Esta idea ingeniosa podría ayudarnos a entender la extraña física que reina en el interior de los agujeros negros
Al principio del tiempo y en el centro de cada agujero negro se encuentra un punto de densidad infinita llamado singularidad. Para explorar estos fenómenos enigmáticos, tomamos lo que sabemos sobre el espacio, el tiempo, la gravedad y la mecánica cuántica y lo aplicamos a una región donde todo esto simplemente se rompe. Quizás no haya nada en el universo que desafíe más la imaginación. Los físicos aún creen que si logran una explicación coherente de lo que realmente sucede dentro y alrededor de las singularidades, surgirá algo revelador, quizás una nueva comprensión de la composición del espacio y el tiempo.
A finales de la década de 1960, algunos físicos especularon que las singularidades podrían estar rodeadas por una región de caos agitado, donde el espacio y el tiempo crecen y se contraen aleatoriamente. Charles Misner, de la Universidad de Maryland, lo denominó «universo Mixmaster», en honor a lo que entonces era una popular línea de electrodomésticos de cocina. Si un astronauta cayera en un agujero negro, «uno puede imaginarse cómo se mezclarían las partes de su cuerpo de la misma manera que un batidor revuelve la yema y la clara de un huevo», escribió posteriormente Kip Thorne , físico ganador del Premio Nobel.
La teoría general de la relatividad de Einstein, que se utiliza para describir la gravedad de los agujeros negros, utiliza una única ecuación de campo para explicar cómo se curva el espacio y se mueve la materia. Sin embargo, dicha ecuación utiliza una abreviatura matemática llamada tensor para ocultar 16 ecuaciones distintas e interrelacionadas. Varios científicos, incluido Misner, habían ideado útiles supuestos simplificadores que les permitían explorar escenarios como el universo Mixmaster.
Sin estas suposiciones, la ecuación de Einstein no podía resolverse analíticamente, e incluso con ellas era demasiado compleja para las simulaciones numéricas de la época. Al igual que el aparato que les dio nombre, estas ideas pasaron de moda. “Se supone que esta dinámica es un fenómeno muy general de la gravedad», afirmó Gerben Oling , investigador postdoctoral de la Universidad de Edimburgo. «Pero es algo que se perdió en el mapa”.
En los últimos años, los físicos han estado reexaminando el caos en torno a las singularidades con nuevas herramientas matemáticas. Sus objetivos son dobles. Uno es demostrar que las aproximaciones de Misner y otros son válidas para la gravedad einsteiniana. El otro es acercarse a las singularidades con la esperanza de que sus extremos ayuden a reconciliar la relatividad general con la mecánica cuántica en una teoría de la gravedad cuántica, un objetivo que los físicos han perseguido durante más de un siglo. Como lo expresó Sean Hartnoll, de la Universidad de Cambridge: «Ha llegado el momento de que estas ideas se desarrollen plenamente».
Kip Thorne, ganador del Premio Nobel de Física 2017, habla durante la Cumbre Tencent Science WE el 3 de noviembre de 2024 en Chengdu, provincia de Sichuan, China.VCG / Getty Images
Así nació el caos Mixmaster
Thorne describió el final de los años 60 como una «época dorada» para la investigación de los agujeros negros. El término mismo apenas se había generalizado. En septiembre de 1969, durante una visita a Moscú, Thorne recibió un manuscrito de Evgeny Lifshitz, un destacado físico ucraniano. Junto con Vladimir Belinski e Isaak Khalatnikov, Lifschitz había encontrado una nueva solución a las ecuaciones de la gravedad de Einstein cerca de una singularidad, utilizando suposiciones que los tres habían ideado. Lifshitz temía que la censura soviética retrasara la publicación del resultado, ya que contradecía una prueba anterior de la que había sido coautor, por lo que le pidió a Thorne que lo compartiera en Occidente.
Los modelos anteriores de agujeros negros asumían simetrías perfectas que no se encuentran en la naturaleza, postulando, por ejemplo, que una estrella era una esfera perfecta antes de colapsar en un agujero negro, o que no tenía carga eléctrica neta. (Estas suposiciones permitieron que Karl Schwarzschild resolviera las ecuaciones de Einstein, en su forma más simple, poco después de que Einstein las publicara). La solución que encontraron Belinski, Khalatnikov y Lifschitz, conocida como la solución BKL por sus iniciales, describía lo que podría ocurrir en una situación desordenada y más realista en la que los agujeros negros se forman a partir de objetos de forma irregular. El resultado no fue una expansión uniforme del espacio y el tiempo en su interior, sino un mar turbulento de espacio y tiempo que se expande y se comprime en múltiples direcciones.
Thorne llevó el artículo clandestinamente a Estados Unidos y le envió una copia por correo a Misner. Throne sabía que él pensaba de forma similar. Resultó que Misner y el grupo soviético habían llegado independientemente a las mismas ideas, utilizando supuestos similares y técnicas diferentes. Es más, el grupo BKL «lo utilizó para resolver el mayor problema sin resolver de aquella época en la relatividad matemática», dijo Thorne, en relación con la existencia de lo que se conoce como una singularidad «genérica». Belinski, el último miembro superviviente del trío BKL, declaró recientemente en un correo electrónico que las vívidas descripciones de Misner le ayudaron a visualizar la situación caótica cerca de las singularidades que ambos revelaron.