Qué pasa al entrar en un agujero negro

El principio de equivalencia de la teoría general de la relatividad de Einstein implica que no pasa nada al cruzar el horizonte de sucesos de un agujero negro, un observador no debe notar nada especial; de hecho, en un agujero negro supermasivo, la curvatura del espaciotiempo en el horizonte de sucesos es muchos órdenes de magnitud más pequeña que en la superficie de la Tierra. Pero este resultado es clásico y la aplicación de la física cuántica a los agujeros negros indica que su horizonte de sucesos debe emitir radiación de Hawking. ¿Notaría de alguna forma el observador que cae la existencia de esta radiación si tuviera un instrumento adecuado? La pregunta puede parecer una tontería, pero su respuesta es más complicada de lo que parece a primera vista, pues en rigor requiere una teoría cuántica de la gravedad y todavía no tenemos ninguna. Por supuesto, podemos aplicar las reglas de la mecánica cuántica a la teoría de la gravedad de Einstein y obtener resultados correctos en el límite de campos débiles, es decir, de agujeros negros con gran masa (como ya hizo Hawking); en dicho caso, el observador no notaría nada (la radiación de Hawking no puede ser detectada en agujeros negros de masa estelar y menos aún en agujeros negros supermasivos).

Sin embargo, el problema sigue estando ahí en el caso de campos fuertes (agujeros negros de masa muy pequeña, llamados microagujeros negros); en dicho caso tenemos que usar una teoría cuántica de la gravedad y la respuesta nos lleva a la frontera entre lo que sabemos y lo que nos gustaría saber. Nos lo contó en Madrid Kyriakos Papadodimas (University of Groningen), «Falling into a Black Hole and the Information Paradox in AdS/CFT,» IFT Xmas Workshop 2012, December 20 [slides]; la charla está basada en su artículo Kyriakos Papadodimas, Suvrat Raju, «An Infalling Observer in AdS/CFT,» arXiv:1211.6767, 28 Nov 2012.

Futurología: En la presente década se desvelará el misterio de la materia oscura

La materia oscura ha sido descubierta gracias a sus efectos gravitatorios, sin embargo, nos gustaría saber si corresponde a una nueva partícula y en su caso cuál es su masa, su espín, si es estable o metaestable, cómo se acopla a las interacciones débiles, al campo de Higgs, a los quarks y gluones, a los leptones, incluso si se trata de una reliquia térmica de la gran explosión (big bang). Hay muchos experimentos en curso que buscan rellenar estos detalles durante la presente década (antes de 2020). La charla de Tim M.P. Tait, «Assembling a Theory of Dark Matter,» Snowmass, Jul 29, 2013 [slides], nos propone un cronograma.

El espaciotiempo en la teoría de cuerdas y el principio de reciprocidad de Born

Mucha gente afirma que la teoría de cuerdas (teoría M) describe campos cuánticos de objetos extensos (cuerdas y branas) en un espaciotiempo plano con dimensiones extra. Sin embargo, la dualidad T y la simetría del espejo indican que en la escala de Planck el espaciotiempo en teoría cuerdas es muy exótico (muy alejado de la intuición clásica sobre lo que es un espaciotiempo plano). Djordje Minic (Virginia Tech, VA, USA) y varios colegas proponen usar el principio de reciprocidad de Born (1935) para (re)interpretar la geometría del espaciotiempo en la teoría de cuerdas usando un nuevo objeto matemático que bautizan como geometría de Born. Una idea curiosa, aún en fase emergente, pues sólo ha sido aplicada a la teoría de cuerdas bosónicas, que nos recuerda que «hay mucho sitio en el fondo» (parafraseando a Feynman pero en referencia a la escala de Planck). El artículo técnico es Laurent Freidel, Robert G. Leigh, Djordje Minic, «Born Reciprocity in String Theory and the Nature of Spacetime,» arXiv:1307.7080, Subm. 26 Jul 2013.

Francis en Trending Ciencia: Logran parar pulsos de luz durante un minuto

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción, enlaces a los artículos técnicos y algunas imágenes.

He elegido como tema una noticia que Nuño Domínguez, periodista científico de esMateria.com, ha titulado como «Récord mundial: Científicos alemanes detienen la luz durante un minuto.» Nos cuenta que «en el laboratorio de física cuántica que dirige Thomas Halfmann (…) en la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania (…) [han paralizado] un rayo de luz durante un minuto: todo un récord mundial que casi multiplica por cuatro el anterior. El avance técnico es un importante paso hacia (…) una especie de internet [imposible de hackear] que funcione con luz y en el que los mensajes vayan [cifrados] usando fotones. Cualquier intento de interferir en esos fotones destruiría la clave o el mensaje que transportan, lo que hace que la clave sea teóricamente inexpugnable. Pero para poder enviar mensajes con fotones [hay que] construir (…) una memoria informática que los guarde [todo el tiempo que sea necesario].»

Nuño Domínguez nos cuenta esMateria.com que «la técnica de Halfmann consiste en disparar un primer rayo láser de control a un cristal opaco, lo que lo vuelve transparente. Después se dispara un segundo láser, que lleva un mensaje, en este caso una imagen. En ese momento se apaga el primer rayo láser y el mensaje queda encerrado en el cristal. Aplicando campos magnéticos Halfmann logra que los átomos del cristal retengan la luz durante un tiempo récord, [sesenta segundos], un minuto. Después se enciende el primer láser, el cristal vuelve a tornarse transparente y la luz congelada en el tiempo vuelve a correr, transmitiendo su mensaje. Por ahora no han llegado al régimen de un solo fotón que se necesita para las memorias cuánticas.»

Algunos comentarios en Twitter me han llamado la atención. Unos por creer que se ha logrado parar los fotones individuales (algo obviamente imposible por definición de fotón). Otros por creer que se ha logrado a alta temperatura, mal interpretando la frase de Nuño Domínguez en esMateria.com: «Este mismo año, otro equipo de EEUU logró el récord [anterior] al retener la luz durante 16 segundos dentro de una nube de gas a unos 273 grados bajo cero, algo que ahora ha quedado totalmente pulverizado con la Transparencia Inducida Electromagnéticamente (EIT, en inglés) usada por Halfmann.» El nuevo récord de 60 segundos se ha logrado con el cristal enfriado a 4 Kelvin, es decir, a 269 grados bajo cero. De hecho, poder aplicar la nueva técnica a pocos fotones, o incluso a un sólo fotón, con seguridad requerirá bajar la temperatura a unos micro- o nano-Kelvin. Permíteme una discusión sobre el nuevo resultado técnico de Halfmann y sus colegas, cuyo mayor interés es que se ha utilizado un cristal, un dispositivo de estado sólido, en lugar de un gas de átomos ultrafríos o un condensado de Bose-Einstein.

El falso conflicto entre el científico divulgador y el periodista científico

El periodista científico ve al científico divulgador como competencia desleal. El científico divulgador ve al periodista científico como ignorante (al menos en el que campo en el que es experto). Puros tópicos. En un mundo ideal ambos se complementan. Muchos científicos divulgadores lo son por su vocación como “periodistas aficionados” y utilizan su blog como un “periódico personal,” pero la labor de divulgación de los científicos debe trascender estas anécdotas. Así comenzaba la segunda parte de mi conferencia “La divulgación a través de los blogs” en el simposio del grupo especializado en divulgación de la física organizado en la 34 Bienal de la Real Sociedad Española de Física. Si no has leído aún la primera parte, sigue este enlace.

Divulgar es una obligación y una necesidad

Todos los científicos tienen el deber de divulgar. No es una opción, es una necesidad. Los científicos somos los culpables de la situación actual de la ciencia en España. Muchos creen que divulgar es un hobby y que la cultura científica es un lujo prescindible. Craso error. Los científicos somos una de las profesiones mejor valoradas, sin embargo, la cultura científica de la sociedad y de nuestros políticos brilla por su ausencia. La única manera de lograr que los futuros gobiernos valoren la ciencia es lograr que la sociedad sepa lo que hacemos los científicos. Nos tenemos que poner en valor para que nos valoren. Todos los divulgadores debemos tratar de proselitar (atraer científicos a nuestra causa). Sin ciencia no hay futuro. Sin divulgación (parece que) no hay ciencia. Contar esto fue el objetivo de mi conferencia «La divulgación a través de los blogs» en el simposio del grupo especializado en divulgación de la física organizado en la 34 Bienal de la Real Sociedad Española de Física. Permíteme un resumen breve de mi charla.

ER=EPR, la nueva conjetura de Maldacena y Susskind

La ecuación ER=EPR hace referencia a dos ideas que Albert Einstein publicó en 1935, los puentes de Einstein−Rosen y el entrelazamiento cuántico de Einstein−Podolsky−Rosen. El artículo EPR fue una «bella durmiente de la ciencia» y ER va camino de serlo. La conjetura ER=EPR afirma que hay un puente de Einstein-Rosen (un tipo de agujero de gusano inestable entre dos agujeros negros) asociado a cada pareja de estados cuánticos entrelazados (estados EPR). Esta idea no es nueva, pero ha sido rescatada por el famoso físico argentino Juan Maldacena, autor del artículo más citado de la historia en SPIRES-HEP (el de la correspondencia AdS/CFT o gravedad/gauge). Maldacena y Susskind han aplicado esta idea para resolver el problema de los «firewalls» de Polchinski et al. (AMPS) en el horizonte de sucesos. Si eres físico y no has leído aún el artículo de Juan Maldacena, Leonard Susskind, «Cool horizons for entangled black holes,» arXiv:1306.0533, Subm. 3 Jun 2013, ¿a qué estas esperando? Si es muy técnico para tí, te recomiendo leer John Preskill, «Entanglement = Wormholes,» Quantum Frontiers, Jun 7, 2013. Otra visión diferente la ofrece Lubos Motl, «Maldacena, Susskind: any entanglement is a wormhole of a sort,» The Reference Frame, June 8, 2013, y «Papers on the ER-EPR correspondence,» TRF, July 9, 2013. Algo mucho más ligero en Jacob Aron, «Wormhole entanglement solves black hole paradox,» NewScientist, 20 Jun 2013.

Cómo distinguir estrellas de neutrones y estrellas de quarks con ondas gravitatorias

Nadie sabe si las estrellas de quarks existen, pero se publica en Science un artículo que muestra cómo distinguirlas de las estrellas de neutrones cuando están en un sistema binario y emiten radiación como un púlsar de milisegundos. Una estrella compacta en rápida rotación emite pulsos de radiación de forma periódica debido a su intenso campo magnético. Los sistemas binarios formados por dos púlsares han permitido verificar de forma indirecta la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción de su periodo de emisión. Kent Yagi y Nicolás Yunes (Univ. Estatal de Montana, EEUU) afirman que las estrellas compactas en rotación rápida se deforman de forma diferente según su composición y que ello afecta a su emisión como púlsares. El resultado es que el momento cuadripolar de la radiación de los púlsares binarios es diferente entre estrella de neutrones y estrellas de quarks. La variación del periodo de emisión de los púlsares de milisegundos además de permitir comprobar la validez de la relatividad general (Premio Nobel de Física de 1993) también podría permitir descubrir la existencia de las estrellas de quarks. Para ello habría que observar uno que violara, en apariencia, la relatividad general, pero que lo hiciera siguiendo las predicciones de este nuevo artículo. Toda una sorpresa para muchos. El artículo técnico es Kent Yagi, Nicolás Yunes, «I-Love-Q: Unexpected Universal Relations for Neutron Stars and Quark Stars,» Science 341: 365-368, 26 Jul 2013.

Heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno

André K. Geim, Premio Nobel de Física por el grafeno, nos habla en Nature de las heteroestructuras de van der Waals, formadas por capas de un sólo átomo de grosor encajadas unas encima de otras como piezas de LEGO (las heteroestructuras convencionales se forman por capas cuyo grosor es de muchos átomos). Fabricar las heteroestructuras de van der Waals hace pocos años parecía imposible, pero ahora hay muchos grupos de investigación en el mundo que las estudian. Sus inusuales propiedades dan lugar a nuevos fenómenos físicos que podrían tener múltiples aplicaciones. Los que tengan acceso a Nature disfrutarán con el artículo A. K. Geim, I. V. Grigorieva, «Van der Waals heterostructures,» Nature 499: 419–425, 25 Jul 2013. Ya hablé de ellas en este blog en «Un curioso déjà vu: La mariposa de Hofstadter observada en Nature y en Science,» 26 Jun 2013.

Hacia un nuevo tipo de electrónica en diamante, la «valletrónica»

No hay dos sin tres. La electrónica y la espintrónica tienen compañía, la «valletrónica» (valleytronics), basada en los «valles» del espectro de energía de la banda de conducción que aparecen en un cristal que posee diferentes ejes de simetría, en lugar de la carga eléctrica o el espín de los electrones. Estos «valles» pueden atrapar electrones en momento lineal (no en posición), es decir, canalizan el flujo de carga. Cuando hay dos o más «valles» en la banda de conducción se pueden realizar dispositivos que controlen el flujo de carga atrapado en ellos. Se publica en Nature Materials el primer artículo que ha logrado controlar este fenómeno (la generación, transporte en distancias macroscópicas y detección de electrones «valle» de polarización) gracias a que en diamante los tiempos de relajación son grandes, unos 300 ns a una temperatura de 77 K. La clave del hallazgo es la ultrapureza del diamante utilizado (menos de 10^-13 defectos extrínsecos por cm³). Aunque la «valletrónica» acaba de nacer y no sabemos qué futuro tendrá (ni siquiera si llegará a adulta), este tipo de investigación me parece muy sugerente. Nos lo cuenta Christoph E. Nebel, «Valleytronics: Electrons dance in diamond,» Nature Materials 12: 690–691, 23 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jan Isberg et al., «Generation, transport and detection of valley-polarized electrons in diamond,» Nature Materials 12: 760–764, 14 Jul 2013.