Roberto Emparan: «Los agujeros negros son la física al límite»

¿Qué relación hay entre los agujeros negros y la teoría de la relatividad?

Los agujeros negros son los objetos más sencillos y básicos en los que se ponen de manifiesto los aspectos más relevantes de la teoría de Einstein, y aunque esta ya tiene cien años, es suficientemente rica y compleja como para que todavía no hayamos agotado todo lo que puede dar de sí. No solo experimentalmente; sino también desde el punto de vista teórico.

Los agujeros negros son una predicción de la teoría de la relatividad que tardó mucho tiempo en aceptarse y en entenderse: de hecho, Einstein nunca llegó a aceptarla. Es más, incluso llegó a escribir algunos artículos negando la posibilidad de la existencia de los agujeros negros, aunque entonces no se llamaban así. Einstein, de hecho, murió sin saber de la existencia de estos objetos astronómicos y sin saber que en ellos era donde las consecuencias más drásticas de su teoría se hacían manifiestamente más evidentes.

¿De qué forma más simple podemos entender mejor cómo se comportan los agujeros negros?

El proyecto que he propuesto está basado en una idea que empezamos a desarrollar hace pocos años. En ella, el límite que tomamos para entender mejor los agujeros negros —aunque pueda parecer extraño— consiste en considerar que el número de dimensiones del espacio, en vez de ser el habitual (tres dimensiones espaciales y una temporal), es infinito. En trabajos anteriores nos dimos cuenta de que, con esta suposición, los agujeros negros se simplifican mucho.
Aunque pueda parecer una aproximación extraña, no es tan diferente de lo que hacemos en física, por ejemplo cuando estudiamos el lanzamiento de un proyectil despreciando la resistencia del aire.

La física es el arte de hacer aproximaciones, como en el chiste de la vaca esférica, en el que en la primera aproximación una vaca es una esfera a la cual se le van añadiendo detalles. Esto nos permite simplificar el problema e ir corrigiendo.

Así, lo que hemos encontrado es una manera de cambiar la teoría de la relatividad de forma que los agujeros negros se nos conviertan en esta especie de vaca esférica, y aunque simplificamos mucho la dinámica de estos objetos astronómicos, después podremos calcular propiedades y hacer correcciones que nos acerquen al comportamiento real.

Otro de los resultados relevantes respecto a los agujeros negros que vimos hace pocos años es el hecho de que las teorías de Einstein en este límite nos permiten interpretar los agujeros negros como pompas de jabón, ya que satisfacen las mismas ecuaciones de membranas elásticas. Concretamente, es el horizonte del agujero negro —una superficie con una dinámica complicada— el que pudimos comprobar que se comportaba como las pompas de jabón. Por tanto, es una simplificación útil y además… ¡la más bonita!

¿Esta aproximación tiene repercusiones en la idea que tenemos del Universo?

¡Puede! Es un método matemático que nos ha permitido intuir mejor cómo funciona un agujero negro y cuál es su dinámica. Este límite nos permite extraer la esencia del agujero negro.

Esta es una idea nueva, no está motivada por avances recientes. La advanced grant que ha recibido nuestro proyecto nos permitirá desarrollar esta idea desde el punto de vista teórico para conocer todas sus implicaciones. El proyecto también permitirá contratar investigadores posdoctorales para desarrollar la teoría.

¿Qué papel juegan los agujeros negros en el Universo?

No lo sabemos bien; pero seguramente los agujeros negros tienen un papel importante. Lo principal es que, respecto a la teoría de la gravedad, nos permiten ir más allá de lo que Einstein nos dijo. Por ejemplo, cuando intentamos tener en cuenta la mecánica cuántica. La teoría de Einstein era clásica, y es Stephen Hawking quien introduce la mecánica cuántica en la gravitación.

A priori, parece contradictorio introducir la mecánica cuántica en una teoría de gravitación.

Los efectos importantes de la cuántica son muy pequeños en objetos de masa similar a la del Sol, o de masa mayor, como los agujeros negros; pero pensamos que en el origen del Universo  se podrían haber formado agujeros negros microscópicos. De alguna manera, los agujeros negros son la física al límite.

¿Hasta qué punto la relatividad general se aplica a sistemas que van más allá de los sistemas gravitatorios habituales?

Esta es una de las sorpresas de la teoría de Einstein: se ha visto que esta teoría no solo sirve para describir el cosmos; sino que también puede describir de una forma sutil sistemas que no tienen gravedad, de la misma manera que utilizamos la teoría de las pompas de jabón para describir los agujeros negros haciendo ciertas suposiciones.  
Este es el caso de experimentos que se están realizando actualmente en aceleradores de partículas como el LHC, con sistemas de partículas elementales que se pueden describir de manera más fácil —y aunque pueda sonar raro— como si ese plasma fuera un agujero negro en un espacio de cinco dimensiones.

¿Esto liga con la idea de que la física es la misma en todas las escalas?

De hecho, es que las buenas ideas funcionan en muchos sitios, y la teoría de la relatividad de Einstein es una idea muy buena, y resulta que se aplica en muchos sistemas: con ella podemos entender incluso fenómenos relacionados con la superconductividad.

Desde mi punto de vista, la teoría de la relatividad es la teoría más inteligente que tenemos, más inteligente que todos nosotros. Hay veces en que las teorías son más listas que sus creadores, y en el caso de Einstein eso es claro: con la expansión del Universo, con los agujeros negros, su teoría le estaba diciendo ciertas cosas que él no acababa de aceptar.