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Ciencia

Para adiestrar agujeros negros

Físicos de Río de Janeiro proponen un experimento que puede ayudar a revisar las leyes básicas del universo

Ya está lista la receta para crear en laboratorio una de las más fascinantes estructuras cósmicas: los agujeros negros, masas compactas gigantescas, provenientes del colapso de estrellas, con una atracción gravitacional tan intensa que absorbe todo a su alrededor, incluso la luz. Con materiales relativamente sencillos -una especie de generador de Van de Graaff, un dispositivo generador de energía estática que cuando es tocado deja los cabellos erizados, y un tipo especial de plástico capaz de reflejar la luz-, físicos del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF, sigla en portugués), de Río de Janeiro, aseguran que los agujeros negros, de acuerdo con una propuesta que ellos mismos elaboraron, pueden ser domesticados.

No para absorber materia, sino para aprisionar luz y, por analogía, para contribuir a un entendimiento más detallado acerca de cómo funcionan cuerpos cósmicos similares, cuyas propiedades se tornan aún más difíciles de estudiar a causa de la distancia a la cual se encuentran -el agujero negro real más cercano estaría en el centro de la Vía Láctea, a alrededor de 30 mil años luz de la Tierra.

La perspectiva de hacer que los agujeros negros se vuelvan tan amigables como un coche moderno constituye una manera de revisar las leyes de la física. Los procesos que ocurren en el interior de esas estructuras son ejemplos extremos de las interacciones entre partículas elementales, prácticamente imposibles de ser visualizados en los aceleradores de partículas, en los cuales la atracción gravitacional entre las partículas es despreciable. De allí se explica la carrera mundial para ver quién adiestra primero a los agujero negros, y la estimación indica que los resultados experimentales surgirían en un plazo máximo de cinco años.

En enero, el físico Ulf Leonhardt, de la Universidad de Saint Andrews, Reino Unido, divulgó en Nature su propuesta para la creación de un agujero negro artificial, fundamentada en la llamada catástrofe cuántica, una forma de dispersión de la luz que explica los fenómenos más triviales, como el arco iris. En una propuesta todavía más reciente, publicada electrónicamente en mayo, William Unruh, de la Universidad de Columbia Británica, Canadá, mostró cómo hacer agujeros negros sonoros, capaces de aspirar ondas sonoras, que también mostrarían el poder de esos objetos cósmicos.

Pero hace case cuatro años, en noviembre de 1998, dos brasileños, Mario Novello y José Salim, del Laboratorio de Cosmología y Física Experimental de Altas Energías (Lafex) del CBPF, publicaban en Physical Review D una propuesta de creación de agujeros negros artificiales del tipo electromagnético y no gravitacionales, capaces de absorber fotones -partículas de luz- próximos. En 2000, la receta de los brasileños fue detallada en otro artículo en Physical Review D -y hay otro artículo en vías de publicación, escrito en conjunto con investigadores de la Universidad Federal de Itajubá, Minas Gerais.

Propuestas distintas
“Las investigaciones de Novello complementan mi trabajo y se encajan a la perfección en la excitante área de estudios de los agujeros negros artificiales”, afirma Leonhardt. El investigador sueco estuvo en un seminario realizado en el CBPF en octubre de 2000, y presenció una conferencia de Novello sobre los efectos del vacío cuántico sobre el campo electromagnético, que fue decisiva para su propio trabajo. El vacío cuántico, lejos de representar un simple vacío, es un espacio en el que las partículas subatómicas entran en colisión, y aparecen y desaparecen a cada momento. Según Novello, los lenguajes adoptados en ambos abordajes son distintos: el sueco es un físico del estado cuántico de la materia, y se preocupa con el comportamiento detallado de las estructuras atómicas, mientras que los brasileños se abocan al estudio del comportamiento de los fotones en el vacío cuántico.

El experimento de Leonhardt implica el uso de un gas ultrafrío o cristal, que puede volverse transparente, de acuerdo con el tipo de luz que se lanza sobre él -es aquello que se denomina transparencia electromagnéticamente inducida. Lanzando sobre ese material cantidades diferentes de luz, es posible crear una región no transparente en la parte central y regiones más transparentes en los extremos. Otro rayo de luz, al incidir por dentro del material, se propagará y reducirá su velocidad, hasta detenerse completamente cuando la materia ya esté opaca. Esa región simula, en términos electromagnéticos, el efecto del horizonte de eventos, el límite de un agujero negro, sobre el rayo de luz.

“Prefiero el lenguaje de la estructura de espacio-tiempo, que permite una reformulación más profunda que la mera trivialidad del proceso de construcción de un agujero negro”, afirma Novello. El espacio-tiempo es, esencialmente, el medio en el que se producen los eventos, más allá de constituir uno de los conceptos claves de la Teoría de la Relatividad Especial, formulada por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955) a comienzos del siglo pasado. Al seguir por esa senda, el grupo del CBPF indaga sobre los fundamentos de la teoría de la gravitación en sus aspectos geométricos, no tocados durante un siglo.

En el proyecto de un agujero negro, el equipo del CBPF explora las consecuencias de las investigaciones sobre propagación de las ondas luminosas realizadas por otro físico alemán, Werner Heisenberg (1901-1976), en la década de 60. Normalmente, los fotones se propagan de una manera lineal, sin depender de los medios que atraviesan, de acuerdo con los caminos definidos por las leyes de la gravitación universal, que valen para cualquier cuerpo en el universo, desde las partículas atómicas hasta las estrellas.

Comportamiento anormal
Pero los estudios de Heisenberg indicaron que, como consecuencia de las oscilaciones del vacío cuántico, cuando varían la energía y otras propiedades de un campo eléctrico, en un intervalo de tiempo muy pequeño, los fotones se comportan de manera diferente: actúan sobre el medio que atraviesan y lo modifican; como contrapartida, el medio actúa sobre el fotón, en una especie de interacción. Es el llamado comportamiento no lineal, por medio del cual las partículas de luz detectan una especie de relieve adicional en el terreno, denominada métrica efectiva, y distinguen ese relieve adicional del relieve de la gravitación, definida como una curvatura del espacio en la Teoría de la Relatividad.

“Al margen de la curvatura del espacio provocada por la atracción gravitacional, que sigue leyes universales, los fotones perciben una curvatura adicional, suscitando una nueva geometría del mundo, complementaria a la descrita por Einstein”, aclara Novello. “Esa curvatura adicional del espacio solamente es sentida por los fotones, para los cuales todo ocurre como si el espacio-tiempo no fuera el mismo. Y allí reside el salto de los investigadores brasileños: “Si los fotones en situaciones no lineales llevan a una modificación adicional de la geometría del mundo, es probable que una de esas modificaciones imite a un agujero negro”. A partir de esa conclusión, bastaría simular en el laboratorio las situaciones en las cuales los fotones se comportan de forma anómala -o no lineal, como dicen los físicos- y, si todo va bien, se llegará a algo parecido a un agujero negro.

Una de las formas de observar la conducta excepcional de los fotones sería por medio de un aparato experimental con un fluido dieléctrico -así llamado por ser capaz de modificar la trayectoria de la luz. La propia agua consigue desviar la luz: un cuchillo en un vaso de agua parece doblado porque la propagación de fotones en el aire y en el agua se da de manera diferente. Pero tanto en el agua como en el vidrio y en los cristales orgánicos, que también tienen esa propiedad, la intensidad de su acción no depende del valor del campo eléctrico al cual están sometidos.

Revisando a Einstein
El experimento presupone diferentemente un fluido dieléctrico cuya respuesta varíe de acuerdo con la intensidad del campo eléctrico aplicado -por esa razón es llamado del tipo no lineal. Ese líquido viscoso -una solución con polímeros polarizados (moléculas con dos polos, uno negativo y otro positivo)- hace lo mismo que hace el agua hace con el cuchillo, pero con la luz. Aún es incierto el costo del prototipo que se pretende construir -depende de las características de los materiales, que deben a su vez ser definidos por otro grupo de físicos, los experimentalistas.

Los físicos de Río de Janeiro están convencidos de que la empresa vale la pena, porque con ella se podría cuestionar efectivamente los supuestos de la Teoría de la Relatividad propuestos por Einstein. Para el científico alemán, el universo es un modelo de espacio curvo, y la curvatura es provocada por la masa de los astros. Es como si agarráramos un pedazo de espuma de goma bien blanda, que representara al universo, y en su centro colocásemos una bola de plomo, que sería el Sol.

El peso de la bola hace que la espuma se hunda y forme una depresión a su alrededor. Se toma entonces una bola menor, que simboliza a la Tierra. Si se la lanza en dirección hacia la bola de plomo, a partir de una cierta distancia, ésta se va a desplazar alrededor de la bola de plomo siguiendo la línea de la depresión por ella provocada. Para Einstein, esa curvatura del espacio explica la acción de la gravedad. Para los físicos que pretenden construir un agujero negro, pueden existir muchas otras sutilezas en el universo.

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