La ‘inobservable’ radiación de Hawking se hace evidente en laboratorio

La teoría de la radiación de Hawking ha sido probada en análogos de laboratorio de agujeros negros. Se usaron pulsos de luz en fibras ópticas no lineales como horizontes de sucesos artificiales.

En 1974, el renombrado físico Stephen Hawking sorprendió al mundo de la física con su teoría de la radiación de Hawking, que sugería que, en lugar de ser negros, los agujeros negros deberían brillar ligeramente debido a los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos del agujero negro. De acuerdo con la teoría de Hawking, el fuerte campo gravitatorio alrededor de un agujero negro puede afectar la producción de pares de partículas y antipartículas.

Si estas partículas se crearan justo fuera del horizonte de scuesos, el miembro positivo de este par de partículas podría escapar, resultando en una radiación térmica observada desde el agujero negro. Esta radiación, que más tarde se denominó radiación de Hawking, consistiría, por lo tanto, en fotones, neutrinos y otras partículas subatómicas. La teoría de la radiación de Hawking estuvo entre las primeras en combinar los conceptos de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Para probar la teoría de Hawking, el investigador del Instituto de Ciencias Weizmann Ulf Leonhardt reunió algunas ideas iniciales sobre cómo crear agujeros negros ópticos, que se publicaron en 1999 y 2000. En 2004, finalmente logró un método que realmente funcionó, que es el que se utilizó en su estudio reciente.

“Imagínese, como en los experimentos de Gedanken de Einstein, la luz persigue otro pulso de luz, –declaró Leonhardt a Phys.org–. Supongamos que toda la luz viaja dentro de una fibra óptica. En la fibra de vidrio, el pulso cambia un poco la velocidad de la luz que la persigue, de modo que la luz no puede alcanzar el pulso. Experimenta un horizonte de orificios blancos; no puede entrar. La parte frontal del pulso actúa exactamente como lo contrario: un horizonte de agujero negro, un lugar donde la luz no puede salir. Esta es la idea en pocas palabras”.

Leonhardt y sus colegas publicaron y demostraron esta idea en 2008. Posteriormente, intentaron usarla para demostrar la radiación de Hawking.

La radiación de Hawking nunca se ha observado directamente en el espacio, ya que esto no es actualmente posible. Sin embargo, se puede demostrar en entornos de laboratorio, por ejemplo, utilizando condensados de Bose-Einstein, ondas de agua, polaritones o luz. En el pasado, varios investigadores intentaron probar la radiación de Hawking en el laboratorio utilizando estas técnicas, pero la mayoría de sus estudios fueron, de hecho, problemáticos y, por lo tanto, se han cuestionado.

Como lo demuestran los esfuerzos anteriores, observar la radiación de Hawking en el laboratorio es una tarea altamente desafiante. El estudio realizado por Leonhardt y sus colegas podría ser la primera demostración válida de la radiación de Hawking en la óptica.

“Los agujeros negros están rodeados por sus horizontes de sucesos”, explicó Leonhardt. “El horizonte marca el borde donde la luz ya no puede escapar. Hawking predijo que en el horizonte se crean cuantos de luz (fotones). Un fotón aparece fuera del horizonte y puede escapar, mientras que su compañero aparece en el interior y cae en el agujero negro. Según la mecánica cuántica, las partículas están asociadas a las ondas. El fotón en el exterior pertenece a una onda que oscila con frecuencia positiva, la onda de su compañero en el interior oscila con una frecuencia negativa “.

En su estudio, Leonhardt y sus colegas iluminaron las frecuencias positivas y negativas. Su luz de frecuencia positiva era infrarroja, mientras que la de frecuencia negativa era ultravioleta. Los investigadores los detectaron y luego los compararon con la teoría de Hawking.

La pequeña cantidad de luz ultravioleta que lograron detectar utilizando equipos sensibles es el primer signo claro de la radiación Hawking estimulada en la óptica. Esta radiación se conoce como “estimulada” porque es estimulada por la luz de la sonda que los investigadores enviaron para perseguir los pulsos.

“Nuestro hallazgo más importante, tal vez, es que los agujeros negros no son algo fuera de lo común, sino que se asemejan mucho a lo que hacen los pulsos de luz a la luz ordinaria en las fibras”, dijo Leonhardt. “Demostrar fenómenos cuánticos sutiles como la radiación de Hawking no es fácil. Se necesitan pulsos extremadamente cortos, fibras extraordinarias, equipos sensibles y, por último pero no menos importante, el arduo trabajo de estudiantes dedicados. Pero incluso la radiación de Hawking es algo que uno puede entender”.

El estudio realizado por Leonhardt y sus colegas proporciona la primera demostración de laboratorio de la radiación de Hawking en la óptica. Los investigadores también encontraron que la analogía con los horizontes de sucesos era notablemente robusta, a pesar de llevar la óptica al extremo, lo que aumentó su confianza en la validez de sus teorías.

“Ahora necesitamos mejorar nuestra configuración para prepararnos para el próximo gran desafío: la observación de la radiación espontánea de Hawking”, dijo Leonhardt. “En este caso, la radiación ya no se estimula, excepto por las inevitables fluctuaciones del vacío cuántico. Nuestros próximos objetivos son los pasos que mejoran el aparato y prueban varios aspectos de la radiación de Hawking estimulada, antes de pasar a la radiación de Hawking espontánea”.

Fuente: europapress.es

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