La guerra de Hawking. Tenen pèls els forats negres?

El 14 de març passat va morir Stephen W. Hawking, el científic més famós del nostre temps. En aquells dies es va escriure molt sobre ell però poc sobre les seves aportacions científiques.
Els seus treballs estan principalment relacionats amb els forats negres. Aquests no són invenció de Hawking però, com veurem, és una de les persones que més ha contribuït al seu estudi. El concepte modern de forat negre procedeix de Subrahmanyan Chandrasekhar que al 1930 va deduir la seva existència utilitzant la Teoria General de la Relativitat (TGR) d'Einstein, en contra del que sostenia el propi Einstein, que no creia que poguessin existir.

Durant anys els forats negres van ser una mera curiositat teòrica, sense cap verificació experimental, fins que en la dècada dels 60 del s. XX es va detectar un senyal de raigs X procedent de Cygnus X-1 (de la constel·lació el Cigne). L'explicació més raonable era suposar que era produïda durant l'acreció de matèria per un forat negre. Avui tenim moltes més dades que confirmen l'existència de forats negres, la més clara és la detecció d'ones gravitacionals l'origen de les quals és inequívocament el xoc entre forats negres. En els propers mesos potser sigui possible observar per primera vegada senyals procedents de la superfície (l'horitzó de successos) del súper forat negre de milions de masses solars que hi ha al centre de la nostra galàxia. Radiotelescopis de tot el món estan ara col·laborant amb aquest objectiu.
Durant anys s'assumia que res del que queia en un forat negre podria sortir-ne, fins que l'1 de març de 1974, quan Hawking tenia 32 anys i l'ELA ja estava fent estralls en ell, va publicar un revolucionari article amb el títol: Black hole Explosions? Hawking mostrava com en certes condicions, un forat negre pot anar perdent massa emetent radiacions en forma de calor. A aquest procés es coneix amb el nom de radiació de Hawking. Ningú no l'ha observat (és una de les causes per les quals Hawking no té el Nobel) i és lògic que sigui així, ja que d'existir (gairebé ningú ho dubta) la seva emissió seria extremadament feble, el que la fa indetectable. La probabilitat de generació de la radiació de Hawking és més gran com més baixa sigui la temperatura de l'Univers. En milers de milions d'anys, el nostre Univers serà molt més fred i els forats negres emetran cada vegada més energia. En la seva etapa final acabaran desintegrant-se en una gran explosió.

En el mateix article deduïa que durant el Big Bang les fluctuacions quàntiques van generar innombrables forats negres molt petits que s'anaven desintegrant "produint tanta energia com un milió de bombes atòmiques". Hawking d'aquesta manera connectava els processos quàntics típics del que molt petit amb la teoria general de la relativitat d'Einstein que permet descriure l'univers a grans escales. En unificar les dues teories donaria lloc a una Teoria del Tot que va ser l'obsessió d'Hawking. Estava convençut que a aquesta Teoria del Tot s'hauria arribat abans de l'any 2000, però ni ell ni ningú ha pogut fer-ho, i cada vegada sembla més llunyana.

La teoria de Big Bang va ser proposada, no amb aquest nom, pel sacerdot belga Georges Henri Joseph Édouard Lemaître al 1927 (Lemaître també es va anticipar a Hubble en el descobriment de la llei de Hubble). En els anys 70 del s. XX ningú dubtada que l'Univers tenia el seu origen en el Big Bang, però quedaven moltes coses per explicar. Hawking al 1982 i, de forma independent, els russos Mukhanov i Chibisov, van proposar que l'origen de les galàxies està en les petites fluctuacions quàntiques originades durant els instants inicials del Big Bang. Al 2013, el satèl·lit Planck va realitzar el mapa més detallat del fons còsmic de microones (Recordar que s'anomena així a aquella radiació que arriba de totes direccions, i l'origen és el mateix Big Bang). A les imatges, en fals color, preses pel satèl·lit Plank s'apreciaven petites diferències de temperatura l'explicació més simple eren les fluctuacions quàntiques predites per Hawking, Mukhanov i Chibisov. El descobriment li va valer a aquests tres científics el premi Fronteres del Coneixement BBVA al 2016.
L'altra gran contribució científica de Hawking, molt important, va ser la deducció de la fórmula següent:

És a Hawking el que l'E = m c2 a Einstein

La fórmula relaciona S, l'anomenada entropia de Bekenstein-Hawking, amb la superfície del A del forat negre. En física, l'entropia és una mesura del desordre, o de quanta informació pot albergar un objecte, en aquest cas el forat negre. Els altres termes de l'equació són molt coneguts pels físics (k és la constant de Boltzmann, c la velocitat de la llum, ħ la constant de Planck i G la constant de gravitació universal). El més impressionant és que en una mateixa fórmula apareixen G, una constant bàsica de la Teoria General de la Relativitat, i ħ associada amb la mecànica quàntica. És la primera fórmula en què les dues teories apareixen relacionades.
Però potser el que ha fet més famós a Hawking entre els científics és la seva capacitat per plantejar preguntes i crear debats sobre grans qüestions de la física. La més coneguda és: Tenen pèls els forats negres? que ens explica amb detall Leonard Susskind en el fantàstic llibre La guerra dels forats negres.
Si es veu el significat amb un experiment mental ja que, és complicat fer l'experiment real. Suposar dos forats negres Pere i Pau que tenen exactament la mateixa massa (si es vol ser primmirats cal afegir que a més tenen la mateixa càrrega i moment angular). Si se li llança a Pere la Enciclopèdia Britànica. En Pau li llancem la Enciclopèdia Espasa (Versió abreujada), i cal assegurar (arrencant fulles, si cal) que la seva massa sigui idèntica a la Britànica. En ambdós casos cada forat les engolirà i les destruirà. Quan finalment explotin, d'aquí a uns milers de milions d'anys, mitjançant l'emissió de la radiació Hawking, s'haurà perdut la informació de les dues enciclopèdies o hi haurà alguna forma de recuperar-la? Sembla lògic pensar que com que tots dos forats són exactament iguals seran indistingibles i no hi haurà manera de recuperar-les. Es diu que els forats no tenen pèls que permetin diferenciar Pere de Pau. Acceptar-ho, equival a suprimir un element fonamental de la física quàntica que és la conservació de la informació.

La versió de forats sense pèls és la que defensava Hawking i va apostar, juntament amb Kip Thorne, contra John Preskill, que defensava que els forats negres si que tenien pèls (una forma de dir que haurien de contenir alguna cosa que els fes diferents). Transcorreguts 40 anys, en un dels seus últims treballs publicats, Hawking va reconèixer que estava equivocat, d'alguna manera en Pere i Pau haurien de tenir alguna cosa que els diferenciava, pel que permetria recuperar la informació que contenien. El curiós és que John Preskill a qui donava per guanyador, ara dubta del resultat. Si els forats tenen pèls, en cert sentit poden ser eterns, ja que la informació de tot el que ha passat en l'univers es conservarà per sempre, o almenys per uns milers de milions d'anys.
Entre físics i cosmòlegs hi ha acord en què Hawking va fer grans aportacions a la Física, encara que hi n'hagi d'altres de la seva generació que assoleixin el seu nivell i potser el superin (Steven Weinberg, Gerard't Hooft, ...) però el que indubtablement fa a Hawking diferent és el seu esperit de lluita amb humor contra l'adversitat i la seva contribució a la difusió de la Cosmologia i de la Ciència, en general escrivint llibres i participant en programes esquitxats d'humor. El més conegut i poc llegit és Una breu història del temps. Un altre llibre és L'univers en una closca de nou. En tots ells a la ciència rigorosa li afegeix aspectes especulatius i suggerents, com quan escriu que preguntar pel principi dels temps és el mateix que preguntar què hi ha al nord del nord?

El científic utilitzava un sintetitzador de veu per comunicar-se amb accent americà i un to que sonava metàl·lic. Mai va voler que l'hi canviessin (podrien haver-li posat la veu d'una Siris masculina) doncs aquest so robòtic s'havia convertit en un senyal d'identitat. El seu sentit de l'humor era llegendari. En la seva web (http://www.hawking.org.uk/) explica: "Quan vaig haver de donar una conferència al Japó, em van demanar que no fes menció a un possible col·lapse de l'univers, perquè això podria afectar el mercat borsàri... No obstant això, puc assegurar-li a qualsevol que estigui preocupat per les seves inversions que és una mica d'hora per vendre: fins i tot si l'Univers arriba a la seva fi, això no passarà fins d'aquí almenys 20.000 milions d'anys".

Font: Naukas

El làser de forats negres òptics

Potser alguna vegada ens hem preguntat si la radiació de Hawking d'un forat negre es pot utilitzar per fabricar un làser òptic. Per a això es requereix una cavitat òptica ressonant que actuï com a amplificador (recordem que LASER significa amplificació de llum per emissió estimulada de radiació). L'anàleg gravitatori a aquesta cavitat podria ser l'espai entre els horitzons de successos d'un forat negre i un forat blanc. Els forats blancs no existeixen a la natura. No obstant això, en lloc de forats blancs es podrien utilitzar els seus anàlegs físics. Usant fibra òptica es poden fabricar tant forats negres òptics com forats blancs òptics, encara que la radiació de Hawking, en aquests, no ha estat observada. Usant simulacions numèriques per ordinador es pot comprovar si el concepte funciona. En el cas unidimensional, la idea funciona, com han demostrat Daniele Faccio, Tal Arane, Marc Lamperti, Ulf Leonhardt a Optical black hole làsers, Classical and Quantum Gravity 29: 224.009, 18 octubre 2012 [ arXiv: 1209.4993 ].

Al 1923, W. Gordon va proposar usar anàlegs òptics per als forats negres, però no va ser fins al 1981 quan WG Unruh va suggerir en un famós article a PRL que es podrien utilitzar aquests anàlegs físics de forats negres per estudiar la radiació de Hawking en el laboratori. L'anàleg òptic més prometedor es va proposar al 2008 Th. G. Philbin gràcies a l'ús d'una fibra òptica; l'horitzó de successos tant forats negres com blancs s'obté a les ones de xoc que apareixen en els fronts de polsos òptics intensos en un material refractiu no lineal.
Encara no s'ha observat la radiació de Hawking utilitzant aquests anàlegs òptics. Potser cal aclarir això, ja que molts lectors recordaran els experiments de F. Belgiorno (el primer i més famós va ser Hawking Radiation from Ultrashort Laser Premi Filaments Phys. Rev. Lett. 105: 203.901, 8 nov 2010 ). Els seus resultats van ser notícia en molts mitjans, però els experts tenen molts dubtes. D'una banda, el seu anàleg òptic a un forat negre és molt discutible, ja que l'horitzó de successos es basa en la velocitat de fase del pols òptic, no en la velocitat de grup. D'altra banda, els fotons que els autors afirmen que s'emeten per radiació de Hawking s'observen en un règim clàssic en el que és impossible saber si són el resultat de la creació de parells a l'horitzó. Per tant, la majoria dels experts dubten del seu resultat i afirmen que encara no s'ha observat la radiació de Hawking en un anàleg físic, (més detalls en WG Unruh, R. Schützhold, Hawking radiation from phase horizons in làser fi Laments. Physical Review D 86: 064.006, 4 Set 2012 ). Tot això no treu que en els propers anys s'assoleixi aquest objectiu, catapultant a Stephen W. Hawking cap al Premi Nobel de Física.

Figura extreta de l'article de Lisa Grossman, "Black-hole làser edges closer to testing Hawking," New Scientist, 10 October 2012.

Daniele Faccio (Univ. Heriot-Watt, Edimburg), autor principal de l'article de F. Belgiorno, continua tractant de convèncer a tothom que la seva observació de la radiació de Hawking és correcta. Per això, Faccio i els seus col·legues han proposat el làser de forats negres òptics, que només pot funcionar si la predicció de Hawking és correcta, el que significa que si el seu laboratori (o algun altre) aconsegueix fabricar aquest tipus de làser s'haurà demostrat l'existència de la radiació de Hawking fora de tot dubte.

La idea és simple. S'envia un pols de llum a través d'un material òptic no lineal, en què l'índex de refracció depèn de la intensitat de la llum, de manera que entre els fronts del pols l'índex de refracció del material creix (és a dir, la velocitat de la llum en aquesta regió del material és més petita que fos del pols òptic). Gràcies a això es creen dos anàlegs òptics a sengles horitzons de successos. D'un forat negre en el front davanter, on la llum no pot escapar ja que es mou més lentament que a l'altre costat del front, i a un forat blanc al front del darrere, on la llum no pot penetrar per la mateixa raó d'abans. Introduint fotons de forma transversal al pols, s'aconsegueix que quedin tancats a la cavitat òptica efectiva formada pels horitzons de successos dels forats negre i blanc. La ressonància d'aquests fotons en la cavitat (els seus rebots entre tots dos horitzons de successos) permet l'amplificació de la llum si hi ha un mecanisme d'emissió estimulada. Aquest mecanisme seria la radiació de Hawking. La llum del làser s'emet quan el procés d'amplificació supera cert llindar.
Per tant, si Faccio i els seus col·legues, o altres investigadors, aconsegueixen fabricar un làser de forats negres òptics, s'haurà demostrat que la radiació de Hawking existeix i que el concepte d'horitzó de successos utilitzant la velocitat de fase funciona. Òbviament, la proposta teòrica sembla atractiva, però l'important és aconseguir dur a terme l'experiment en un laboratori.

Font: NAUKAS