismas propiedades cuánticas.
Otro grupo de investigación en 2008 mostró que se podría crear un agujero blanco de manera similar utilizando fibra óptica. En experimentos adicionales, se está trabajando para crear el mismo horizonte de eventos utilizando diamante, que es menos destruido por la radiación láser que el silicio.
Polaritones
Un equipo dirigido por Hai Son Nguyen demostró en 2015 que se puede crear un agujero negro sónico utilizando polaritones, un extraño estado de la materia llamado cuasipartícula. Se forma cuando los fotones interactúan con las excitaciones elementales del medio. El grupo de Nguyen creó polaritones enfocando un láser de alta potencia en una cavidad microscópica de arseniuro de galio, que es un buen semiconductor. En su interior, los científicos crearon deliberadamente una pequeña muesca que expandió la cavidad en un lugar. Cuando el rayo láser incidió en esta microcavidad, se produjo la emisión de polaritones, que se precipitaron hacia el defecto en forma de muesca. Pero tan pronto como el flujo de estas partículas excitadas alcanzó el defecto, su velocidad cambió. Las partículas comenzaron a moverse más rápido que la velocidad del sonido, lo que indica que había un horizonte,más allá del cual el sonido no puede ir.
Con este método, el equipo de Nguyen aún no ha detectado la radiación de Hawking, pero los científicos creen que en el curso de más experimentos será posible detectar oscilaciones causadas por partículas que abandonan el campo midiendo cambios en la densidad de su entorno. Otros experimentadores proponen enfriar polaritones a un condensado de Bose-Einstein, que luego puede usarse para simular la formación de agujeros de gusano.
Agua
Observe cómo el agua se arremolina por el desagüe mientras se ducha. Te sorprenderá saber que estás mirando algo parecido a un agujero negro. En un laboratorio de la Universidad de Nottingham, la doctora Silke Weinfurtner simula agujeros negros en una bañera, como ella llama a un tanque rectangular de 2.000 litros con un embudo biselado en el centro. El agua se introduce en el tanque desde arriba y desde abajo, lo que le da un momento angular, lo que crea un vórtice en el embudo. En este análogo acuoso, la luz reemplaza pequeñas ondas en la superficie del agua. Imagínese, por ejemplo, que está arrojando una piedra a este arroyo y observe cómo las olas irradian en círculos. Cuanto más se acercan estas ondas al remolino, más difícil les resulta propagarse en la dirección opuesta. En algún momento, estas ondas dejan de extenderse por completo,y este punto puede considerarse análogo al horizonte de eventos. Este análogo es especialmente útil para simular fenómenos físicos extraños que ocurren alrededor de los agujeros negros en rotación. Weinfurtner está investigando este problema actualmente.
Ella enfatiza que este no es un agujero negro en el sentido cuántico; este análogo aparece a temperatura ambiente y solo se pueden observar manifestaciones clásicas de la mecánica. “Es un sistema sucio”, dice el investigador, “pero podemos manipularlo para demostrar que es resistente al cambio. Queremos asegurarnos de que ocurran los mismos fenómenos en los sistemas astrofísicos.
