Las leyes de los agujeros negros de Stephen Hawking reciben una actualización revolucionaria

Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania propusieron un nuevo enfoque para describir los agujeros negros, superando una limitación importante de una de las ideas más influyentes de Stephen Hawking. Esta investigación introduce un marco actualizado de la termodinámica de los agujeros negros que funciona incluso cuando estos objetos cósmicos están en constante cambio, lo que podría ofrecer nuevas perspectivas sobre cómo se forman, fusionan y eventualmente se evaporan.

Los agujeros negros son algunos de los objetos más extremos del universo conocido. Comprimen enormes cantidades de masa en una región increíblemente pequeña, creando una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Para comprender estos objetos cósmicos, los físicos se apoyan en la teoría de la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica.

En la década de 1970, Hawking y otros investigadores descubrieron conexiones sorprendentes entre las leyes de la termodinámica, que describen procesos familiares como calentar agua en una olla, y el comportamiento de los agujeros negros.

El profesor Abhay Ashtekar, profesor emérito de física y líder del equipo de investigación, destacó que "las leyes de la mecánica de agujeros negros proporcionaron una conexión satisfactoria entre la física extrema y la física ordinaria y han sido el paradigma durante 50 años, pero tienen una limitación seria". Esta limitación radica en que fueron formuladas para agujeros negros en equilibrio, que no cambian con el tiempo, mientras que los agujeros negros están en constante cambio: se forman, fusionan y eventualmente se evaporan.

El equipo de Ashtekar propuso un nuevo método para determinar la entropía de un agujero negro, que mide el desorden y, según la segunda ley de la termodinámica, nunca puede disminuir. Sus hallazgos, publicados en Physical Review Letters, introducen una medida de entropía que está más estrechamente relacionada con el giro y la energía de un agujero negro, lo que podría mejorar la comprensión de eventos dinámicos como las fusiones y la evaporación de agujeros negros.

Por qué se necesitaba una actualización del marco de Hawking

El estudiante de posgrado en física Daniel E. Paraizo explicó que "las leyes de la mecánica de agujeros negros provienen directamente de las ecuaciones de Einstein. Debido a que no se puede ver dentro de un agujero negro, parecía que podría haber un número infinito de formas de crear un agujero negro, lo que hacía que su entropía fuera infinita también. También se pensaba que solo absorbían energía y nunca irradiaban, por lo que su temperatura era cero".

Inicialmente, esas ideas hacían que los agujeros negros parecieran incompatibles con las leyes familiares de la termodinámica, ya que parecían tener entropía infinita y sin temperatura. Sin embargo, Hawking cambió esa perspectiva al utilizar la mecánica cuántica para demostrar que los agujeros negros pueden emitir partículas y energía.

Este cambio transformó el pensamiento sobre las propiedades termodinámicas de los agujeros negros, de un concepto matemático descrito por ecuaciones a una realidad física más tangible. Paraizo agregó que "esto abrió la puerta a encontrar analogías en los agujeros negros de entropía y temperatura usadas en termodinámica".

Según los investigadores, el problema con el enfoque de Hawking es que solo funciona cuando un agujero negro está en equilibrio. El estudiante de posgrado en física Jonathan Shu destacó que "las analogías solo funcionan realmente para un agujero negro que está en equilibrio. En situaciones dinámicas, los horizontes de eventos pueden formarse y crecer en lo que llamamos regiones planas del espacio-tiempo, donde no está sucediendo nada".

Para abordar esta limitación, el equipo reemplazó el horizonte de eventos tradicional por lo que los físicos llaman un "horizonte dinámico", un concepto que ya se utiliza en simulaciones computacionales de agujeros negros. A diferencia de un horizonte de eventos, un horizonte dinámico se define por las propiedades del agujero negro en un momento específico en el tiempo, evitando las complicaciones que surgen al depender de eventos futuros.

El profesor Ashtekar concluyó que "esto nos permite extender las primeras y segundas leyes de la termodinámica a agujeros negros que no están en equilibrio, superando así las limitaciones del paradigma que se ha utilizado durante más de medio siglo". Los investigadores esperan que este nuevo marco ayude a comprender mejor los agujeros negros en el contexto de la teoría cuántica y las fusiones de agujeros negros, como las detectadas por la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA mediante ondas gravitacionales.

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