Agujeros negros y los viajes en el tiempo

Agujeros negros y los viajes en el tiempo
Agujeros negros y los viajes en el tiempo

¿Podremos viajar en el tiempo en base a los agujeros negros y desafiar el concepto actual del espacio-tiempo definido por la Relatividad de Einstein?

Es una respuesta que tiene un montón de variantes y que pasa por la clave de definir como la energía oscura que hasta ahora no tiene un origen definido, la cual es asociada a los agujeros negros causa el constante y acelerado crecimiento del universo.

¿Podrá esta nueva teoría cuántica desafiar y cambiar lo definido con tan semejante precisión por Einstein?


Einstein definió en su Ley de la Relatividad General (1915) el horizonte de sucesos, como la superficie separada de la región que pertenece al agujero negro del resto del universo, la cual es insustancial. Esto significa que al atravesar esta frontera, nada puede regresar atrás puesto que sería abstraído por el enorme campo gravitacional del agujero negro.

Sin embargo Niayesh Afshordi astrofísico y profesor de la Universidad de Waterloo, probablemente tiene otra visión distinta que rompe directamente con la relatividad y en la cual plantea de que los agujeros negros se establecen sobre un campo de largo alcance que simulan la energía oscura. El campo sale del agujero negro, lo cual plantearía que según los cálculos del astrofísico debería haber la misma cantidad de energía saliendo de los agujeros negros que la requierida por el universo para seguir su expansión.

explosiones de Supernova y la formación de Agujeros negros
Desde las explosiones de Supernova, y la formación de galaxias los Agujeros negros han jugado un papel fundamental en su expansión, aunque dicha colaboración no ha sido resuelta satsifactoriamente. Cortesía: (NASA/ESA), and Y.-H. Chu (Academia Sinica, Taipei)

Este planteamiento deja algunos físicos estupefactos e incrédulos, y con toda razón puesto que reforma completamente la concepción del espacio-tiempo presente en el horizonte de sucesos del agujero. Pero Afshordi puede tener un “as bajo la manga”, y es la demostración experimental de su teoría. En 2015 cuando se encontraba de guardia vigilando el observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (LIGO por sus siglas en inglés) observó un suceso que puede cambiar la historia de la física cuántica.

Tenía una crisis existencial en ese momento, pensé que todos los problemas de la cosmología se habían resuelto en ese momento” afirma Afshordi. El acontecimiento que sucedió fue que por primera vez los dos detectores de ondas gravitacionales del LIGO recibieron señales provenientes de dos agujeros negros que se encontraban en su órbita final lo que produjo que los mismos sufran coalescencia uniéndose en un solo anillo.

Este descubrimiento sería el eslabón perdido en la búsqueda de la interrelación de las teorías cuánticas y la física relativista.

Aunque con estas pocas señales solo es posible establecer aproximaciones vagas, entre 9 a 240 agujeros negros sufren coalescencia en un volumen de un gigaparsec cúbico, lo que representaría un billón de veces el volumen de la Vía Láctea. Esto trae como consecuencia de que el horizonte de eventos tenga una percepción distinta a la que actualmente tenemos, provocando que la energía verdaderamente si salga de los agujeros negros desafiando abiertamente el espacio-tiempo. Este descubrimiento sería el eslabón perdido en la búsqueda de la interrelación de las teorías cuánticas y la física relativista.

coalescencia de dos agujeros negros
Simulación artística de la coalescencia de dos agujeros negros, evento detectado por LIGO en 2015 y que generó ondas gravitacionales remanentes de un origen aproximado de 1.3 billones de años atrás Cortesía: LIGO and SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project

Contradicciones a la reformación del espacio-tiempo


Muchos físicos están maravillados con este nuevo descubrimiento que parcialmente podría confirmar las afirmaciones teóricas hechas por Afshordi con respecto a los ecos de los agujeros negros, pero al mismo tiempo piden cautela, ya que afirman requerir una mayor cantidad de datos que logre unificar los criterios de la Relatividad General y las teorías cuánticas de Campo.

Ofek Birnholtz, que también forma parte del grupo de colaboradores de LIGO y es físico del Instituto Max Planck en Alemania afirma lo siguiente: “La afirmación es sorprendente… Pero tengo una fuerte intuición, se trabaja con datos LIGO, que no tienen la amplitud suficientemente grande como para reclamar un cambio en esta etapa”.

El campo de la cosmología y la astronomía de ondas gravitacionales es un campo que se encuentra en su infancia.

Alek Nielsen otro colaborador LIGO menciona: “Como miembros de la colaboración LIGO, tenemos que tener mucho cuidado con lo que las declaraciones que hacemos en público, ya que para tener la colaboración deseada, necesitamos primero aprobación de aquellos que nos la pueden prestar”. Y es que inmediatamente surgen variables y suposiciones entre las cuales se encuentran las reversibilidades en el tiempo.

Ante esto Birnholtz continúa diciendo: “El campo de la cosmología y la astronomía de ondas gravitacionales es un campo que se encuentra en su infancia. Esa es la física que nadie se imagina… Muchos de los investigadores de este campo al hacerse público el descubrimiento (de la captación de las ondas gravitacionales) comienzan a regresar porque sienten que la llama ha vuelto a crecer”.

Han surgido preguntas por responder entre los cosmólogos acerca de la variación cuántica en el horizonte de sucesos como:

  • ¿Qué tipo de agujeros negros o sistemas estelares compactos existen?
  • ¿Qué implicaciones traerá la generación de antimateria en la creación del universo?
  • ¿Qué revelan las ondas gravitacionales acerca del origen del tiempo?
  • ¿Pueden ser predichas los eventos de coalescencia de agujeros negros con los cálculos actuales?

    Equipos tecnológicos usados en LiIGO
    LIGO utiliza sensores espectrométricos de alta tecnología que pueden medir ondas gravitacionales inferiores a los 5 Sigma. Cortesía LIGO Lab

Interrelación del espacio-tiempo con la teoría cuántica: Lo que los cálculos no han podido predecir


En 1973 Stephen Hawking postuló un principio según el cual los Agujeros Negros si podían emitir partículas, lo que fue conocido como la Radiación de Hawking. Este trabajo postula  que en el límite del horizonte de sucesos un par partícula-antipartícula proveniente del interior del agujero negro tiene una probabilidad no-nula de escapar del mismo y por lo tanto convertirse en energía proveniente del agujero negro.

Conceptualización de Pulsares binarios
Son estrellas altamente magnetizadas que emiten ondas radiales que llegan a la tierra en forma de un haz de ondas, y que son medidas en periodos de pulsos. Cortesía: Emilio Silvera Vazquez.

Esto trae como consecuencia de que el agujero negro perdería energía para compensar la creación del par partícula-antipartícula que se generó en su seno. Por lo tanto un agujero negro de tamaño subatómico desaparecería casi instantáneamente. Este es un punto en donde la teoría relativista de Einstein y la física cuántica pueden encontrar en común, ya que las disminuciones de masa en el agujero negro  producidas por este hecho serían infinitesimalmente pequeñas con relación al tiempo que serían prácticamente provenientes de épocas inmediatamente superiores al Big Bang.

Ahora bien, las contradicciones entre ambas teorías se hacen presentes y en mayor importancia que los puntos que ambas tienen en común. Si se aplicaran juntas para estudiar la región cercana al horizonte de Sucesos ambas caerían en un vacío existencial que no resolvería la una a la otra. Si observamos la radiación de Hawking, claramente hay una escapatoria de la masa del interior del agujero negro, pero si nos regimos por la Relatividad general que fue la base de los estudios de Hawking estas partículas no llevan ningún tipo de información acerca del origen del Agujero Negro.

Es más, en caso de la evaporación de un agujero negro, toda esa información desaparecería inmediatamente. Allí es donde la teoría cuántica refuta esa afirmación ya que bajo sus parámetros estadísticos, la información siempre se conserva, aunque para que eso suceda quizás conlleve a una reformulación de la relatividad general.

Las ondas gravitacionales permiten que haya una expansión y contracción constantes de este espacio en direcciones ortogonales.

Einstein predijo que el espacio-tiempo es dinámico, ya que el mismo puede sufrir curvatura en respuestas a las ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales permiten que haya una expansión y contracción constantes de este espacio en direcciones ortogonales. Esta afirmación fue la que demostró que la disminución de energía y una subsecuente disminución del periodo orbital de un pulsar binario eran provocadas por la acción de las ondas gravitacionales lo que llevó a Hulse y Taylor a ganar el premio Nobel de la Física en 1993.

Hasta 2015 no había prueba alguna de la presencia de las ondas gravitacionales hasta la detección realizada por LIGO, que fue el punto de partida de investigadores que como Afshordi dieran a conocer sus investigaciones. De hecho, este físico basó gran parte de sus predicciones a partir de la investigación realizada por el físico Portugués Vítor Cardoso junto a sus colaboradores, en la cual plantea en que hay objetos compactos que al fusionarse pueden crear ondas gravitacionales muy similares a las producidas por los Agujeros Negros.

Por lo tanto para ser preciso en sus cálculos Afshordi, utilizó uno de los preceptos de Cardoso en donde se afirma que para identificar las señales correctas se debe utilizar observaciones de precisión como la señal de tiempo tardío, donde las diferencias en el espectro del modo quasi-normal aparecen, en forma de pulsares, para descartar alternativas exóticas a los agujeros negros y probar los efectos cuánticos en la escala del horizonte. Haciendo esta adaptación Afshordi podrá calcular los tiempos de formación del agujero Negro como función de la masa del mismo con bastante predicción

¿Podremos viajar en el tiempo, si es demostrable la reversibilidad de las partículas del agujero negro?


En este tema influye, bastante la posible reversibilidad de los agujeros negros a través de la fuerza de las ondas gravitacionales. El saber el origen de los mismos quizás pueda ayudar a resolver uno de los enigmas del pensamiento humano: ¿Podremos viajar en el tiempo?

A lo largo del tiempo este tema ha traído bastante discusiones entre físicos brillantes e incluso ha sido motivo de brillantes adaptaciones cinematográficas, entre las cuales se destaca la trilogía de Back to the Future en donde se disfrutaba con las vicisitudes que sufrían Marty McFly y Dr. Emmett L. Brown durante sus viajes a distintas épocas del tiempo usando como máquina del Tiempo un DeLorean gris.

los viajes al futuro
Marty McFly durante su viaje a distintas épocas del tiempo usando como máquina del Tiempo un DeLorean gris.

Pues por ahora, esto es solo ciencia ficción y en un libro desarrollado por Richard M. Müller , quien es profesor emérito de la Universidad de Berkeley, que lleva por nombre: La Física del Tiempo, el mismo hace una analogía bastante acertada y comprensible acerca de todo lo que involucra el tiempo por si mismo  y del porque no sería posible movernos entre épocas temporales.

Müller afirma, que históricamente hemos tenido concepciones erróneas acerca de lo que significa el tiempo, y que eso “ha impedido” que comprendamos correctamente el universo.  “El nuevo principio de la física es que el espacio y el tiempo están vinculados; cuando se crea un nuevo espacio, va a crear nuevo tiempo” explica Müller.

Entrevista al físico Richard M. Müller por parte de la Universidad de Berkeley.

Para hacer esta aseveración Müller se basó en la Ley Física que rige en la actualidad: la ya mencionada Teoría de la Relatividad de Albert Einstein. Se basa en la idea de un espacio-tiempo definido en cuatro dimensiones que está en constante expansión. Haciendo una analogía con una ola que se forma para llegar a la costa, la cresta de la misma es en donde nos encontramos, eso sería el “ahora”.

Según el profesor emérito no es posible viajar al futuro puesto que “no existe, se está creando… el límite del umbral del tiempo es el ahora”. De igual manera viajar al pasado sería bastante improbable puesto que requería una “disminución del espacio del universo, lo que ocurre cuando se evaporan agujeros negros o explotan estrellas, pero en proporción infinitesimal para ser considerada”. En palabras concretas, estas disminuciones locales son extremadamente pequeñas con respecto a la expansión constante del universo.

LIGO: Otra herramienta de apoyo para Müller en su investigación de las secuencias de tiempo


El también investigador Senior del Laboratorio de Berkeley apoyó su afirmación mediante cálculos basados en la detección realizada por LIGO que es la misma base los estudios de Afshordi en donde determinó que la progresión del tiempo se ve incrementada por la energía oscura proveniente de estos agujeros.

“La coalescencia de dos agujeros negros crea millones de millas cúbicas de espacio nuevo, lo que significa una creación de una sola vez de nuevo tiempo” continua diciendo Müller. Esto viene dado por la nueva región espacial formada por la unión de estos agujeros negros que por primera vez fue demostrada con las señales detectadas en el LIGO. Fueron señales provenientes de la coalescencia de dos agujeros negros que tenían aproximadamente 29 y 36 veces la masa del sol, lo que trae como producción un agujero negro final de un peso aproximado de 62 masas solares.

La creación de este nueva región espacial produce nuevo tiempo, estimado en alrededor de 1 milisegundo. Müller añade lo siguiente. “La idea de tiempo estudiado en sí no existía antes de Einstein. Einstein le dio a la física el regalo del tiempo”.

Müller concluye diciendo que su teoría solo puede incidir en la cosmología del universo (el estiramiento de las ondas de luz causados ​​por la expansión del espacio) y en las paradojas provenientes del pasado, prediciendo el futuro. “La creación del tiempo podrían ser perceptible durante la inflación cósmica rápida que tuvo lugar justo después del Big Bang, cuando el espacio y el tiempo se ampliaron mucho, mucho más rápido que en la actualidad”.

El profesor Müller explica algunos hechos importantes que se pueden encontrar en su libro Ahora: La Física del Tiempo con respecto a los viajes a través del tiempo.

Why does time advance?: Richard Muller's new theory

Los ecos del agujero negro: aún queda mucho por descubrirse

Si se logra confirmar la producción energética proveniente de los agujeros negros, estaríamos enfrentando una redefinición de la Relatividad General. Hoy por hoy es bastante improbable plantear dicho escenario pero Afshordi apenas comienza esta batalla y tiene varias ideas para mejorar su teoría. Quiere mejorar su modelo de fusiones de agujeros negros mediante el uso correcto de estimaciones numéricas que confirmen su predicción para luego más adelante ir a por un objetivo más ambicioso: la reformulación del espacio-tiempo en el horizonte de sucesos.

Quiero animar a la gente a mantener una mente abierta y no descartar ideas porque no coinciden con sus nociones preconcebidas

“Quiero animar a la gente a mantener una mente abierta y no descartar ideas porque no coinciden con sus nociones preconcebidas” concluye Afshordi. La cosmología por fin puede dar pasos firmes en el desarrollo de teoría que vayan más allá de la relatividad y de los límites mismos de la física.

Vídeo educacional acerca de cómo funcionan las ondas gravitacionales y sus implicaciones en la mecánica relativista.

Gravitational Waves: A New Era of Astronomy Begins

Los viajes en el tiempo hoy en dia son  utópicos, los cálculos y las ecuaciones de Einstein resueltas por parte de algunos de los físicos más brillantes de nuestra época reafirman tal utopía. Pero con LIGO y la naciente corriente de físicos que se interesa en el estudio de las ondas gravitacionales podremos estar en frente de nuevas formas de estudio del universo, que quizás anularán muchas de las ideas y leyes ya preconcebidas, y que por qué no, resuelvan un misterio enigmático de la humanidad como lo es el desplazamiento en esa variable o magnitud física conocida como tiempo.

Por  Wilmer J. Villegas R

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