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La radiación de Hawking

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La idea de que los agujeros negros absorben todo el material que encuentran a su paso en el Universo y que ni siquiera la luz puede escapar de ellos, es bien sabida por todos, sin embargo en la actualidad existe una teoría  que plantea, que también tienen la función de radiación  de energía.

La investigación de los agujeros negros

El concepto de agujeros negros se remonta al año 1783, cuando John Michell llegó a sostener que podrían existir estrellas con masa mayor que la del sol y cuyas velocidades de escape podrían ser mayores que la de la luz.  Este tipo de estrellas no podrían ser vistas porque la gravedad de su masa frenaría la luz, a las cuales Michell les llamó estrella negras .

Llevado por el trabajo de Robert Oppenheimer en 1939, sobre el colapso gravitacional de una estrella Wheeler, trabajó en solitario en 1969 denominándoles agujeros negros.

A pesar que la teoría de la relatividad general predecía la existencia de estos objetos, Albert Einstein nunca se tomó en serio este pensamiento, siendo que estaba involucrado en sus propios conceptos, incluso aquellos que llegaron a creer en la existencia de tales o cuales objetos, se limitaban solo a pensar que ellos  atrapaban  lo que encontraban en su camino.

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El descubrimiento de Stephen Hawking

Sólo un hombre estaba dispuesto a llegar más allá del argumento original, Stephen William Hawking, el descubridor de la radiación de los agujeros negros, que hoy lleva su nombre “radiación de Hawking”.

Este gran científico concluyó que el horizonte de sucesos de un agujero negro corresponde a los caminos de los rayos luminosos que permanecen orbitándolo, es decir no pueden entrar, ni escapar del mismo. El área de un agujero negro está conformada por todo estos caminos. Hawking se dio cuenta que el área de estos objetos se parecía a una propiedad termodinámica llamada entropía (desorden).

La segunda ley termodinámica establece que un proceso natural que empiece en un estado de equilibrio térmico y termine en otro  ocurre, siempre y cuando, la entropía del sistema y la del medio ambiente aumenten. En este caso el agujero negro corresponde al sistema y el medio al espacio circundante, además la termodinámica expresa que cuando dos o más sistemas con cierto grado de entropía se unen, la entropía resultante será siempre mayor o igual que la entropía de los sistemas individuales; así el área del horizonte de sucesos de un agujero negro es su entropía, la cual nunca disminuye.

Si un objeto tiene entropía debe tener temperatura y todo cuerpo con temperatura debe radiar energía, evitando así una violación a un principio termodinámico, sin embargo queda abierta la pregunta: ¿cómo es que un agujero negro emite energía?,  si se supone que su gravedad no les permite dejar escapar ni siquiera la luz.

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El principio de incertidumbre

Hawking se valió de la mecánica cuántica para explicar este fenómeno utilizando el principio de incertidumbre, según el cual,  posición y velocidad son dos cantidades que no pueden conocerse simultáneamente con exactitud. Así el espacio que rodea el agujero negro no puede estar vacío, ya que atendiendo al estado fundamental o energía del punto cero (estado de energía más bajo), hasta en el vacío aparente deben haber ciertas fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético. Como el valor del campo corresponde a su posición y su cambio respecto del tiempo es la velocidad, ambos valores no pueden tener un valor cero, porque significaría que serían conocidos con precisión al mismo tiempo, lo cual sería una violación del principio de incertidumbre.

La conclusión a la que llegó Hawking fue que la materia toma prestada energía del espacio creándose de la nada,  pares de partículas-antipartículas, estas, una vez creadas, se separan y se vuelven a juntar aniquilándose. Pero en muchos casos aparecen un par de partícula-antipartícula separándose y una de ellas cruza el horizonte de sucesos quedando atrapada en el agujero negro y su compañera, al quedar sola, tiene que buscar en el  infinito a su gemela para aniquilarse con ella. De esta manera alguien que pudiera observar el fenómeno a cierta distancia vería que el agujero negro emitió una partícula, la cual corresponde en cantidades infinitas a la radiación de Hawking.

Fuentes:

History of Time de Stephen W. Hawking.

El Universo en una cascara de Nuez de Stephen Hawking

Fisica - Resnick, Halliday, Krane - VOL 1.