Un grupo de científicos explicó por qué se comportan como «objetos termodinámicos».
El Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO), CONICET y el Centro Atómico de Bariloche de la Comisión Nacional de Energía Atómica, publicó con colegas de otros países un paper en el que proponen una solución al problema del origen microscópico de la entropía de agujeros negros. Los científicos explican por qué se comportan como objetos termodinámicos.
«Los agujeros negros son objetos astrofísicos de materia y energía que hacen curvar el espacio-tiempo de maneras extremas, fascinan en múltiples películas de ciencia ficción y han generado innumerables debates en la comunidad física», según indicó una nota de Laura García Oviedo, referente del Balseiro en el Área de Comunicación y Prensa.
El primer artículo se publicó el 1 de abril en la revista Physical Review Letters y será replicado en medios de comunicación del exterior. El equipo integrado por Javier Magán, un científico español que trabaja en el Instituto Balseiro, Conicet y el Centro Atómico de Bariloche, logró explicar y probar, a partir de un novedoso modelo teórico de microestados de agujeros negros, un famoso planteo realizado en 1970 por otros dos físicos, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking, sobre el comportamiento termodinámico y la entropía de los agujeros negros.
La entropía y sus microestados
En la nota, Laura García Oviedo precisó que «la termodinámica describe la dinámica energética de sistemas de muchos átomos, o subpartículas, a través de magnitudes macroscópicas, como la temperatura, la presión y la entropía». «Esta disciplina ayudó a comprender y desarrollar, por ejemplo, la máquina de vapor y los motores a combustión de las máquinas que transportan a personas en todo el mundo. Una de sus leyes, la segunda, plantea que la entropía termodinámica sólo puede crecer o permanecer constante», remarcó.
Asimismo, explicó: «La entropía tiene que ver con el grado de desorden de un sistema termodinámico. Cuanta mayor la cantidad de elementos, mayor la cantidad de potencial desorden y, por tanto, mayor la cantidad de entropía. Esto fue formulado por Ludwig Boltzmann, a fines del siglo XIX, quien vinculó la entropía termodinámica con el número de posibles estados o microestados de un sistema».
Bekenstein y Hawking se apoyaron en la teoría de la relatividad general y la física cuántica, y señalaron que «los agujeros negros siguen las leyes de la termodinámica y que, por tanto, tienen una entropía».
Sin embargo, detectaron que la entropía del agujero negro no es proporcional al volumen o al tamaño del objeto, como ocurre en todos los sistemas físicos conocidos, sino que en el caso de un agujero negro su entropía es proporcional a su área.
En el reciente paper, publicado en abril, Magán, y sus colegas Vijay Balasubramanian, Albion Lawrence y Martín Sasieta, que investigan en los Estados Unidos, lograron construir un modelo teórico de microestados de agujeros negros y probaron que el número de microestados es consistente con la fórmula de la entropía Bekenstein-Hawking.
«Los conjuntos construidos contienen infinitos microestados que describen la velocidad y la posición de un gas de partículas en el interior del agujero negro, y todos ellos tienen descripciones geométricas diferentes entre sí», contó el investigador del CONICET Javier Magán.
Y resaltó: «Nuestra construcción aplica a todo agujero negro y despeja las dudas que había acerca de la existencia de microestados con descripciones semiclásicas, geométricas, con horizontes de eventos y singularidades».
«El segundo aspecto novedoso de nuestro trabajo es la técnica para determinar la entropía del agujero negro, que está basada en la determinación del número de estados cuánticos independientes entre un conjunto dado. Esto se consigue gracias a la consideración y construcción de agujeros de gusano, que son túneles que proveen atajos entre diferentes regiones del espacio-tiempo, o que conectan incluso diferentes espacio-tiempos. Estos agujeros de gusano implican relaciones no triviales entre los infinitos microestados construidos», detalló Magán.
Además, resolvieron una conjetura sobre el tamaño del interior del agujero negro. «Leonard Susskind había conjeturado que había un límite superior al tamaño interior de un agujero negro, y que este límite estaba controlado por su entropía. En nuestra construcción, el problema de entender el origen estadístico de la entropía del agujero negro y el problema de demostrar el límite del tamaño interior del agujero se vuelven uno solo, y quedan resueltos a la vez gracias a la consideración de los agujeros de gusano», explicó Magán.
«Básicamente, microestados de agujeros negros con interiores suficientemente grandes, por encima del límite conjeturado, se pueden escribir como superposiciones cuánticas de microestados de agujeros negros con interiores más pequeños. Este fenómeno de superposición cuántica macroscópica es un aspecto bastante impactante de la dinámica de agujeros negros y de sus microestados», remarcó el físico, en diálogo con el Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro.
