Forats negres, forats blancs

La història d’avui té un punt de complexitat. No perquè el que vagi a explicar sigui molt difícil, en absolut, sinó perquè utilitzo diferents conceptes explicats en articles anteriors. Són tres particularment, gairebé quatre. Primer: un forat negre és un objecte velocitat d’escapament del qual és la velocitat de la llum. Segon: concepte d’entropia. Tercer i gairebé quart: les partícules virtuals i un exemple que va valer un Nobel. Doncs bé, amb tot això, farem un còctel a la nostra història d’avui.
[@more@]
I és que fa poc vaig llegir una notícia que dos homes han posat una querella en la que diuen que, amb la posada en marxa del LHC, podrien generar-se forats negres microscòpics que podrien empassar-se la Terra. Bé, com totes les coses, un no pot demostrar ni deixar de demostrar, però si realment això arriba a judici, m’agradaria veure les proves aportades. D’altra banda, fa poc que va morir John Archibald Wheeler, l’home que va encunyar el terme "forat negre". Això em dóna peu a parlar-vos dels forats negres i aprofundir una mica sobre ells.

Vegem, si tirem una pedra a l’aire, torna a caure degut al camp gravitatori de la Terra. Si la tirem més fort, arribarà més lluny, i si més fort, més lluny encara; però sempre tornarà (o quedarà en òrbita, però sempre lligada a la gravetat de la Terra). Això és així a menys que la llanceu a 11,2 km/s. La Terra no té suficient gravetat com per fer tornar un objecte tan ràpid. A aquesta velocitat se li diu velocitat d’escapament.

Suposem que la terra tingués més massa però sense variar les seves dimensions. En aquest cas, la velocitat d’escapament augmentaria: hauríem de llançar aquesta pedra amb més velocitat. Seguim augmentant més i més la massa del nostre planeta fins a arribar al punt que la seva velocitat d’escapament fora 300.000 km/s. Res no podria escapar. Per molt ràpid que llancéssim la nostra pedra, no tindríem res a fer, doncs no és possible superar la velocitat de la llum. Com res no podria sortir, ni tan sols la llum, tindríem un forat negre.

I com la velocitat d’escapament l’havíem mesurat a la superfície de la Terra, aquesta superfície seria l’horitzó de successos. Tot forat negre té un horitzó de successos: els punts on la velocitat d’escapament és exactament la de la llum. Un objecte pot acostar-se a un forat negre i tornar i explicar l’experiència, però com vagi més enllà de l’horitzó de successos ja no podrà tornar. Ni tan sols podrà emetre informació a l’exterior i dir-nos alguna cosa.

Fabricar un forat negre, encara que sigui petit, no és trivial. Per exemple, si una persona té una massa de 70 Kg, llavors, per transformar-se en un forat negre, hauria de comprimir-se a un volum d’una esfera de 10-23 centímetres de diàmetre. Cap procés té la suficient energia com per poder aconseguir això. L’única situació que coneixem avui que es generen forats negres és a la fase final de les estrelles. Objectes de 1033 Kg es transformen en forats negres, però no una persona de 70 Kg.

Haureu sentit moltes vegades que la densitat dels forats negres és enorme. Això és cert per als de masses estel·lars, però cal tenir en compte que el radi del forat negre s’incrementa linealment amb la massa, mentre que la densitat decau amb el quadrat de la mateixa. És a dir, que els forats negres súper massius poden tenir densitat més petita que la de l’aigua.

Anem allà per la dècada de 1970. Un estudiant postgraduat de Princeton anomenat Jacob Bekenstein va dir que no es destrueix entropia si es llança a un forat negre. Per exemple: si tenim un cafè calent que s’està refredant, l’entropia de l’Univers augmenta (sempre augmenta), però si llancem ara aquest cafè cap al forat negre i passa l’horitzó de successos, com podem detectar la informació de l’augment d’entropia? és que l’entropia deixa d’augmentar dins un forat negre?

Bekenstein va raonar que al llançar el cafè al forat negre, aquest últim augmentava el seu radi. Així que l’horitzó de successos havia de tenir alguna cosa a veure amb l’entropia del mateix. Més encara: l’horitzó de successos era l’entropia. Però això ens porta, a priori, a un punt contradictori amb la física clàssica: si una cosa té entropia, té temperatura i si alguna cosa té temperatura emet energia. Ara resulta que d’un forat negre pot sortir energia. No havíem quedat que d’un forat negre no pot sortir res? Arribats a aquest punt, hem de plantejar-nos una altra pregunta: en cas d’emetre energia quin és el mecanisme?

Stephen Hawking va pensar, en un principi, que Bekenstein estava equivocat. En 1962, el famós físic havia escollit estudiar cosmologia: l’estudi d’allò que és molt gran; però en 1973 va canviar de bàndol i en comptes d’estudiar teories d’allò molt gran, va passar a estudiar mecànica quàntica, que és la teoria del més petit. I aquest és el punt on Hawking va atacar.

Estem acostumats a no rebre res de la Naturalesa a canvi de res. Perquè un cotxe funcioni, hem de posar bencina, etc. Però en el món quàntic, la cosa és una mica diferent. Ja us vaig parlar del principi d’incertesa i les partícules virtuals. La Naturalesa presta energia a canvi de res, doncs l’esmentada energia està subjecta al principi d’incertesa. Amb aquesta energia es poden formar, per exemple, partícules. Recordeu, però, que aquest préstec d’energia ha de ser reemborsat abans que puguem mesurar-lo, i si havia una partícula, desapareix. Aquestes partícules no podem detectar-les. Són partícules virtuals. L’espai sencer està envoltat d’elles. En un instant determinat, en un cub d’1 cm cúbic, pot haver fins a 1030 partícules virtuals.

Però alerta: aquest préstec d’energia no té correspondència amb altres característiques. Per exemple, no pot prestar una càrrega. La llei de la conservació de la càrrega no s’ho pot saltar la mare Naturalesa ni per un instant. Així que si, per exemple, es crea un electró, també deurà crear-se un positró, de manera que la creació neta de càrrega és nul·la.

Les partícules virtuals són indetectables, però sense la seva existència determinats comportaments de la matèria serien inexplicables. No obstant això, hi ha circumstàncies excepcionals en les que aquestes partícules poden esdevenir reals, i poden explicar, per exemple, el comportament de les forces.

Ara, pensem en què succeeix amb les partícules virtuals que es creen a l’horitzó de successos o molt a prop del mateix. Suposem que tenim la creació d’una parella electró-positró. Imaginem ara que una partícula queda a una banda de l’horitzó de successos i l’altra fora. La que ha caigut dins no pot tornar. La partícula que ha quedat fora no pot aniquilar-se amb la seva homòloga que ha caigut dins i immediatament cobra vida real. L’energia per a la creació d’aquesta partícula la ha aportat el forat negre, amb el que aquest últim ha de perdre massa. En altres paraules: el forat negre s’evapora.

Aquest és el mecanisme conegut com radiació Hawking. Ara parlem de la taxa d’evaporació d’un forat negre. Com més massiu és, més baixa és la seva temperatura i més lentament es dóna aquesta evaporació. La vida d’un forat negre és proporcional al cub de la seva massa. Un forat negre de la massa del Sol (2*1033 grams) tindria una temperatura d’una deumilionèsima de grau Kelvin i tardaria 1065 anys a evaporar-se; clar que això serà possible sempre que l’ambient que ho envolta està més fred que ell. La temperatura mitjana de l’Univers és de 3º Kelvin i perquè els forats negres així s’evaporin haurem d’esperar 1020 anys que és quan l’Univers assolirà aquesta temperatura.

Una forat negre d’unes 10 masses solars només emetria uns pocs milers de fotons per segon i aquesta energia és tan poca que gairebé no podem detectar-la. Cal dir també que segons va emetent fotons un forat negre, se’n va fent més petit, amb el que augmenta la seva temperatura fins que arribi a tenir la mida d’un protó. En aquell moment, aquests diminuts forats negres emetrien molta energia: una explosió brutal d’ella. Serien més aviat forats blancs.

Hawking va dir que en els primers moments del Big Bang (en les primeres fraccions de segon, s’entén) van poder existir multitud de petits forats negres anomenats primordials que tindrien una temperatura de 120 mil milions de graus Kelvin i la mida d’un protó. L’energia que emetrien seria de 6.000 megawatts, equivalent a la producció de vàries centrals nuclears. Al cap de 15.000 milions d’anys, s’hauria reduït la seva massa a 20 micrograms i a un castell de focs. El mini forat negre acaba la seva existència amb una explosió equivalent a 10 milions de bombes d’hidrogen d’una megató i una brillantor equivalent a 10 bilions de galàxies. La radiació gamma que emetrien seria la més energètica mai detectada. Però (i és un però important) mai s’ha detectat; així que l’existència de forats negres primordials segueix sent, tan sols, una hipòtesi.

I la creació d’una cosa així per part del LHC… en un possible judici.

Tornarem sobre el Hawking, del que gairebé no us he explicat res, i és ple d’anècdotes curioses i divertides.

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

4 respostes a Forats negres, forats blancs

  1. Joan diu:

    Carai! No sabia que tinguessin un final tan tràgic. Fins ara pensava que s’evaporaven i ja està.

    Tinc una pregunta sobre les partícules que es creen just a fora de l’horitzó de successos. És veritat que són fora de l’horitzó però igualment la velocitat d’escapament ha de ser increiblement alta en aquell punt com s’ho fan per escapar-se?

    PS: Si a l’LHC fan una cosa d’aquestes demostraran que sí que existeixen… Clar que no sé si hi haurà algú que en prengui nota. jaja

  2. omalaled diu:

    Sí, la velocitat d’escapament allà és propera a la de la llum. Per escapar-se les partícules, pensa que de vegades no es creen i es deixen parades, sinò amb una certa velocitat, per exemple.

    D’altra banda, hi ha d’altres escenaris. Si queda a fora un positró, per exemple, pot trobar un electró i aniquilar-se per formar dos gamma i sortir-ne en forma de radiació. No se m’acudeixen moltes més formes, però penso que aquí l’aniquilació és una fonamental.

    Salut!

  3. Assenyat diu:

    Sempre que sento parlar d’aquestes coses em marejo XD

  4. omalaled diu:

    No, home, no. Pensa i arriba fins on ouguis i quan no entenguis alguna cosa, m’ho dius i estaré encantat de aclarir-la.

    Salut!

Els comentaris estan tancats.