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Introducción a la Cosmología
Juan Pablo Fernández Ramos
Eusebio Sánchez Álvaro
CIEMAT
Colegio Sagrada Familia de Urgel
29 Noviembre 2012
Prefacio ...
Enseñar es seducir.
Bien poniendose “al nivel” del otro ... todos somos ignorantes de lo
que está por descubrirse. La ciencia está pensada para el ignorante
y para el que tiene una mente abierta.
Bien poniendo en tela de juicio los dogmas que nos rodean.
Y hay algo de lo que váis a escuchar que pone en tela de juicio
ciertos dogmas.
Una frase que vale para cualquiera (científico, religioso, filósofo,
ciudadano de a pie, ...) :
“Saber la respuesta no significa nada. Comprobar lo que sabes (tu
conocimiento) lo significa todo” [L.Krauss]
La cosmología pretende explicar el origen, la evolución y el
destino del universo completo
Para avanzar en la comprensión de la cosmología tenemos que
estudiar distancias y tiempos cada vez mas grandes
Para entender un poco más las distancias
enormementes grandes de las que hablamos ...
MODELO A ESCALA 1:
El sistema solar cabe en el salón, con el Sol siendo una bombilla de 100 w
Estralla más cercana: otra bombilla a unos 40 Km
Galaxia : 100 mil millones de bombillas extendidas en un disco de un diámetro igual al de la
órbita de la Luna
MODELO A ESCALA 2:
Sol : una naranja en Madrid
Estrella mas cercana: otra naranja en París
Galaxia : cabría entre la Tierra y el Sol
MODELO A ESCALA 3:
El sol y la estrella más cercana están a 2mm.
Entonces, la galaxia sería del tamaño de un
campo de fúlbol.
Las escalas no solo son enormes en el
espacio sino también en el tiempo. Si
comprimimos la historia del cosmos
en un año :
Espacio y tiempo están relacionados:
Todo lo que sabemos viene por el hecho de que la luz
viaja a velocidad finita (ejemplos: la luz del sol tarda 8
minutos en llegar; si una estrella desaparece en nuestra
propia galaxia tardamos 100000 años en darnos cuenta )
La imagen del universo es deformada en el sentido de que no podemos ver
el universo tal y como es hoy sino que , debido a que c es finita, vemos
los objetos tal y como eran cuando la luz salió de ellos.
Vemos una especie de película en el pasado y cuanto más lejos, vemos
capítulos más antiguos.
Eso tiene lo positivo
de que podemos
hacer un mapa de la
historia del
universo
Viaje al espacio exterior : la
cosmología
Daremos un rápido repaso a los pilares teóricos y observacionales de la
cosmología moderna y sus relaciones tanto con la formación de estructuras
tales como galaxias como con las altas energías.
1ª Parte (I): ¿Cómo surge el universo?
¿de dónde surge todo lo que contiene (estrellas
planetas,etc)?
2ª Parte (II): ¿Cómo se forma el universo?
¿por qué se ha formado con la estructura que tiene ?
1ª Parte (I) : ¿Cómo surge el universo?
En la actualidad creemos que las estructuras cósmicas que conocemos se
originaron a partir de una infinitesimal fluctuación cuántica (big bang).
¿de dónde surge todo lo que contiene (estrellas,
planetas,etc)?
"Cada átomo en tu cuerpo vino de una estrella que estalló. Y, los átomos en la
mano izquierda probablemente vinieron de una estrella diferente que tu mano
derecha. Es realmente la cosa más poética que sé de la física: todos somos
polvo de estrellas. Tú no podrías estar aquí si estrellas no hubieran estallado,
porque los elementos - el carbón, el nitrógeno, el oxígeno, el hierro, todas las
cosas que importan para la evolución - no fueron creados al principio de
tiempo. Fueron creados en los hornos nucleares de estrellas y la única manera
para que terminaran en tu cuerpo es si esas estrellas fueron suficientemente
amables para estallar ... Las estrellas murieron para que pudieran estar hoy
aquí." L. Krauss, 2009
El modelo estándar de la cosmología : El Big Bang
Se conoce por Big Bang al modelo comúnmente aceptado sobre la formación
del Universo. Los rasgos fundamentales de este modelo se basan en firmes
evidencias observacionales de manera que desde los años 60 el Big Bang y la
Cosmología han pasado de la especulación a formar parte de la cultura
científica y la física fundamental.
En los últimos años los detalles de este modelo se estan desarrollando a gran velocidad. Esto
ocurre paralelamente al desarrollo de nuevas tecnologías y observatorios terrestres y espaciales,
que nos abren nuevas ventanas al Universo y sus orígenes.
Bases de la cosmología (evidencias observacionales )
Las galaxias que se alejan
El corrimiento al rojo de las galaxias
Abundancia de elementos ligeros
La mayor parte es hidrógeno y helio
La radiación de fondo
El residuo en radiación de la creación de
la materia. Es el 1% del ruido que se ve
en un televisor mal sintonizado
¿Cómo se observa
todo esto?
Potentes
telescopios tanto en
tierra como en el
espacio
En muy diferentes
longitudes de onda
(no solamente en
luz visible)
También se
observan otras
partículas que
vienen del espacio
El modelo estándar de la cosmología : El Big Bang
Idea fundamental: El Universo empezó con una gran explosión y desde
entonces se está expandiendo y enfriando. Cómo es el universo actual
depende de los detalles de la gran explosión, de la composición del universo y
de su contenido en enería y materia.
Se puede reconstruir la historia completa del universo
estudiando con mucha precisión cómo es hoy en día
Empecemos con algunos detalles de la gran explosión
El modelo estándar de la cosmología : El Big Bang
¿Qué tipo de explosión fue?
No fue una explosión
en un espacio previamente existente
La expansión es
consecuencia del big bang,
que fue una explosión del
propio espacio
De este modo, el universo aparecería cuando la materia explotó
de algún lugar en el espacio ya existente. La presión sería más
alta en el centro y más baja en vacío que lo redea; esta diferencia
de presión empujaría al material hacia fuera
Elespacio en el que vivimos se está
expandiendo. No hubo centro de
explosión; ocurrió en todas partes.
La densidad y la presión erán la
misma en todas partes, con lo cual
no había la diferencia de presión que
surge de una explosión convencional
Un poco de historia ...
1916 -La teoría general de la relatividad de Enistein predice
que el espacio debe estar expandiendose o contrayendose
1920s – Otros astrónomos y físicos muestran que todas las
versiones de la TGR requieren expansión o contracción del
espacio
1929 – Ley de Hubble
1930 – Arthur Eddington explica la ley de Hubble como una
expasión del espacio como está descrito por la TGR
1930 – Einstein llama a su no aceptar su teoría original como
“la mayor metedura de pata de su carrera científica”
The galaxies are moving away from
Earth at recessional velocities that
increase systematically with distance
from our planet (with corresponding
increases in redshift).
El modelo estándar de la cosmología : El Big Bang
¿Hay un corrimiento al rojo, por qué?
¡OJO! No es
un efecto→
doppler
Sí, se observa corrimiento al rojo, ¿por qué? Porque el
espacio al expanderse estira todas las ondas
conforme se propagan
Un poco de historia ...
1929- Ley de Hubble: Cuanto más lejos esté el objeto que
observas, más estirandas estarán todas las ondas y mayor será
el corrimiento al rojo de su espectro. El corrimiento al rojo te dice
cuán lejos está un objeto o dicho de otro modo ¿qué edad tiene?
El modelo estándar de la cosmología : El Big Bang
¿ Los objetos no se hacen más grandes también ?
Los objetos se alejan
porque el espacio se
expande desde la
gran explosión, pero
los objetos NO se
hacen más grandes,
se combinan formando estructuras
nuevas
La velocidad de la
expansión depende
del contenido en
energía del universo
Un poco de historia ...
Formación de estructuras
1948 – George Gamow usó los
conociemientos de Física Nuclear y TGR para
describir el universo primigenio.
Asumió (como LeMaitre) que el universo en
sus principios era mucho más caliente y
denso de lo que es ahora y que, en el proceso
de expansión del espacio, se fue enfriando y
fue permitiendo la formación de estructuras.
Quería mostrar cómo las condiciones de
materia caliente y densa del universo primigenio pudieron producir todos los elementos
químicos presentes hoy en el universo.
pol
vo
H2
Es
trel
las
El universo primigenio contenía sólo
Higrónego y Helio. Debido a la expansión del
espacio y a su efecto de enfriamiento, la
nucleosíntesis sólo empezó entre 3 y 4
minutos despues del Big Bang y
esencialmente paró después del Helio.
¿Cómo surgen los objetos celestes?
Homogeneidad e isotropia :”pºCosmológico”
En 1957 Burbidge y Fowler mostraron que los
elementos mas pesados que el Helio se
pueden haber formado en el interior de las
estrellas (por fusión).
Los restos de la explosión de estas estrellas proporcionan nuevos elementos al
espacio para que se formen nuevas estrelas
con los mismos (como es el caso del sol).
La materia no se distribuye de manera uniforme
a distancias pequeñas, solamente a distancias
muy grandes.
Estudiando cómo se distribuye se pueden
entender muchos detalles sobre la evolución del universo y su
composición
Actualmente se tiene una imagen bien detallada de cómo se han
formado las grandes estructuras que se observan en el universo
Se han catalogado más de 100 millones de objetos celestes, y
hay muchos más proyectos previstos para catalogar más
objetos y más lejanos. El objeto más lejano que se conoce es
una galaxia con z=8, lo que significa que la vemos como era
hace 12979 millones de años, y que actualmente está a
29838 millones de años luz de distancia
Prueba del Big Bang: la radiación de fondo de microondas
No podemos ver hasta el
Big Bang. Hay un “muro”
entre medias. Ese muro es
opaco y no podemos ver
lo que está más allá.
Plasma (no
neutro)
Linea temporal
“muro” (no pasa
radiacion)
= Big Bang
= A los 300.000 años el universo todavía estaba poblado por un
plasma caliente de núcleos de átomos, electrones y protones que no
permitía el paso de la radiación (fotones).
= Después esos núcleos de átomos atraparon electrones y la materia
empezó a ser neutra permitiendo el paso de la radiación. El universo ya era
transparente.
= brillo residual (radiacion de fondo). La predicción del Big Bang es
que debe haber radiación (brillo residual) de este tipo viniendo por todas
partes procedente de una especie de horizonte de sucesos (superficie o
instante del universo en el que se paso de un universo opaco a otro transp. )
Big Bang y la radiación de fondo de microondas
Ese brillo residual de la aparición de la
materia tal y como la conocemos (atomos
neutros) todavía se puede observar hoy
Pero ya no es luz visible, porque se
ha enfriado desde su origen hasta hoy
(se observa en la franja de microondas [longuitud de onda])
Estudiando con mucha precisión
este brillo residual, se puede
obtener mucha información acerca
del universo
Procede de cuando el universo tenía
380000 años de edad. Es decir, de
hace unos !!13600 millones de
años!!
Si el universo fuera una persona de 80
años, esta radiación sería una
foto de cuando tenía ¡¡13 meses!!
EN RESUMEN :
Todo comienza con una gran explosión en el espacio (compatible con una fluctuación cuántica)
Demos un paso más : ¿por qué el universo es así, por qué tiene la estructura que tiene?
2ª Parte (II) : ¿Cómo se forma el universo?
¿por qué se ha formado con la estructura que tiene
?
¿Gravedad? Sí, pero con algo más que materia
Evidencias observacionales
La distribución de materia a gran escala
Las galaxias se distribuyen en cúmulos y vacíos
Las supernovas de tipo Ia
Nos permiten conocer cómo es la expansión del
espacio
Los movimientos de los objetos (rotación
de galaxias, cúmulos...)
Nos permiten conocer la distribución de materia
porque están controlados por la gravedad
Las supernovas tipo 1a: candelas estándar
Se utilizaron por primera vez en 1998
Por su enorme brillo, se pueden ver a
distancias enormes
Esto permite obtener información
sobre la composición y la geometría
del universo
Todas brillan lo mismo porque son
iguales. Se producen en sistemas
binarios, cuando una enana blanca
absorbe material de su compañera
gigante hasta que explota
Por eso son “candelas estándar”: Se
pueden utilizar como indicadores de
distancia. Si brillan menos es porque
están más lejos, puesto que sabemos
que en realidad son todas iguales
Han producido el descubrimiento más
importante de los útimos años
Los “movimientos” de los objetos celestes
La única fuerza que actúa es la gravedad
Estudiando los “movimientos” de los objetos
se puede medir la masa que tienen y
entender el contenido de materia del
Universo
Según como sea su
“movimiento” recibiremos
líneas de absorción
diferentes ( a mayor
velocidad de dispersión
mayor grosor )
Con todo esto se llega a los parámetros cosmológios
Universo cerrado
Utilizando las observaciones anteriores, se puede
describir el universo utilizando una serie de
parámetros (densidades de energía, materia y
radiación, curvatura y energía del vacío)
Dependiendo de sus valores, la geometría del
universo puede ser abierta, plana o cerrada
Universo abierto
Al valor de la densidad que hace que la geometría
sea plana se le llama densidad crítica
Universo plano
(geometría
euclídea)
Además, dependiendo de la proporción de energía de cada tipo, el universo puede
expandirse para siempre o colapsarse sobre sí mismo en el futuro
Parámetros cosmológios
Combinando todas las
observaciones que se han hecho
sobre el universo y comparando
con la teoría podemos obtener
los parámetros cosmológicos. La
precisión a la que se está
llegando en algunos casos es
admirable ( ej.: ¡ 2 % en Ωtot ! )
¿Por qué estos valores y no otros? ¿por qué esas cantidades relativas de
materia/ antimateria, H/He, H/deuterio, n/p, por qué el valor de esas constantes
de acoplo de cada fuerza (incluyendo G), por qué ese balance entre T y P al pº
del universo, por qué la habilidad de las estrellas para producir C (esencial para
la vida), etc?
Algunos de esos parámetros son interdependientes pero el punto importante es
que si alguno hubiera cambiado por una pequeña/moderarda cantidad, el
... y, por si fuera poco, hay más “parámetros” en juego ... la
gran sorpresa: el lado oscuro del universo
El 95% del contenido en energía del universo es desconocido.
El Modelo Estándar de las partículas
elementales solamente describe el 5% restante
La gran sorpresa: el lado oscuro del universo
Todas las observaciones concuerdan con un cosmos Oscuro
1)Las medidas de la radiación de fondo
nos dicen que la densidad del
universo es la densidad crítica: Ωtot=1
2)Las medidas de la estructura a gran
escala y el movimiento de los objetos
nos dicen que la cantidad de materia
ordinaria no es suficiente para llegar a
la densidad crítica...¡¡¡Y que la mayor
parte de la materia del universo es
diferente a la que hay en la Tierra!!!
MATERIA OSCURA
3)Las medidas de supernovas de tipo
Ia encuentran la densidad que falta en
una misteriosa forma de...¡¡¡ENERGÍA
OSCURA!!!
El descubrimiento más importante de
los últimos años en cosmología y en
física en general
1) el universo tuvo un comienzo
2) el universo se expande y la masaenergía conocida del universo no puede
explicar el ritmo de expansión del universo
El cosmos es grande, oscuro y vacío
Desvelar la
naturaleza del
lado oscuro es el
mayor reto al
que se enfrenta
la física
La materia oscura y la energía oscura NO ESTÁN en el Modelo Estándar de
las partículas elementales (teoría INCOMPLETA). Son las dos piezas más
relevantes del universo. No sabemos practicamente nada de ellas aunque el
curso del universo viene marcado por ellas. La materia oscura tiende a
mantener el universo unido, mientras que la energía oscura lo dispersa.
Los problemas de la cosmología
y de la física de partículas son
comunes :
¿ Qué es la materia oscura?
No se sabe nada, hay algunas
propuestas que vienen de las
teorías que son extensiones del
Modelo Estándar. Se conoce por
sus efectos gravitacionales.
¿Qué es la energía oscura? Se
sabe menos aun. No hay ningún
candidato conocido salvo la
“energía del vacío”, que está en
profundo desacuerdo con el
Modelo Estándar
La energía oscura es tan extraña que provoca una fuerza de gravedad
repulsiva, y esto hace que la expansión del universo no se frene, sino que se
acelere. El universo tiene geometría plana, pero se expandirá para siempre, y
cada vez más rápido.
Se cree que en el pasado la energía oscura no era dominante y la fuerza
dominante era la gravedad. Para los observadores de esa época se
producía una desaceleración en la velocidad de expansión del Universo,
situación que hace entre 5000 y 10.000 millones de años se invirtió.
Si la tendencia sigue el Universo se expandirá cada vez más rápido
hasta que esté prácticamente vacío de objetos. Conforme lleguemos a
ese punto la información que nos permitió saber sobre la existencia del
Big Bang habrá desaparecido para siempre, produciéndose una suerte
de olvido cósmico. Las civilizaciones que surjan por entonces no podrán
saber sobre el verdadero pasado del Universo porque carecerán de los
datos observacionales.
El principal problema para el futuro es descubrir la naturaleza del lado oscuro
del universo
Problemas comunes a física de partículas y cosmología
¿Por qué?
COSMOLOGÍA (relatividad general) ➛ OBJETOS MASIVOS
FÍSICA DE PARTÍCULAS (Modelo Estándar)➛ OBJETOS PEQUEÑOS
En situaciones habituales nunca hay necesidad de utilizar las
dos teorías juntas. Los objetos o bien son masivos o bien son
pequeños. Nunca ambas cosas a la vez.
PERO
El BIG BANG (el universo en sus primeros instantes) fue tanto
masivo (masa completa del universo) como pequeño (puntual)
Ambas disciplinas están directamente relacionadas
Problemas comunes a física de partículas y cosmología
El exitoso Modelo Estándar solamente describe un 5% del
universo
No estamos hechos de la misma materia que la mayoría de
la materia del universo
¿Volvemos a la edad media?
El 95% restante del universo es absolutamente
desconocido
Para ir más allá en la descripción del cosmos
Posibles extensiones (conocidas)
Nuevas fuerzas
fundamentales
hasta ahora
desconocidas
Dimensiones ocultas del
espacio-tiempo
Nuevas partículas
elementales
¿Cómo estudiar estas posibilidades?
Colisionadores
(presentes y futuros):
LHC, Tevatrón...
Física de neutrinos:
Double-Chooz, NEXT...
Experimentos de física de
astropartículas:
AMS, CTA, MAGIC, ArDM...
Proyectos de cosmología:
DES, PAU
El CIEMAT tiene abiertos frentes de investigación en
todos estos los experimentos aquí mencionados.
CIEMAT - Investigación puntera.
Destellos
Copernico decía que no vivimos en ningún lugar predilecto o privilegiado y
tenía razón ... pero hay más...
*) La cosmologia es una ciencia.
*) Estamos dominados por nada :
Vivimos en un universo dominado por nada: el 70% de la energía del
universo reside en el espacio vacío (esa es la constante cosmológica). Un
25 % restante es materia oscura. Osea que si quitaras la materia de la que
estamos todos formados y todas las estrellas, planetas, etc no pasaría nada
( el universo casi ni se daría cuenta ... )
*) Somos resultado de la selección natural cósmica :
Vivimos en un universo que permite la formación de galaxias, estrellas, ... y
astrónomos
*) Aunque no vivimos en un lugar privilegiado somos privilegiados :
Vivimos en un momento especial : en el momento especial en el que
podemos ver lo especial que somos. Pertenecemos a una época privilegiada
en la que podemos saber el origen y evolución del Universo. La ventana
temporal a través de la cual una civilización inteligente puede conocer la
verdadera naturaleza del Universo es muy estrecha y nos ha tocado vivirla.
Resumen
El universo se expande
El contenido del universo surge de la formación de
estructuras complejas a partir de otras más simples
Su estructura no se puede explicar sin la existencia
de materia oscura
Su evolución no se puede explicar sin la existencia
de energía oscura
¿qué había antes? “nada” (estructura del vacío
cuántica )

El universo se observa que es plano. En un
universo plano se prueba que ET = 0. Un
universo así puede empezar de nada :
fluctuaciones cuánticas pueden producir el
universo sin necesidad de nada más.
Cualquier teoría nueva que surga en el futuro o ya existente
sobre el origen y evolución del universo tiene que predecir lo
que ya se ha observado y si no lo predice no será una teoría
creíble.
Agradecimientos :
Pablo García Abia
* por brindarme la oportunidad de estar aquí hoy,
* por sus explicaciones, aclaraciones,
puntualizaciones, etc y
* por animarme a afrontar este reto de la divulgación
científica
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...
Si diera por hecho que estáis interesados estaría cometiendo un error. Enseñar es seducir.
Uno necesita alcanzar a quien esta al otro lado para que sienta interes por lo que dices y
empiece a escucharte. Sin conexión, no hay atención y sin atención no hay aprendizaje.
Hay muchas formas de seducción. Una de ellas la inició Sócrates, bajandose del pedestal
de “los sabelotodo“ y poniendose “al nivel” del otro (en cierto modo). Lo que Sócrates se
atrevió un día a decir, nos lleva a pensar que no hay nada malo en ser ignorante, porque
todos somos ignorantes de lo que está por descubrirse.
La ciencia está pensada para el ignorante no para el que cree que no hay que estudiar
porque la respuesta a todo fue ya dada y está ya escrita en un libro sagrado. La ciencia
está escrita para el que tiene una mente abierta.
Pero cuando uno se abre a algunas cosas, ¿se está ineludiblemente cerrando a otras ?
Esa es la cuestión : ¿puede la ciencia enriquecer la religión o tiene siempre que destruirla?
Ya en sus días Galileo dijo que ser superior no nos habría dado un cerebro y la capacidad
de pensar si no fuera para eso mismo, para poner en tela de juicio los dogmas que nos
rodean. Bueno, dijo para estudiar la naturaleza, la realidad que nos rodea, pero lo de poner
en tela de juicio nos lleva a otra forma de seducción porque ¿a quién si no a un
adolescente o a un inconformista le gusta poner en tela de juicio a todo ?
Y hay algo de lo que váis a escuchar que pone en tela de juicio ciertos dogmas.
Una frase que vale para cualquiera (científico, religioso, filósofo, ciudadano de a pie, ...) :
“Knowing your answer means nothing. Testing your knowledge means everything” [Krauss]
Para entender
un poco más las
distancias
enormementes
grandes de las
que hablamos ...
0
.
6
The Big Bang can be mentally related to the above-mentioned singularity event
by imagining that the expansion is run in reverse (like playing a film backwards):
all materials that now appear as though moving outward (as space itself
expands) would, if reversed in direction, then appear to ultimately converge on a
"point of origin".
Los agujeros negros son los restos de algunas estrellas que antaño eran tan masivas que cuando se estaba agotando la energía producida por la fusión nuclear fue vencida por la
propia gravedad, compactando los restos de la estrella muerta en un cuerpo celeste tan denso que ni tan siquiera la luz es capaz de escapar de su interior. A pesar de que el
término “agujero negro” puede inducir a pensar lo contrario, los agujeros negros no son agujeros ni tampoco negros, como ya veremos. Sin embargo poseen una característica que
los diferencia del resto y es que los agujeros negros tienen un horizonte de sucesos.
El horizonte de sucesos es la región del espacio tiempo que envuelve al agujero negro en la cual ninguna partícula que se encuentre en su interior será capaz de escapar por
mucha velocidad que alcance. Ni tan siquiera a la velocidad de la luz. ¿Dónde va a parar toda la información física de la materia que cae a un agujero negro? Es una de las
muchas preguntas que se pueden formular cuando se trata de explicar cómo funcionan los agujeros negros y, en último caso, cómo funciona la gravedad.
Cuando hablamos de información física no se trata en exclusiva de información como podemos entender en informática. El significado de información física es más general, y
podemos decir que información física son todos los valores de las magnitudes físicas que se intercambian en una interacción. Por ejemplo, cuando colisionan dos bolas de billar e
una mesa para luego cambiar su trayectoria, en el instante de la colisión hay una serie de datos relevantes que contienen información física, como son la masa, la velocidad, la
energía cinética, etcétera. Todos esos cambios influyen y son susceptibles de ser medidos de manera que cada una de esas bolas nos puede decir de dónde vino y a dónde va,
gracias a que esa información física es medible.
Volviendo a los agujeros negros. Éstos absorben la materia circundante mediante su poderosa atracción gravitatoria. Por acción de la gravedad, los objetos de menor masa van
cayendo hacia el horizonte de sucesos y en las inmediaciones de éste se van arremolinando formando lo que se conoce como “disco de acrección” para finalmente, una vez
rebasen el límite del horizonte de sucesos, no volver a salir nunca. El científico inglés Stephen Hawking propuso que los agujeros negros podían "evaporarse" mediante un proces
muy curioso denominado Radiación de Hawking.
Hemos dicho que un agujero negro tiene un horizonte de sucesos del que nada puede escapar. ¿Cómo es posible que se evapore? La clave está en el vacío. En un vacío que, a
nivel cuántico, no es lo mismo que la nada. El vacío cuántico es, en cambio, un agitado mundo en el cual se están creando constantemente pares de partícula-antipartícula que se
desintegran rápidamente. Esto se debe al principio de incertidumbre, que en una de sus versiones se puede interpretar como que es posible pedir prestada una cantidad de
energía al vacío siempre que se le devuelva en un tiempo determinado.
Así que en efecto es posible que de la "nada" se cree un par partícula-antipartícula que se llega a desintegrar muy deprisa. Son llamadas partículas virtuales, como contraposición
a las partículas reales. Las partículas virtuales existen durante un periodo muy breve de tiempo y explican multitud de desintegraciones que se observan en los aceleradores de
partículas y que son imposibles de explicar sin considerar interacciones de este tipo. Dejando la filosofía a un lado, para explicar en qué consiste la Radiación de Hawking
supongamos que justo en el borde de un agujero negro se crea un par de estos. Por ejemplo, un electrón y un positrón.
El problema viene cuando un miembro de este par, por ejemplo el electrón, cae dentro del horizonte de sucesos. El positrón en cambio para respetar la conservación de la energía
y de la cantidad de movimiento en lugar de caer en el horizonte de sucesos, se aleja. En esta situación, jamás volverán a encontrarse para aniquilarse y devolver al vacío la deuda
de energía que contrajeron. Observemos que la partícula que salió deja de ser virtual y pasa a ser real. El agujero negro es el que cede al vacío la energía utilizada para crear el
par electrón-positrón. Y mientras tanto, el positrón se aleja.
Lo que ha ocurrido netamente es que el agujero negro ha perdido un poco de energía y ha emitido un positrón. Obviamente, vale para cualquier par partícula-antipartícula. Esto es
la Radiación de Hawking y permitiría que eventualmente el agujero negro se desintegrase con el paso del tiempo. Hay que recalcar que todavía no existe evidencia experimental
sobre la radiación de Hawking, aunque se cree que es cuestión de tiempo. Aunque se están emitiendo partículas, en realidad no portan ninguna clase de información sobre el
interior del horizonte de sucesos. Es decir, nada de lo que cae afecta realmente a lo que se emite. El positrón emitido nunca ha estado en contacto con la materia que forma el
agujero negro y no sabe nada de lo que hay dentro.
Esta independencia entre un hecho y otro se convierte en paradoja cuando uno se plantea la situación de que el agujero negro termina por evaporarse completamente, habiendo
emitido durante una cantidad enorme de tiempo toda su masa-energía al espacio.