En la teoría general de la relatividad de Einstein un agujero negro es espacio, solo espaciotiempo. Un agujero negro en 4 dimensiones se comporta como un objeto puntual situando en el espaciotiempo (el lugar donde está la singularidad central) rodeado de una región de espaciotiempo vacío dentro del horizonte de sucesos; el agujero negro tiene masa, puede rotar (tener momento angular) y tener carga eléctrica, nada más. Sin embargo, en más de cuatro dimensiones los agujeros negros no son puntuales; en cinco dimensiones un agujero negro se comporta como una «cuerda negra» (un objeto unidimensional) y en seis dimensiones como un «brana negra» (un objeto bidimensional). ¿Se comportan estos agujeros negros multidimensionales como objetos materiales? Describir las propiedades de una «brana negra» no es fácil, pero los físicos teóricos creen que muestra propiedades de líquido, si es neutra para la carga eléctrica, y de sólido, si tiene carga eléctrica; en este último caso se comporta como un material piezoeléctrico, que convierte esfuerzos mecánicos en campos eléctricos. Jay Armas, Jakob Gath, Niels A. Obers, «Black Branes as Piezoelectrics,» Phys. Rev. Lett. 109: 241101, 10 Dec 2012 [arXiv:1209.2127].
El estudio de las propiedades de los agujeros negros y de las branas negras requiere el uso de una teoría cuántica de la gravedad, salvo en el régimen de campo débil y perturbaciones de longitud de onda grande. En este contexto se puede utilizar la correspondencia AdS/CFT y técnicas holográficas para demostrar que las branas negras neutras se comportan como un fluido (arXiv:0712.2456; arXiv:0902.0427; y otros); este fluido se caracteriza por su viscosidad. El nuevo artículo técnico estudia con las mismas técnicas lo que pasa con branas negras cargadas eléctricamente. Cuando una cuerda negra cargada dentro de la brana negra cargada se deforma induce un momento dipolar eléctrico que provoca esfuerzos mecánicos sobre la brana, como si se tratara de un material piezoeléctrico. Un resultado realmente sorprendente.
“En la teoría general de la relatividad de Einstein un agujero negro es espacio, solo espaciotiempo. Un agujero negro en 4 dimensiones se comporta como un objeto puntual situando en el espaciotiempo (el lugar donde está la singularidad central) rodeado de una región de espaciotiempo vacío dentro del horizonte de sucesos; el agujero negro tiene masa, puede rotar (tener momento angular) y tener carga eléctrica, nada más”.
Francis, tengo un par de dudas. Tengo entendido que alrededor de la singularidad en el área que se extiende hasta el horizonte de sucesos hay radiación térmica, no es un lugar vacío (vacío de radiación). Entonces, ¿qué es ese vacío al que haces alusión? Después asocias el momento angular del agujero con su rotación, sin embargo en la otra entrada dices que “el espín tiene unidades de momento angular pero no tiene nada que ver con ninguna ““rotación”” interna de las partículas”. ¿Hay partículas y objetos que rotan sin tener momento angular o el hecho de tener momento angular no tiene nada que ver con la rotación? O dicho de otra manera, ¿qué otra cosa que no sean rotaciones son las unidades de momento angular del espín?
Todas las rotaciones y spines tienen momento angular. Creo que Francis se referia a que el spin no está asociado a una rotación física, el electron (por ejemplo) no «gira sobre si mismo».
Artemio dice «tengo entendido que (…) hay radiación térmica, (…) ¿qué es ese vacío al que haces alusión?»
(1) La radiación de Hawking es inobservable en la mayoría de agujeros negros pues su temperatura es menor que la del fondo cósmico de microondas. (2) En principio, la radiación de Hawking, de ser observable, se observa fuera del horizonte de sucesos, no dentro (pues cae a la velocidad de la luz directamente hacia la singularidad). (3) No se sabe qué pasa con toda la materia que cae en un agujero negro cuando se acerca a la singularidad, pero la teoría clásica de la gravedad de Einstein afirma que desaparece allí; por tanto, según esta teoría entre la singularidad y el horizonte de sucesos lo único que hay es vacío (salvo la materia que excepcionalmente está cayendo en su interior); obviamente el vacío no está vacío y contiene partículas cuánticas virtuales en fluctuación continua, pero son tan inobservables como lo son en el vacío fuera del horizonte.
Artemio dice «¿Hay partículas y objetos que rotan sin tener momento angular…? ¿Qué otra cosa que no sean rotaciones son las unidades de momento angular del espín?»
Un agujero negro puede rotar (tener momento angular). En la teoría de la gravitación de Einstein lo que rota es el espaciotiempo y el proceso de Penrose permite extraer energía de dicha rotación y ralentizar la rotación. Cualquier magnitud evaluada en un álgebra de Lie tiene unidades de momento angular (como el espín, el isospín y cualquier otra magnitud asociada a un grupo de simetrías continuas); todas estas magnitudes se pueden sumar/restar al momento angular acelerando/ralentizando la rotación, sin embargo, la interpretación de estas magnitudes como un «giro» requiere pensar en un «giro abstracto» o un «giro en un espacio interno abstracto.»
La próxima Nota Dominical explica el espín. No sé si acabará siendo de ayuda o no.
Francis, gracias por la respuesta. Aguardo con interés la nota sobre el espín. Respecto del agujero negro y la radiación térmica es verdad que mientras más grande y masivo sea el agujero, más fría es su temperatura. Ahora bien, discrepo sobre “las partículas virtuales”. Si, como afirmas, es posible detectar termicidad en algunos agujeros, esa virtualidad está modificada; de hecho, la radiación térmica detectada puede ser un indicio que al menos una fracción de las partículas virtuales han dejado de serlo. Por otro lado, la nube de gas ionizado que se dirige al horizonte de eventos de Sagitario A* con una temperatura de 550 K acelera conforme cae. Entonces habrá que ver si se produce un incremento de la temperatura del gas y qué tipo de radiación emitirá el objeto (en el caso de que se pueda detectar).