Astrónomos del Reino Unido han descubierto que los agujeros negros pueden convertirse en la puerta de acceso a la gravedad cuántica, considerada el santo grial de la Nueva Física.

Han comprobado que los agujeros negros son sistemas termodinámicos más complejos de lo que se pensaba hasta ahora: no solo emiten radiación térmica, sino también una presión sobre el entorno que emana de la gravedad cuántica oculta en su interior.

Esta constatación confirmaría que los agujeros negros son el sitio ideal para resolver uno de los problemas más persistentes de la Física: cómo surgió el Big Bang, el gran momento cósmico que dio origen a todo el universo.

Ni la Teoría Cuántica ni la Relatividad han sido suficientes para describir lo que pasó entonces, debido a una dificultad intrínseca a ambos cuerpos de conocimiento.

Mientras que la Teoría General de la Relatividad describe la gravedad y, en consecuencia, el mundo de los objetos, planetas y galaxias, la Física Cuántica describe el paradójico mundo de los átomos y de las partículas elementales. Hasta ahora, estos dos mundos permanecen teóricamente irreconciliables entre sí.

Fondo de la cuestión

Ambas teorías son coherentes dentro de sus propios campos, pero, cuando analizamos los procesos cósmicos a escalas extremas, ya sean infinitamente pequeñas o grandes, no hemos conseguido articular una teoría que abarque ambos enfoques, capaz de explicar, por ejemplo, cómo ocurrió el Big Bang.

Según la teoría de la Relatividad General de Einstein, la gravedad de un agujero negro es tan intensa que nada puede escapar de su interior. Pero explicar lo que ocurre dentro de un agujero negro mediante la teoría cuántica es algo mucho más complejo.

En los años setenta del siglo pasado, Stephen Hawking intentó describir la materia que se encuentra dentro y alrededor de los agujeros negros utilizando la teoría cuántica, pero tropezó con la gravedad: solo pudo describirla con la teoría clásica de Einstein.

Si queremos llegar al fondo de cómo surgió el universo, necesitamos considerar la gravedad como fenómeno cuántico, pero las perspectivas de probarla directamente son escasas: necesitaríamos un acelerador de partículas del tamaño de la Vía Láctea para conseguirlo… o acceder al interior de un agujero negro.

Algo no encaja

Es aquí donde se pone en valor el descubrimiento de los astrónomos británicos. Tuvo lugar en diciembre pasado, cuando Xavier Calmet y Folkert Kuipers, ambos de la Universidad de Sussex en el Reino Unido, examinaron unas ecuaciones que determinaban la energía disponible para los agujeros negros.

Entonces se dieron cuenta de que algo no cuadraba: había un factor en la ecuación que solo podía corresponder a la presión procedente de un agujero negro.

Según los investigadores, los cálculos de la influencia de la mecánica cuántica sobre la gravedad en la periferia de los agujeros negros indican que estas regiones podrían estar sometidas a esta presión cuántica.

Eso significa que el agujero negro no solo emite radiación térmica, como había sugerido Hawking, sino que también ejerce una presión asociada sobre su entorno, todo ello como resultado de procesos cuánticos que suceden en su interior.

Calmet destaca al respecto en un comunicado que, en el interior de los agujeros negros, dominados por la gravedad, puede haber una singularidad en la que las leyes de la física se diluyen.

Escondite de la gravedad cuántica

Ese es el momento en el que la gravedad y la dinámica cuántica aparentemente conviven en armonía: la gravedad cuántica estaría escondida en lo más profundo de los agujeros negros y ejercería presión sobre su entorno.

Por este motivo, ambos investigadores creen que los agujeros negros son ideales para estudiar la unificación de la teoría de la gravedad, la relatividad general y la física cuántica, e incluso para determinar la teoría de la gravedad cuántica, según la cual el espacio está compuesto por átomos todavía desconocidos.

Un problema fundamental de todas las aproximaciones a la Gravedad Cuántica radica en conciliar las escalas del espacio atómico con las dimensiones del Universo.

El reto consiste en describir cómo evoluciona el espacio del Universo a partir de las partículas elementales. La nueva investigación sugiere que los agujeros negros pueden tal vez aclararnos ese misterio.

Pasos adelante

En esa línea ya se está trabajando desde diferentes frentes, con el objetivo de alcanzar una teoría cuántica de la gravitación que no contradiga la relatividad de los objetos macroscópicos, ni tampoco los comportamientos cuánticos de las partículas elementales.

El punto de partida son ciertos efectos cuánticos asociados con los agujeros negros, que indican una analogía entre las leyes de la termodinámica y algunas de las propiedades de estas regiones misteriosas del espacio.

Una de las hipótesis con la que se trabaja desde hace al menos una década es que, tanto la gravedad como el propio espacio-tiempo, pueden surgir del entrelazamiento cuántico, esa extraña propiedad de las partículas elementales que les permiten compartir información instantáneamente, aunque estén muy separadas entre sí.

La profesora de la Universidad de Stanford, Monika Schleier-Smith, espera producir en su laboratorio de Palo Alto, gracias al entrelazamiento cuántico, algo que se vea y actúe como el espacio-tiempo predicho por la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, informa Quanta.

¿Última frontera?

Su propósito es construir un simulador cuántico hecho de átomos enfriados con láser para simular lo que sucede con la información cuántica dentro de los agujeros negros y descubrir, eventualmente, el escondite de la gravedad cuántica.

Su trabajo tal vez se convierta también en la puerta para comprobar otra suposición que obsesiona a los físicos: que el espacio-tiempo no es el nivel último de la naturaleza, sino que surge de algún mecanismo subyacente que no es espacial ni temporal, del que los agujeros negros podrían tener la respuesta… en un laboratorio.