Steven S. Gubser - El pequeño libro de los agujeros negros

N o creemos en los viajes en el tiempo, y no nos dedicamos al misticismo. Pero ¿qué pasaría si pudiéramos escribir una carta a Albert Einstein para hablarle de la gravedad y los agujeros negros en unos cuantos párrafos? Que escribiríamos algo parecido a lo siguiente:

Julio de 2017

Querido Albert:

Lo primero, eres el más grande. La única ecuación de la física que conoce todo el mundo es E = mc2. La revista Time te nombró Persona del Siglo. Los chistes de Einstein ya no se cuentan mucho, porque cualquiera ve el final del chiste a kilómetros de distancia. Tenemos una millonada de armas nucleares, pero todavía no nos hemos hecho volar por los aires. De hecho, las bombas atómicas arrojadas al final de la segunda guerra mundial son las únicas que se han usado para matar gente intencionadamente.

Estamos, en nuestros días, verdaderamente interesados en la relatividad general y los agujeros negros porque un gran instrumento llamado LIGO ha detectado las ondas gravitatorias emitidas por una colisión de agujeros negros que ocurrió hace más de mil millones de años. Hemos escrito un libro sobre agujeros negros y, puesto que sabemos que estuviste profundamente interesado en la solución de Schwarzschild, y quizá a veces inseguro de su significación física, hemos pensado en hablarte de lo que ha pasado en los más de sesenta años que han transcurrido desde tu fallecimiento.

Primero, está esa cosa llamada horizonte de sucesos en la solución de Schwarzschild. Si lo atraviesas, no puedes volver atrás sin superar la velocidad de la luz. Si recuerdas la forma de la solución de Schwarzschild, había allí algunos rasgos extraños cuando el radio era igual a la masa hasta un factor de acoplamiento de Newton. En concreto, la parte temporal de la métrica se desvanece: es lo que ahora llamamos función de lapso. Ahí es donde está el horizonte de sucesos. La solución de Schwarzschild tiene también propiedades extrañas cuando el radio se hace cero, y nuestro mejor entendimiento es que esas propiedades extrañas marcan una singularidad espaciotemporal donde la propia geometría se deshace. Si entras en un agujero negro de Schwarzschild, estás destinado a encontrar la singularidad, pero no tenemos ni idea de lo que podría pasar a continuación… ni siquiera de si «a continuación» es la expresión correcta.

Ojalá pudieras haber visto todo el trabajo que se hizo en relatividad general en el par de décadas posteriores a tu muerte. John Wheeler estuvo en el ojo de ese huracán. (¡Y le conocimos! Vivió hasta 2008 y pasó un tiempo con nosotros en Princeton). Fue él quien popularizó el término «agujero negro» para describir la solución de Schwarzschild y las métricas relacionadas. Un neozelandés llamado Roy Kerr halló una generalización de la métrica de Schwarzschild que describe un agujero negro en rotación. ¡Es una métrica bastante complicada! Y es importante porque describe el estado final de las estrellas que colapsan, que siempre tienen algún momento angular distinto de cero.

Estamos muy seguros de que hay muchos agujeros negros en el universo. Tal y como Chandrasekhar, Tolman, Oppenheimer y Volkoff decían en los años treinta, si juntas demasiada masa, nada puede sujetarla. Es difícil calcular los números exactos, pero si, después de que una estrella consuma todo su combustible nuclear, quedan unas tres masas solares, se colapsará como un agujero negro. Lo que es más asombroso es que hay unos agujeros negros mucho mayores en el centro de las galaxias. La Vía Láctea tiene un agujero negro en su centro que contiene unos cuatro millones de masas solares. ¡No te tomamos el pelo! El consenso moderno es que muchas galaxias tienen unos agujeros negros mucho mayores en sus centros, tal vez con miles de millones de masas solares. No estamos seguros de cómo se formaron esos agujeros negros, pero en el caso de la Vía Láctea podemos estar seguros de su existencia trazando las órbitas de las estrellas individuales y viendo los efectos de la gravedad del agujero negro.

La detección de ondas gravitatorias por el LIGO fue maravillosa. LIGO es un gran interferómetro de Michelson, con cuatro kilómetros de lado. LIGO significa Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser. Los láseres son esas increíbles fuentes de ondas monocromáticas, tan enfocadas y poderosas que podemos usarlas para soldar metales, pero tan baratas que las ponemos en los tocadiscos modernos en lugar de agujas. Aún no tenemos coches volantes, pero los láseres son muy chulos. Total, que el LIGO estaba justo preparándose para un experimento científico cuando llegó allí esa onda gravitatoria perfecta, que detectaron casi por accidente y pudieron casar con un molde que describe la fusión de dos agujeros negros, con unas treinta masas solares cada uno. Todo el mundo se impresiona una y otra vez con la relatividad general, porque tiene éxito al describir la región de campo fuerte cercana a los agujeros negros, donde el espacio-tiempo prácticamente se hace trizas, y también la región de campo lejano en que las ondas gravitatorias son susurros evanescentes que se deslizan por el espacio-tiempo.

Otra idea tuya que ha llegado muy lejos es la constante cosmológica. Aunque tú la llamaste tu mayor error, creemos ahora que está presente como una pequeña corrección a tus ecuaciones de campo. Lo cierto es que es importante a grandes escalas de longitud: los astrónomos no pueden explicar la evolución reciente del universo en expansión a menos que un gigantesco 70 % de toda la energía del universo provenga de la constante cosmológica, o al menos de algo que llamamos «energía oscura», y que se comporta de forma muy similar a ella. En vez de mantener el universo estático, como tú habías esperado cuando introdujiste por primera vez la constante cosmológica (agárrate a la silla), la energía oscura está empezando a acelerar el universo en un régimen de expansión exponencial. Caminando en otra dirección, la búsqueda de una teoría unificada ha conducido a un estudio intenso de los espacio-tiempos con una constante cosmológica negativa. La relatividad general en cinco dimensiones con una constante cosmológica negativa se conecta de manera natural con una teoría cuántica en la frontera tetradimensional del espacio-tiempo. ¡Es casi como si la teoría cuántica fuera una proyección de la relatividad general!

Estamos realmente seguros ahora de que la teoría cuántica es correcta (lo sentimos mucho). Un físico británico llamado Stephen Hawking demostró que la teoría cuántica implica que los agujeros negros emiten radiación, aunque a temperaturas muy bajas. Los agujeros negros también tienen una entropía tremendamente grande, pese a ser casi únicos como soluciones a tus ecuaciones de campo. Por si te hiciera sentir algo mejor, el artículo que escribiste con Podolsky y Rosen resultó ser importante. La gente está en nuestros días hasta intentando construir ordenadores mecanocuánticos utilizando ideas relacionadas con ese artículo.

Muchos profesores de Princeton ya no llevan corbata en el trabajo, pero la mayoría sí que llevamos calcetines. El lago Carnegie está tan bonito como siempre. No se ven muchos marineros allí, pero sí que ha habido un águila anidada justo en el borde del lago. Todavía no hemos encontrado una teoría unificada de campo, pero seguimos intentándolo. Lo mejor está aún por llegar.

Sinceramente tuyos:

Steve y Frans

E ra el 14 de septiembre de 2015, casi exactamente cien años después de que Albert Einstein formulara la teoría general de la relatividad. Dos detectores masivos, uno en Luisiana y otro en Washington, estaban sometiéndose a los preparativos finales para una carrera científica destinada a detectar ondas gravitatorias. De repente, y de manera inesperada, los instrumentos del detector registraron un peculiar chirrido. Si lo hiciéramos audible, sonaría como un porrazo apagado y grave.