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¿Puede evaporarse un agujero negro?

17 May

Los agujeros negros (AN) son una de las entidades que más juego dan a los especuladores como un servidor. Aquí vengo a detenerme en la radiación de Hawking a la cual muchos atribuyen la capacidad teórica de evaporar agujeros negros.

El horizonte de sucesos es un lugar geométrico en el cual el cono de escape de cualquier radiación con origen en él es nulo. Es decir, que aunque se emita radiación espontánea en un punto del horizonte, ésta cae irremediablemente en el AN, pero no exactamente. Hawking razonó en 1976 que al tener en cuenta la cuántica, la probabilidad de que una parte de ella que esté alineada exactamente hacia afuera logre escapar, no es nula, y por tanto se emitiría una radiación neta por el horizonte de sucesos.

Si aplicamos estos mismos razonamientos de Hawking en el entorno inmediato del horizonte de sucesos, podríamos concluir que aunque el agujero negro esté completa y absolutamente rodeado de espacio vacío, los pares partícula-antipartícula, derivados de las fluctuaciones cuánticas del vacío, generarían un radiación neta de entrada al agujero negro que más que compensa dicha radiación. Es decir, en un punto inmediatamente fuera del horizonte tenemos que sea cual sea la dirección par-antipar (en sentidos contrarios, evidentemente) hay uno de los sentidos que cae directamente al AN (pues el cono de escape es muchísimo menor que 180º) cuando no los 2 sentidos, así que de forma estadísticamente neta, el AN también estaría drenando “radiación de Hawking” desde el espacio vacío de sus inmediaciones. La superficie desde la que el AN logra “drenar” radiación neta hacia su interior sería una superficie determinada porque en ella el cono de escape sea de 180º, es decir, un plano. Esto más que compensa la radiación de Hawking del horizonte, luego UN AGUJERO NEGRO JAMÁS PODRÁ EVAPORARSE POR ESTA RADIACIÓN.

Además, independientemente de este efecto, aunque asumamos que el agujero negro radia de forma neta (que ya he razonado que no sería así) se necesitaría que la materia ordinaria que pueda caer devorada en ese agujero esté tan distante y sea de tan poca entidad como para no compensar o no hacerlo a tiempo antes de que esa hipotética radiación evaporase el AN. Eso es imposible en un agujero negro real. Sólo puede darse en los universos matemáticos de los físicos con un AN aislado en un hueco mayor que el propio radio del universo.

Lo dicho, los agujeros negros no se evaporan o al menos no lo hacen por esa radiación. Si hay alguna forma de que un AN deje de existir, sólo puede ser por algún proceso interior aun desconocido que logre liberar tal cantidad de energía en un instante tan reducido de tiempo como para estirar el espacio a más velocidad que la de la luz y poder así rebasar el horizonte de sucesos desde su interior. Vamos, lo que viene siendo un big bang inflacionario.

Por eso sostengo que el Big Bang y un Agujero Negro tienen el mismo comportamiento habida cuenta de que el big bang era el futuro de la historia anterior del universo. Sus comportamientos son idénticos salvo por la inversión temporal (que mantiene la validez de las leyes físicas simplemente admitiendo que el 2º principio de la termodinámica no es válido para el universo en su conjunto). El big Bang no es más que la super-hiper-mega-ultra nova resultante de la fusión de todos los agujeros negros preexistentes que acabaron por devorar el universo anterior que discurría exactamente en sentido contrario temporal.

Sostengo que las leyes físicas que aplican los cosmólogos en esos instantes iniciales del big bang NO SON APLICABLES en tanto se desarrollan en un entorno causal en el que no funcionan. Adentrarnos con nuestras leyes físicas a sacar conclusiones sobre los primeros instantes de ese proceso de ultra mega hiper super nova es un ejercicio perfectamente inútil.

Mientras no dispongamos de la ansiada teoría física que case gravedades extremas en entornos diminutos (cuánticos) deberíamos de permanecer callados al respecto de los instantes iniciales del universo del mismo modo en que lo hacemos respecto a lo que ocurre en el interior de los agujeros negros.

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Los agujeros negros han dejado de ser negros

13 Feb

Después del anuncio hecho hace 2 días por el experimento LIGO sobre el descubrimiento de las ondas gravitacionales, ahora todos imaginamos el espacio vacío como un liviano andamio en el que si un gorila muy grande se desplaza puede provocar vibraciones detectables por gente situada en otros lugares del andamio. Es una cosa fácil de imaginar pues el AIRE en nuestra experiencia diaria viene a darnos una idea parecida. Una explicación amena y accesible del asunto puedes encontrarla aquí además de conocer la curiosa historia de cuándo y cómo se postularon.

A modo de sencilla explicación, diré que al igual que los los campos eléctricos y magnéticos se originan mutuamente dando lugar a radiación electromagnética cuando uno de ellos varía o sufre una perturbación, pues el otro se crea automáticamente como respuesta al uno, tendiendo a compensarse mutuamente, mediante un baile “tuya-mia” que se propaga en forma de ondas electromagnéticas (no existen las ondas magnéticas o eléctricas por separado), de un modo parecido el espaciotiempo tiene una relación similar con la masa-energía que fluye a su través, desde que así lo describiera la Teoría General de la Relatividad: Cuando la masa o la energía se desplazan, el espaciotiempo se adapta curvándose, pero a su vez esta curvatura provoca que la masa-energía se desplace, que a su vez provoca que el espaciotiempo se deforme, … Este “baile agarrado”predice la existencia de perturbaciones en el tejido espaciotemporal cuando grandes cantidades de masa y energía se desplazan a altas velocidades.

Pero el lego en la materia se pregunta: y esto de las ondas gravitacionales, ¿por qué es noticia? Porque abre un nuevo canal de inspección del universo. Me explico.

El cosmos, desde que Galileo nos trajera el telescopio, se ha investigado examinando la luz que nos enviaban. Al principio sólo escudriñábamos la luz visible y ya hicimos descubrimientos notables, pero cuando ampliamos el rango a todo el espectro, lo que encontramos fue mucho más grande. Analizamos casi todo de la radiación electromagnética que nos llega desde el cielo; su longitud de onda, su espectro de frecuencias, su polarización, …, y sacamos conclusiones asombrosas que han permitido a la astronomía empujar muy lejos los límites del conocimiento humano.

Pero las luz es fácil de dispersar y desviar (ventaja y desventaja a la vez en la astronomía) pero hay fenómenos especiales que no emiten luz por su propia naturaleza masiva que quedaban fuera de nuestro objetivo: los 380.000 primeros años de nuestro universo, los agujeros negros, la materia oscura, etc. El ejemplo más sencillo son los agujeros negros: por su propia naturaleza son “negros”, es decir, no emiten absolutamente nada de radiación (salvo la teorizada radiación de Hawking  que sería muy tenue que sería imposible de detectar a distancias suficientemente alejadas de él como para poder mandar allí una sonda) lo cual implica que sólo los podemos estudiar de forma indirecta analizando lo que hacen los objetos que hay a su alrededor. Es decir, es como si en una película de cine completamente muda viéramos a un personaje hablar mirando hacia fuera de la pantalla mirando hacia arriba, señalando y asombrado. Podríamos decir: a un lado hay algo grande y asombroso, pero no podríamos decir qué es exactamente: King Kong, una avioneta, …. Gracias a las ondas gravitacionales podemos escuchar y saber si eso que viene por el lado es un camión, un avión o qué.

El propio Big Bang suponemos que fue tan, pero tan gigantesco (como agujero negro de agujeros negros que se supone que fue), que no pudo empezar a propagarse radiación alguna hasta pasados 380.000 años. De lo de antes, nada de luz. Sólo nos queda ese tenue resplandor que se denomina fondo cósmico de microondas. Ahora gracias a las ondas gravitacionales podremos superar esa barrera y empezar a poner a prueba las teorías sobre lo que ocurrió antes de ese momento.

En fin, que se abre una era para la ciencia de nuestra querida Humanidad ya que gracias a este gran avance, nuestros científicos además de ver, que es muy importante, ahora podrán OIR los susurros que hace el universo. Estaremos muy atentos a lo que viene porque puede ser apasionante.

Un siglo de Relatividad General

25 Nov

He aquí mi pequeño homenaje al grandioso personaje Einstein cuando se cumplen hoy 100 años desde que publicara durante la mítica conferencia en la Academia Prusiana de las Ciencias en la que presentó sus exactas y valiosas ecuaciones de campo.

Mi tributo consiste en intentar hacer un humilde intento de explicar de forma breve e intuitiva, sin fórmulas ni dibujos (que hay a puñados en internet) lo que yo he entendido de esta magistral teoría. Es evidentemente un ejercicio de malabarismo entre rigor y síntesis que suele acarrear críticas por parte de los estudiosos de la materia y alabanzas por parte de los neófitos, pero he ahí en cualquier caso.

Mi explicación condensada de los conceptos y conclusiones que describe la Relatividad es que el universo se compone sólo de 2 cosas, que se entremezclan e interactúan ya que están interrelacionadas entre sí:
1.- La materia y energía (masas, campos)
2.- El espaciotiempo, que es una entidad absoluta (sí, así lo afirmo) y continua (a nivel macro sí, a nivel micro “opino” que está discretizada, pero este detalle no importa ahora) que llena todo el universo de principio a fin, a modo de tejido flexible y modificable.

Ambas entidades se relacionan según las ecuaciones de la Relatividad General.

Pero, ¿cómo se relacionan? Aquí la manida frase (que no por ser manida deja de ser descriptiva y cierta) que dice que la masa le dice al espaciotiempo cómo tiene que curvarse, y el espaciotiempo le responde a la masa diciéndole cómo tiene que moverse.

¿Pero el espacio se curva de verdad, en serio?

Es importante en este punto darse cuenta de qué significa que el tiempo forme parte del espaciotiempo como una dimensión más, ya que cualquier espacio de cuantas dimensiones queramos imaginar, para curvarse, necesita una dimensión adicional. Lo que se curva es el espaciotiempo, no el espacio exclusivamente. Me explico: Cuando pensamos una esfera como ejemplo de superficie convexa-curvatura positiva- o en una silla de montar a caballo como superficie cóncava-curvatura negativa, la curvatura se manifiesta porque la superficie en cuestión “invade” una dimensión adicional (pensando en modo euclídeo-recto-canónico) a la cual no puede accederse directamente desde la superficie considerada.
Cada observador, en su movimiento concreto a través del espaciotiempo, lo atraviesa de una forma concreta subjetiva obteniendo unas percepciones particulares del mismo que determinan sus mediciones espaciotemporales (el espacio y tiempo relativos famosos) así como la forma en que se manifiesta la inercia. El espaciotiempo es absoluto, nuestras percepciones son relativas a nuestra “línea de universo”, que es nuestra trayectoria concreta por estos mundos de Dios.

En nuestra experiencia diaria no observamos paralelas que se alejan o acercan, suma de ángulos de un triángulo mayor o menor de 180 º, …, que corresponderían a una superficie curva. La escala con la que estamos familiarizados y que es la base de nuestra intuición, es eucídea, y es por eso que nuestra mente es obstinadamente euclídea y nuestro tiempo absolutos. Es al dar el salto de escala a lo cósmico (o a los despalazamientos extremadamente céleres) cuando se manifiestan estos efectos, como tantas cosas en Relatividad.

Pero existe un efecto que sí se manifiesta a nuestra escala claramente: La gravedad. Ésta no es más que el efecto de reacción que nos provoca un objeto (el suelo) que se interpone en nuestro camino por la trayectoria más corta del espaciotiempo, la cual recorreríamos dócil y tranquilamente si ese objeto no se interpusiese, observando cómo objetos distantes aceleran respecto a nosotros.
La trayectoria más corta entre 2 puntos (recuerdo, del espaciotiempo no del espacio exclusivamente, es decir, esos 2 puntos pueden ser el mismo punto en el espacio y diferir sólo en el tiempo). Al estar deformada la “rejilla” espaciotemporal, el resultado es que recorremos más espacio en la misma unidad de tiempo, lo cual se traduce en una aceleración. La aceleración gravitatoria. O experimentamos fuerza gravitatoria (si el suelo nos sujeta) y observamos al resto de cuerpos acelerarse, o dejamos de sentir fuerza (en caida libre) y lo que observamos es aceleración respecto a objetos distantes. Son 2 caras de la misma moneda.

Sea como fuere, la velocidad generalizada en ese espaciotiempo de 4 dimensiones siempre es “c” de módulo, es decir, la de la luz. Sí, queridos lectores, estáis ahora mismo yendo a la misma velocidad que la luz sólo que en R4. Nos desplazamos a casi la velocidad de la luz en el tiempo y apenas a una minúscula proporción de ésta en el espacio, mientras la luz va quieta en el tiempo y a “c” en el espacio. En cualquier caso, sumando ambas velocidades en el tiempo y espacio, la velocidad total es siempre “c”. Esta es la diferencia que hay entre materia y energía, y es que la materia nunca puede dejar de desplazarse en el tiempo mientras que la energía sí puede hacerlo. Por eso la materia, al tener siempre una componente en el tiempo, nunca puede alcanzar la “c” en el espacio.

¿Y cómo se llega a estas conclusiones, son reales? Sobre todo, ¿cómo llega a estas conclusiones un científico solitario renegado del sistema académico y medio arruinado, peleado con todo el stablishment docente e incluso político? Pues admitiendo sólo una cosa: que la luz tiene una velocidad constante para cualquier observador. Partiendo de esa única premisa, este gigante de gigantes del intelecto humano fue tirando del hilo de forma tenaz contra viento y marea hasta llegar a estas asombrosas conclusiones.

Gracias, Einstein, por regalarnos la Relatividad.

 

Universo sin tiempo: Colapso y expansión

4 Sep

Inauguro mi blog con una entrada sobre Física. Sí, ya sé que es un totum revolutum muy raro, pero me apetece y punto.

Y lo hago nada menos que con una teoría cosmológica. Casi nada. Pero “como no sabía que era imposible, lo hice”, que dijo aquél.

Los físicos actuales han aceptado de forma general la hipótesis (bastante fea) de la “energía oscura” como una suerte de energía que tiene el vacío (densidad negativa de energía) y que tiende a expandir el espaciotiempo. Sería lo mismo que la Constante Cosmológica que introdujo Einstein en sus ecuaciones de Relatividad General para equilibrar la atracción gravitatoria (y que luego calificaría como su “peor error”), pero con un valor que no solo equilibra sino que excede a la atracción gravitatoria universal, provocando esa aceleración de la expansión que se ha observado recientemente. Basándose en estas observaciones, se vaticina que el Universo acabará desgarrado (Big Rip) al no poder frenarse nunca por no haber logrado alcanzar la densidad crítica (que se estima en 10−31 gr/m³, es decir, unos pocos átomos por m³). No es que no tengamos esa densidad crítica, es que según las mediciones no llegamos ni al 1% de ella.

Entendiendo la entropía como una medida de la homogeneidad de la distribución de energía en un sistema (ya que las diferencias de energía son las que pueden producir trabajo útil), de forma que cuantas menos diferencias de energía haya en un sistema, mayor es su entropía. La entropía siempre crece, o al menos eso dicta el 2º Principio de la Termodinámica que funciona perfectamente en nuestro universo observable (del cual se nos escapan los agujeros negros). Como la Entropía es inversa de la temperatura, es de cajón que la temperatura actual del Universo (menos de 3 ºK) esté mucho más cerca del 0 absoluto (0 ºK) que la del Big Bang (1032  ºK).

La única forma de que algo no tenga principio ni fin (puntos en los que la teoría del Big Bang se encuentra con serios apuros matemáticos e incluso conceptuales que trato en un post adicional) es que sea cíclico, circular, cerrado. Si no, se hallarían sin respuesta cuestiones como ¿qué inició la expansión, qué energía descomunal logró vencer las inimaginables fuerzas de atracción gravitatoria? Y lo del campo inflatón que todo lo expandió y alisó el universo, está muy bien para describir un proceso, pero el origen de su energía nunca se ha explicado convincentemente. Al final siempre aparece Dios, que viene a ser como el comodín que para todo vale.

Así pues, ¿cómo podría revertirse el proceso hacia otro Big Bang pasando por un Big Crunch (BCBB) con los datos experimentales de que disponemos actualmente? Pues creo que lo primero que hay que eliminar es la hipótesis de la homogeneidad en cosmología que nos lleva a soluciones tipo Big Rip o Big Crunch para todo el universo en su conjunto. Yo creo que ambas soluciones se dan de forma simultánea en el universo: mientras hay zonas colapsando hacia agujeros negros, absorbiendo más y más masa, ampliando el volumen ocupado por la singularidad, aumentando su horizonte de sucesos, el resto del espacio se va desgarrando hacia ellos, experimentando el Big Rip que he citado que concuerda con nuestras observaciones.

Creo que nadie ha manejado está hipótesis de que la expansión acelerada que observamos en la parte observable (valga la redundancia) podría experimentar esa aceleración en relación a nosotros “tirada” por el colapso multicentral de una red homogénea y masiva (del orden del 85 % de la masa del Universo-lo que ahora se llama “materia oscura”) de agujeros negros. No habría necesidad de introducir esa hipótesis moderna de corte esotérico que es la energía oscura. Así, el Universo estaría colapsando de nuevo hacia una nueva singularidad primigenia pero no de forma global sino local (multilocal, sería más correcto). Posteriormente los agujeros negros supermasivos acabarían absorbiéndose unos a otros hasta el redoble final, que sería de nuevo el comienzo de todo. El proceso que alimentaría de energía para lograr vencer las tremendas compresiones gravitatorias de este estado es una incógnita, pero al igual que la masa de un agujero negro debe de permanecer estable gracias a algún proceso de repulsión entre quarks, o algo parecido, cuando se rebase el límite de ese proceso estabilizante, el resultado será una liberación enorme de energía, del mismo modo que el comienzo de la fusión del carbono alimenta la explosión de una supernova.

Así, nosotros viviríamos en la parte del universo que se va expandiendo más y más (aumentando la entropía más y más, enfriándose más y más) mientras el proceso inverso ( la contracción cada vez  mayor, el calentamiento cada vez mayor, su absorción de entropía cada vez más intensa, su acumulación cada vez mayor de trabajo disponible) se daría en los agujeros negros (cada vez más numerosos y masivos) que se fundirían en el redoble final: la singularidad primigenia entendida como el agujero negro más colosal posible, fusión de todos los existentes. La curvatura de nuestro universo sería hiperbólica  mientras la del “universo oscuro” estaría en geometría cerrada de forma que el Universo global fuera completamente plano.

Sería un proceso parecido al de ascenso y descenso de un chorro de agua: al ascender lo hace de forma colimada y más o menos ordenada, pero al sucumbir a la gravedad, se acentúa cualquier fluctuación inicial y se produce un descenso desordenado y multicentral. También en una visión metafórica, sería algo parecido a lo que le ocurre a la superficie jabonosa de una bañera cuando abrimos un desagüe alimentado por múltiples agujeros, es decir, que aunque el destino es que la bañera se vacíe, si fuésemos un insecto flotando sobre el jabón observaríamos cómo todo nuestro universo plano se estira hacia todas direcciones (desagües, que no podríamos observar). La conclusión del insecto es que todo se aleja de todo, luego la superficie se expande, cuando la realidad es muy otra. No encuentro la analogía adecuada (tal vez no la haya) pero creo que se me entiende.

Además, esta relación espacio normal-agujeros negros es compatible con la definición de radiación de Hawking dado que esta radiación se origina porque en el interior de un agujero negro (donde no rigen nuestras leyes de la física) está en contacto fronterizo con espacio convencional (en el que sí rigen). Esta radiación es de menor intensidad cuanto mayor es el agujero negro, por lo cual es lógico que cuando ya no quede espacio convencional con el que tener frontera (momento del BCBB de la teoría que aquí expongo) no se emitiría radiación alguna.

Con esta teoría, la Constante Cosmológica y la energía oscura son innecesarias. La entropía marcaría la flecha del tiempo en nuestro universo observable, mientras los agujeros negros actuarían como sumideros de materia-energía y entropía, de forma que de forma global el Universo tuviera entropía constante (o nula) y careciera por tanto de tiempo, siendo éste un concepto sólo aplicable “localmente” a nuestro universo observable. El universo global (incluyendo ambas caras) sería estático y euclídeo en cuanto a carente de variable tiempo y curvatura.

No sé cómo expresarlo ni conceptualizarlo mentalmente pero el universo carecería de tiempo. Esto es inimaginable, pero seguro que se puede matematizar. En lugar de MÁS dimensiones (como proponen las teorías de cuerdas o la famosa Teoría M), lo que aquí propongo son MENOS dimensiones, sólo las 3 espaciales.
Bastaría con deducir una nueva métrica (diferente de la métrica FLRW) como solución a las ecuaciones de Relatividad General eliminando la hipótesis de homogeneidad.

En grandes líneas, la historia del universo de acuerdo con esta especulación sería de la siguiente forma:

-Etapa de explosión: partiendo de un estado muy denso (pero no infinitamente denso) gracias a la liberación de energía fruto de algún proceso desconocido hasta hora pero que operaría a escalas cercanas a la de Planck, el universo se expandiría explosivamente. Duración muy breve.

-Etapa de expansión decreciente: la fuente de energía deja de proporcionar energía nueva al sistema y la gravedad se opone a la inercia expansiva inicial.

-Etapa de comienzo del colapso: alrededor de unos 200 millones de años después del inicio, comienzan a formarse las primeras estrellas y por ende los primeros agujeros negros. El espacio empieza a contraerse dentro de esos agujeros negros y el espacio fuera de esos agujeros negros comienza a estirarse, de forma que la expansión general remanente se suma en estas regiones para empezar a experimentar una expansión sostenida.

-Etapa de aceleración del desgarro: según van aumentando el número y tamaño de los agujeros negros, el espacio entre ellos va experimentando una expansión crecientemente acelerada.

-Etapa incial: cuando los agujeros negros logran absorber cerca del 100% de la masa del universo, dejan de ser estables y liberan alguna clase de proceso explosivo que nos devuelve a la etapa de explosión.