Ayer publicaban en Technology Review una reseña sobre un paper que fue enviado a Arxiv el jueves 23 y que se titula Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments (arXiv:1009.4634v1). Traduzco libremente a continuación la entrada de Technology Review para ir comentando al respecto. Pero antes, vamos a hacer una breve introducción.

¿De qué va todo esto de la radiación de Hawking?

Digamos que Hawking propuso la radiación que lleva su nombre como mecanismo de los agujeros negros para desintegrarse con el tiempo y no ser eternos. Bueno, hace un tiempo en un alarde de locura traduje un extenso artículo de New Scientist bajo el título La guía definitiva sobre agujeros negros para no expertos donde se cuentan algunos aspectos sobre los mismos.

Pero para abreviar, diremos que la radiación de Hawking es una propuesta que se basa en el principio de incertidumbre que, en una de sus versiones, da pie a la existencia de las llamadas partículas virtuales. Estas partículas se llaman virtuales porque existen aprovechándose de una pequeña trampa: la energía ni se crea ni se destruye, sin embargo, localmente y de forma puntual puede tomarse prestada una cierta cantidad de energía al vacío para crear un par partícula-antipartícula y posteriormente devolverla de nuevo antes de que finalice el plazo de devolución del préstamo. Este tiempo es muy pequeño y la cantidad de energía que se puede tomar prestada es muy pequeña también.

Aquí entra en juego la idea de que el vacío lejos de ser un lugar aburrido podría ser considerado como una sopa en constante ebullición donde se crean pares partícula-antipartícula que se aniquilan antes de hacer nada interesante. Sin embargo, si esas partículas existen, en cierto modo debe ser posible interactuar con ella. Y eso es cierto, de hecho, es la única manera de explicar fenómenos cuánticos bien conocidos como la desexcitación espontánea o el efecto Lamb.

Lo que planteó Hawking fue que si se crea un par partícula-antipartícula justo al borde del horizonte de sucesos de un agujero negro (es decir, del área de no retorno donde si entra algo ya no puede salir nunca más) entonces podría ocurrir que un miembro de ese par cayera en el agujero negro. Es decir, nos lo imaginamos como si estas partículas se creasen en una dirección tangencial al horizonte de sucesos. Entonces, la otra partícula, para respetar las leyes físicas no caería dentro del agujero negro y por tanto no podría aniquilarse con su compañera y saldar la deuda que tiene con el vacío.

Como la deuda debe quedar satisfecha y no importa quién la pague, es el agujero negro el que salda la deuda en nombre de la partícula que ha absorbido. De manera que la partícula (o antipartícula) que escapó deja de ser virtual, pasa a ser real y lo que observaríamos es que el agujero negro ha emitido una partícula y ha adelgazado ligeramente por haberla emitido. Con el paso del tiempo, de muchísimo tiempo, podría llegar a evaporarse. Y bueno, esto también haría que los posibles micro-agujeros negros, de existir, se evaporasen antes de representar algún peligro.

El meollo del asunto.

Hawking la predijo en 1974. Ahora unos físicos dicen haberla detectado por primera vez.

Durante un tiempo los astrónomos han estado escudriñando los cielos en busca de rastros de la radiaciónd e Hawking. Hasta ahora han sido infructuosas.

Hoy, parece que ha sido encontrada por un grupo de físicos que dicen haber creado radiación de Hawking en su laboratorio. Estos tipos dicen que pueden producir radiación de Hawking de forma repetible y sin ambigüedades, confirmando finalmente la predicción de Hawking. Así es como lo han hecho.

Hasta aquí una introducción impactante propia de Technology Review. No hay mucho más que decir.

Los físicos han pensado durante mucho tiempo que en la escala más pequeña, el espacio está lleno de un burbujeante conglomerado de partículas que aparecen y desaparecen de la existencia. Estas partículas se forman en pares partícula-antipartícula que pronto se aniquilan, devolviendo la energía al vacío.

La predicción de Hawking viene de pensar qué pasaría si se crease un par en el borde de un agujero negro. Él se dió cuenta de que si uno de los miembros del par cae en el horizonte de sucesos jamás podría regresar. Pero su compañera sería libre de marcharse.

Para el observador parecería como si el agujero negro estuviera emitiendo un chorro constante de partículas cuánticas, que se conoce como Radiación de Hawking.

Desde entonces, otros físicos han intentado demostrar que los agujeros negros no son los únicos capaces de formar un horizonte de sucesos. Cualquier medio en el que viajen ondas a su través puede soportar un tipo de horizonte de sucesos y en teoría, debería ser posible ver la radiación de Hawking en este medio.

Este es el rollo que solté antes, más resumido todavía.

Hoy, Franco Belgiorno en la Universidad de Milan y algunos compañeros dicen que han producido radiación de Hawking disparando un intenso pulso láser a través de un material no lineal, que es uno en el que la propia luz puede cambiar el índice de refracción del medio.

A la vez que el pulso se propaga en el material, se produce el cambio en el índice de refracción, creando una especie de “onda arco” en la que el índice de refracción es mucho mayor al del material que lo rodea.

Este incremento en el índice de refracción hace que la luz se ralentice. “Eligiendo las condiciones apropiadas, es posible conseguir llevar a la luz a una parada”, dicen Belgiono y co. Esto crea un horizonte que la luz no es capaz de atravesar, lo que los físicos llaman un “horizonte de sucesos de agujero blanco”, el inverso a un agujero negro.

Los agujeros blancos no son tan distintos de los agujeros negros (de hecho Hawking afirma que son equivalentes formalmente). Y no es difícil imaginar lo que ocurre con los pares de partículas que se forman en este tipo de horizontes. Si un miembro del par atraviesa el horizonte, no puede seguir adelante y se ve atrapada. La otra es libre de irse. El horizonte parecería estar generando partículas cuánticas.

En el reciente post sobre levitación acústica ya discutí al respecto de algunos efectos no lineales aplicados a mecánica ondulatoria.

En resumen, la luz cuando atraviesa un medio lineal no verá modificada su forma aunque puede que vaya más lenta que en el vacío por tratarse de un medio con un cierto índice de refracción pero la onda no se modifica a sí misma en su propagación. En un medio no lineal, uno de los efectos puede ser que una variación en la amplitud implique un cambio en la frecuencia. Por poner un ejemplo: sería como si al hacer incidir un láser de color rojo sobre el medio no lineal, al cambiar la intensidad del haz fuese cambiando de color (frecuencia). Así son los medios no lineales, producen cambios en las ondas que se propagan que no son los esperables en un medio lineal. Y claro, pueden aprovecharse para multitud de aplicaciones interesantes.

Y este es uno de estos casos: la propagación de un pulso láser (un pulso no deja de ser una paquete de ondas) en una fibra óptica no lineal.

Esta es la radiación que Belgiorno y co dicen que han estado observando cuando hacen incidir un potente láser infrarrojo sobre una muestra de silicio fundido. El pulso tiene una frecuencia de 1055nm pero la luz que ellos ven emerger en los ángulos apropiados ronda los 850 nm.

Por supuesto, la gran pregunta es si la luz emitida es generada por algún tipo de mecanismo como la radiación Cherenkov, dispersión o, en particular, fluorescencia es lo más complicado de discernir.

En este caso, en el interior del material óptico se forma el análogo al horizonte de sucesos y esta radiación dispersada de 850 nanómetros es algo que, en principio, no se espera encontrar y puede ser debida a efectos como la radiación de Cherenkov (es una “onda de choque de luz” que se produce cuando las partículas cargadas van más deprisa que la luz en un medio distinto del vacío, es lo que da el color azulado a los reactores nucleares). También, como dicen, puede deberse a efectos dispersivos y también a fluorescencia.

Pese a ello, Belgiorno y compañía dicen que pueden descartar todas esas hipótesis sobre el origen de la radiación observada. En particular, dicen que la luz fluorescente es muy característica y que difiere de forma significativa con lo que están observando. Por tanto, lo que están viendo debe ser la radiación de Hawking. Esa es su conclusión.

Esto es una afirmación tan fuerte que muchos físicos querrán analizarlo antes de poder descorchar las botellas de champán.

¿Por qué es importante? Uno de los motivos es que la radiación de Hawking es el único mecanismo conocido por el cual pueden evaporarse los agujeros negros por tanto probar su existencia puede tener implicaciones muy profundas sobre la manera en la que acabará el universo.

Y ahora que se ha observado una vez, se espera un montón de nuevos anuncios en cuanto otros investigadores reproduzcan los resultados.

Vale, esto cuadra algo más con lo que uno se olía al principio. Han descartado otros mecanismos posibles culpables para esa radiación de 850 nanómetros y lo achacan a la radiación de Hawking. Si nos vamos al paper (que tiene 4 páginas de extension) está un poco más justificado el por qué piensan que se trata de radiación de Hawking, como ellos mismos dicen al final del paper, se trata más bien de un campo prometedor en el que ensayar con nuevas maneras de “fabricar” horizontes de sucesos y no parece tanto entusiasmo como el que se vislumbra si uno lee solo la anotación de Technology Review.

En este punto hay que recordar que Arxiv.org es un sistema de libre publicación sin revisión de pares. Cualquiera puede publicar ahí un paper y que Technology Review de vez en cuando hace reseñas sobre lo que se publica. Esto no quiere decir que lo que se publique ahí sea malo, simplemente que no está revisado por el mecanismo de revisión habitual en los artículos científicos y tampoco hay confirmación experimental de terceros, se trata de un trabajo preliminar y como tal debe ser tratado, no como el descubrimiento y a correr a descorchar el champán.

La sensatez dicta que si algo tan gordo se descubriera estaría ardiendo la prensa científica especializada y no quedaría en una anécdota. Este experimento es comparable al que comenté ya hace tiempo hablé en este blog sobre modelos de horizontes de sucesos en condensados de Bose-Einstein (BEC) que Ori Lahav et Al llevaron a cabo en el Israel Institute of Technology (ver aquí) . En este modelo en lugar de luz se utiliza sonido (que son ondas, al fin y al cabo) y el horizonte de sucesos lo provoca el BEC. Es algo complicado pero en esencia se basa en la misma idea.

Sin duda lo más interesante de todo esto es la capacidad de modelizar cosas que ocurren a una cierta escala, con unas ciertas fuerzas en escenarios de la física que son a priori totalmente diferentes pero que sin embargo presentan similitudes formales que hacen que se puedan esperar efectos análogos.

Es pronto para ser optimistas, pero sin duda la radiación de Hawking está cada día más cerca de ser verificada experimentalmente. Que sean estos científicos o otros es puramente circunstancial.

Y por último, recomendar encarecidamente la lectura de  este artículo (gracias Rinze) donde tratan el impacto mediático de los papers científicos.

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