La esquiva radiación de Hawking se puede estudiar imitándola en el laboratorio mediante agujeros negros sintéticos. Son útiles para sistemas electrónicos sintonizables, cadenas de espín, átomos ultrafríos o experimentos ópticos. Nos acercan a la comprensión de la interacción entre la gravedad y la mecánica cuántica, así como a la gravedad cuántica.
Los agujeros negros son los objetos más extremos del universo, acumulando tanta masa en tan poco espacio que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitatoria una vez que se acerca lo suficiente.
Comprender los agujeros negros es clave para desentrañar las leyes más fundamentales que rigen el cosmos, porque representan los límites de dos de las teorías de la física mejor probadas: la teoría de la Relatividad General, que describe la gravedad como resultado de la deformación (a gran escala) del espacio-tiempo por objetos masivos; y la teoría de la Mecánica Cuántica, que describe la física en las escalas de longitud más pequeñas.
Para describir completamente los agujeros negros, necesitaríamos unir estas dos teorías y formar una teoría de la gravedad cuántica.
Agujeros negros radiantes
Para lograr este objetivo, necesitamos ver qué logra escapar de los agujeros negros, en lugar de qué se traga: el horizonte de eventos es un límite intangible alrededor de cada agujero negro, más allá del cual no hay forma de salir.
Sin embargo, Stephen Hawking descubrió que cada agujero negro debe emitir una pequeña cantidad de radiación térmica debido a las pequeñas fluctuaciones cuánticas alrededor de su horizonte.
Desafortunadamente, esta radiación nunca ha sido detectada directamente. Se considera que la cantidad de radiación de Hawking procedente de cada agujero negro es tan pequeña que es imposible detectarla (con la tecnología actual) entre la radiación procedente de todos los demás objetos cósmicos.
Ahora bien, ¿podríamos estudiar el mecanismo subyacente a la aparición de la radiación de Hawking aquí mismo en la Tierra? Esto es lo que los investigadores de la Universidad de Amsterdam y IFW Dresden se propusieron investigar. Y la respuesta es un emocionante “sí, se puede”.
Para hacer un agujero negro sintético, simplemente tomamos una cadena de átomos (verde) y cambiamos la facilidad con la que un electrón salta entre cada sitio atómico, representado aquí por el color y el ancho de los enlaces interatómicos azules. La fuerza de enlace variada en la cadena inferior imita la deformación del espacio-tiempo en presencia de un agujero negro. / Universidad de Amsterdam.
Agujeros negros sintéticos
“Queríamos utilizar las poderosas herramientas de la física de la materia condensada para probar la física inalcanzable de estos objetos increíbles: los agujeros negros”, dice la autora principal de esta investigación, Lotte Mertens.
Para ello, los investigadores estudiaron un modelo basado en una cadena unidimensional de átomos, en la que los electrones pueden «saltar» de un sitio atómico al siguiente.
Y descubrieron que la deformación del espacio-tiempo debido a la presencia de un agujero negro se imita ajustando la facilidad con la que los electrones pueden saltar entre cada sitio.
También apreciaron que, con la variación correcta de la probabilidad de salto a lo largo de la cadena, un electrón que se mueve de un extremo de la cadena al otro se comportará exactamente como una pieza de materia que se acerca al horizonte de un agujero negro.
Y, por último, observaron que, de manera análoga a la radiación de Hawking, el sistema modelo tiene excitaciones térmicas medibles en presencia de un horizonte sintético.
Aprender por analogía
A pesar de la falta de gravedad real en el sistema modelo, la consideración de este horizonte sintético brinda información importante sobre la física de los agujeros negros.
Varios temas destacan al respecto. Por ejemplo, aunque la radiación de Hawking simulada sea térmica, lo que significa que el sistema parece tener una temperatura fija, no se descarta que la radiación de Hawking real también pueda ser puramente térmica también en ciertas situaciones, lo que establece un paralelismo importante entre el agujero negro real y el sintético.
El agujero negro sintético desvela también que la aparición de la radiación de Hawking necesita un cambio en la deformación del espacio-tiempo, o un cambio en la forma en que un observador que busca la radiación percibe esta deformación.
Por último, sugiere que la radiación de Hawking requiere que alguna parte de la cadena exista más allá del horizonte sintético. Esto significa que la existencia de la radiación térmica está íntimamente relacionada con la propiedad de la mecánica cuántica del entrelazamiento cuántico entre objetos a ambos lados del horizonte.
Aplicaciones interesantes
Debido a que el modelo de agujero negro sintético es simple, se puede implementar en una variedad de configuraciones experimentales, destacan los investigadores.
Esto podría incluir sistemas electrónicos sintonizables, cadenas de espín, átomos ultrafríos o experimentos ópticos.
Llevar los agujeros negros al laboratorio puede acercarnos un paso más a la comprensión de la interacción entre la gravedad y la mecánica cuántica, y en nuestro camino hacia una teoría de la gravedad cuántica, concluyen los investigadores.
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