Los agujeros negros son objetos que hacen curvar el espacio-tiempo de maneras extremas, fascinan en múltiples películas de ciencia ficción y han generado innumerables debates en la comunidad física. Ahora, un equipo de físicos, en el que participa Javier Magán, un científico español que trabaja en el Instituto Balseiro, Conicet y el Centro Atómico de Bariloche, propuso una explicación de por qué se comportan como “objetos termodinámicos”.

Fecha de publicación: 04/04/2024

La física teórica que se hace en el Instituto Balseiro atrae a profesionales de distintos países que llegan cada año a esta institución ubicada en la ciudad de Bariloche. Javier Magán, un científico español, que trabaja en la actualidad en el Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO), CONICET y el Centro Atómico de Bariloche de la Comisión Nacional de Energía Atómica, acaba de publicar con colegas de otros países un paper en el que proponen una solución al problema del “origen microscópico de la entropía de agujeros negros”, esos objetos astrofísicos con alta concentración de materia y energía que hacen curvar el espacio-tiempo de maneras extremas.

El artículo, publicado el 1 de abril en la revista Physical Review Letters, fue seleccionado y reconocido por la American Physical Society (APS), que es una de las asociaciones de física más importantes, para su envío a medios de comunicación de distintos países del mundo.

El punto es que desde que el físico Karl Schwarzschild predijo la existencia de los agujeros negros en base a la Teoría de la Relatividad General de Einstein, la física de estos monstruosos objetos del espacio ha intrigado a la ciencia. En el artículo recién publicado, el equipo integrado por Magán y colegas logró explicar y probar, a partir de un novedoso modelo teórico de “microestados” de agujeros negros, un famoso planteo realizado en 1970 por otros dos físicos, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking, sobre el comportamiento “termodinámico” y la “entropía” de los agujeros negros.

La entropía y sus microestados

La termodinámica describe la dinámica energética de sistemas de muchos átomos, o subpartículas, a través de magnitudes macroscópicas, como la temperatura, la presión y la entropía. Esta disciplina ayudó a comprender y desarrollar, por ejemplo, la máquina de vapor y los motores a combustión de las máquinas que transportan a personas en todo el mundo. Una de sus leyes, la segunda, plantea que la entropía termodinámica sólo puede crecer o permanecer constante.

¿Pero qué es la entropía termodinámica a nivel microscópico? En palabras muy simples, la entropía tiene que ver con el grado de desorden de un sistema termodinámico. Cuanta mayor la cantidad de elementos, mayor la cantidad de potencial desorden y, por tanto, mayor la cantidad de entropía. Esto fue formulado por Ludwig Boltzmann, a fines del siglo XIX, quien vinculó la entropía termodinámica con el número de posibles estados o “microestados” de un sistema.

Bekenstein y Hawking, por su parte, propusieron, en base a la teoría de la relatividad general y la física cuántica, que los agujeros negros siguen las leyes de la termodinámica y que, por tanto, tienen una entropía. Sorprendentemente, descubrieron que la entropía del agujero negro no es proporcional al volumen o al tamaño del objeto, como ocurre en todos los sistemas físicos conocidos, sino que en el caso de un agujero negro su entropía es proporcional a su área. El desafío pendiente, siguiendo los planteamientos de Boltzmann, era dar una explicación microscópica de esta entropía, es decir relacionarla con el número de microestados posibles de un agujero negro.

En el reciente paper, publicado en abril, y también en un reciente trabajo publicado previamente en Physical Review X, Magán, y sus colegas Vijay Balasubramanian, Albion Lawrence y Martín Sasieta, que investigan en los Estados Unidos, lograron construir un modelo teórico de microestados de agujeros negros. Usando esta construcción, probaron que el número de microestados es consistente con la fórmula de la entropía Bekenstein-Hawking.

Un aporte para entender el universo

“Probablemente el aspecto más sorprendente de nuestro trabajo es la construcción explícita y universal de estos microestados de agujeros negros, y de superposiciones de ellos. Los conjuntos construidos contienen infinitos microestados que describen la velocidad y la posición de un gas de partículas en el interior del agujero negro, y todos ellos tienen descripciones geométricas diferentes entre sí”, contó el investigador del CONICET Javier Magán. Y agregó: “Nuestra construcción aplica a todo agujero negro y despeja las dudas que había acerca de la existencia de microestados con descripciones semiclásicas, geométricas, con horizontes de eventos y singularidades”.

“El segundo aspecto novedoso de nuestro trabajo es la técnica para determinar la entropía del agujero negro, que está basada en la determinación del número de estados cuánticos independientes entre un conjunto dado. Esto se consigue gracias a la consideración y construcción de agujeros de gusano, que son túneles que proveen atajos entre diferentes regiones del espacio-tiempo, o que conectan incluso diferentes espacio-tiempos. Estos agujeros de gusano implican relaciones no triviales entre los infinitos microestados construidos”, agregó Magán, que es doctor en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid y trabaja en el grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche.

Los investigadores también utilizaron este modelo teórico de microestados para resolver una conjetura sobre el tamaño del interior del agujero negro. “Leonard Susskind había conjeturado que había un límite superior al tamaño interior de un agujero negro, y que este límite estaba controlado por su entropía. En nuestra construcción, el problema de entender el origen estadístico de la entropía del agujero negro y el problema de demostrar el límite del tamaño interior del agujero se vuelven uno solo, y quedan resueltos a la vez gracias a la consideración de los agujeros de gusano”, explicó Magán, que además de investigar en este campo de la física teórica se dedica a dirigir tesis de licenciatura y maestrías sobre estas temáticas en el Instituto Balseiro, institución pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).

“Básicamente, microestados de agujeros negros con interiores suficientemente grandes, por encima del límite conjeturado, se pueden escribir como superposiciones cuánticas de microestados de agujeros negros con interiores más pequeños. Este fenómeno de superposición cuántica macroscópica es un aspecto bastante impactante de la dinámica de agujeros negros y de sus microestados”, agregó el físico.

Miradas de colegas

Horacio Casini, profesor del Instituto Balseiro e investigador del citado grupo en el Centro Atómico Bariloche, que no participó en el citado artículo, utilizó una metáfora para explicar el aporte de Magán y colegas. “Si el agujero negro fuera un dado de seis caras, entonces Bekenstein y Hawking habrían descubierto hace 50 años que su entropía era logaritmo de seis. Describir la entropía de un agujero negro a partir de sus microestados, que es algo que plantean Magán y sus colegas, es lograr entender que esta entropía se origina en el conjunto de todas las caras posibles de ese dado: la cara del 1 arriba, o la del 2, o la del 3 y así”, comentó.

A su vez, Casini destacó que siempre se pensó que los microestados del agujero negro serían muy complicados de describir ya que todos ellos tienen el mismo aspecto vistos desde fuera. “En este trabajo Javier Magán y sus colaboradores mostraron algo sorprendente: esos microestados se pueden describir con las mismas ecuaciones de Einstein como diferentes cosas que están pasando dentro del agujero negro”, destacó el investigador del CONICET, que es referente mundial de la física teórica.

Por su parte, Roberto Emparan, investigador de ICREA (siglas de Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados) en el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona y que no participó en la investigación, puso en contexto: “Hace ya medio siglo, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking propusieron una idea radical: los agujeros negros, que no son sino espacio-tiempo curvado al límite de forma que nada puede escapar de ellos, son, a un nivel fundamental, sistemas cuánticos extremadamente desordenados—es decir, poseen una enorme entropía. Pero su propuesta no aclaraba el origen microscópico de esta entropía, esto es, cuál es el análogo a las moléculas en movimiento caótico que explica la entropía de un gas. Desde entonces, pese a avances muy significativos, en especial empleando las teorías de cuerdas, el problema sigue sin encontrar una respuesta totalmente satisfactoria”.

Para Emparan, el equipo de Javier Magán y colegas ha realizado un avance muy significativo en esa dirección. “Han demostrado que la entropía del agujero negro se puede entender como originada por una gran cantidad de diferentes geometrías interiores que, sin embargo, son indistinguibles para cualquier observador que permanezca en el exterior del agujero negro. La construcción que han hecho es muy general, clara, y basada en ideas y métodos de amplia aplicabilidad, y sus resultados indican que bajo la descripción geométrica del espaciotiempo, subyace una irreducible aleatoriedad fundamental”.

Ahora bien, ¿cuáles son los siguientes pasos? Una posible dirección, planteó Magán, es extender este tipo de construcciones teóricas al universo en su conjunto. Aunque como es común en la ciencia de frontera, nunca se sabe qué otros interrogantes y caminos se pueden despertar. De hecho, cuando a principios del siglo XX Albert Einstein presentó la Teoría de la Relatividad General nadie sabía que sus cálculos tendrían impacto en el nacimiento de la física cuántica, y en el desarrollo de nuevas tecnologías como las comunicaciones de telefonía celular y hasta los GPS. Habrá que esperar para ver cómo sigue esta historia.

Por Laura García Oviedo, Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro

Enlaces a papers:

*Microscopic Origin of the Entropy of Astrophysical Black Holes, publicado el 1 de abril en Phys. Rev. Lett. /
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.141501

*Microscopic Origin of the Entropy of Black Holes in General Relativity, publicado el 21 de febrero de 2024 en Physical Review X. /
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.011024

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Por Laura García Oviedo / Área de Comunicación Institucional y Prensa Instituto Balseiro

Crédito foto: LGO / Prensa Instituto Balseiro

Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 04/04/2024

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