No existe, ni podría fabricarse jamás, un termómetro capaz de acercarse lo suficiente a un agujero negro sin desvanecerse tras su horizonte de eventos. Por eso, es inevitable pensar que la física de las escalas muy pequeñas, la física cuántica, no es el único campo en el cual resulta imposible medir ciertas variables. Recordemos el principio de incertidumbre de Heisenberg por el cual no es posible medir en simultáneo la posición y el momento de una partícula o la energía de un sistema y su tiempo.
Pero en la física de aquellas escalas tan masivas que ni siquiera dejan que la luz escape de su fuerza de gravedad, la física de los agujeros negros, desentrañar la naturaleza de las cosas tampoco es tarea sencilla.
La temperatura en el interior de un agujero negro es un concepto complejo y en muchos sentidos contradictorio por la naturaleza misma de estos objetos.
A las escalas en las que rigen las leyes de Newton y los principios de la termodinámica, la temperatura puede definirse como la velocidad a la que se mueven las partículas de un sistema. Y está profundamente ligado al concepto de energía cinética promedio. Cuando algo está muy frío, las partículas están muy compactas. Pero, si por el contrario, algo se encuentra muy caliente, quiere decir que las partículas que lo componen están muy dispersas o excitadas. Por eso el calor expande y vuelve maleable los metales y el frío los comprime y endurece.
Y, siguiendo esta lógica, podemos encontrar muchísimos ejemplos en nuestra vida cotidiana. Cuando queremos remover una mancha difícil de una prenda, la lavamos con agua caliente. Pero cuando tocamos un cubito de hielo, nuestra piel puede quedarse pegada.
El frío tiende a favorecer la unión de partículas y el calor, a romper enlaces. Aunque, en muchos casos, también permite formar otros en partículas que, sin un grado de excitación suficiente, no podrían encontrarse.
Ahora bien, ¿cuál es la temperatura de un agujero negro? ¿Es ardiente como las estrellas que al morir le dan vida? ¿O fría como el vacío que separa a los astros? Pero, lo más importante, ¿tiene sentido el concepto de temperatura al interior de un agujero negro?
Algunos científicos podrían argumentar que no. Y otros dejar volar su imaginación buscando una respuesta. Pero no existe una conclusión tajante al respecto.
Si nos detenemos a pensarlo, lo primero que debemos advertir es que la física que rige a esas escalas es la de la Teoría de la Relatividad General de Einstein y no la de las leyes de Newton.
Einstein revolucionó nuestra comprensión del universo con su teoría, que describe la gravedad no como una fuerza, como lo hizo Newton, sino como una curvatura del espacio-tiempo causada por la masa y la energía. A escalas tan masivas como las de un agujero negro, las predicciones de la relatividad general son las que describen con precisión el comportamiento de estos objetos. Mientras que la física de Newton es suficiente para explicar la gravedad en situaciones cotidianas y a escalas más pequeñas, no puede describir adecuadamente fenómenos donde la gravedad es extremadamente intensa, como en el caso de los agujeros negros.
La relatividad general establece que la presencia de masa y energía deforma el tejido del espacio-tiempo. Y esta deformación es la que, justamente, percibimos como gravedad.
Un agujero negro se forma cuando una cantidad suficiente de masa se concentra en una región tan pequeña que la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita, creando una singularidad. Esta singularidad es un punto donde las leyes de la física, tal como las conocemos, dejan de aplicarse. Alrededor de esta singularidad se encuentra el horizonte de eventos, el límite más allá del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar.
Einstein no predijo directamente la existencia de agujeros negros, pero sus ecuaciones de campo de la relatividad general permitieron a otros científicos, como Karl Schwarzschild, encontrar soluciones que describen estos objetos. La solución de Schwarzschild, descubierta en 1916, describía una singularidad rodeada por un horizonte de eventos, lo que más tarde se entendería como un agujero negro. Con el tiempo, observaciones astronómicas y desarrollos teóricos han proporcionado pruebas contundentes de la existencia de agujeros negros, confirmando las predicciones de la relatividad general.
La vigencia de la relatividad general se debe a su capacidad para explicar fenómenos que la física newtoniana no puede. Observaciones como la precesión del perihelio de Mercurio, la deflexión de la luz por la gravedad, y las ondas gravitacionales descubiertas recientemente, concuerdan, en todos los casos, con las predicciones de Einstein.
Dicho esto, ¿qué ocurre con la energía cinética de las partículas al interior de un agujero negro?
Una vez que las partículas cruzan el horizonte de eventos, se dirigen inevitablemente hacia la singularidad en el centro del agujero negro, donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita. En este viaje hacia la singularidad, la energía cinética de las partículas se incrementa significativamente debido a la inmensa fuerza gravitacional. Sin embargo, describir esta energía cinética con precisión es extremadamente difícil, ya que las leyes de la física clásica y cuántica tal como las conocemos se rompen en la singularidad.
La relatividad general nos dice que, a medida que las partículas se acercan a la singularidad, su velocidad aumenta drásticamente debido a la intensificación del campo gravitatorio. Esta aceleración debería, en teoría, incrementar su energía cinética a niveles extremos. No obstante, la presencia de una singularidad introduce un punto donde las cantidades físicas como la densidad y la curvatura del espacio-tiempo se vuelven infinitas, lo que significa que nuestras ecuaciones actuales dejan de ser aplicables. En este sentido, la energía cinética de las partículas se convierte en un concepto errático, ya que no tenemos una teoría que describa adecuadamente las condiciones en el interior de la singularidad.
Para abordar estos problemas, los físicos teóricos buscan una teoría unificadora de la gravedad cuántica que combine la relatividad general y la mecánica cuántica. Teorías como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles intentan proporcionar un marco para entender estos fenómenos. Aunque aún no se ha alcanzado un consenso sobre una teoría completa, se espera que una comprensión más profunda de la gravedad cuántica nos permita describir de manera coherente lo que sucede con la energía cinética de las partículas dentro de un agujero negro.
Pero siguiendo con las nociones de la física actual, cabe hacernos una pregunta. Si la fuerza de la gravedad al interior de un agujero negro es tan fuerte, ¿los objetos en su interior no deberían acabar totalmente apisonados; es decir, extremadamente compactos? Y si cuando las partículas están muy juntas y compactas, la temperatura tiende a ser más fría, entonces al interior de la singularidad, ¿esta no debería tender al cero absoluto?
A primera vista, podría parecer lógico suponer que si todo en el interior de un agujero negro se halla obscenamente compacto y apisonado, las partículas estarían tan inmovilizadas que la temperatura tendería a ser lo más baja posible. Y, según nuestra física actual, el cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible. En ese punto, el movimiento de las partículas cesa por completo. Sin embargo, como ya dijimos antes, la situación dentro de un agujero negro es mucho más compleja y desafía esta intuición simplista.
Antes que nada, debido a la intensa gravedad y la curvatura extrema del espacio-tiempo, la energía de las partículas en el interior de un agujero negro se concentra en formas que no llegamos a comprender. En lugar de moverse libremente, las partículas están atrapadas en trayectorias que inevitablemente las conducen hacia la singularidad. Por lo tanto, la energía que normalmente se asociaría con la temperatura en un sistema más familiar no tiene aplicación lógica en este contexto, dominado por fuerzas gravitacionales inmensamente poderosas.
Lo que sí sabemos es que la radiación de Hawking, una predicción de la mecánica cuántica aplicada a los horizontes de sucesos, sugiere que los agujeros negros tienen una temperatura superficial muy baja, inversamente proporcional a su masa.
La radiación de Hawking sugiere que los agujeros negros no son completamente negros, sino que emiten radiación debido a efectos cuánticos cerca del horizonte de eventos. Esta radiación es el resultado de la creación de pares de partículas y antipartículas en las proximidades del horizonte de eventos, donde una de las partículas puede caer en el agujero negro mientras la otra escapa. Este proceso implica que el agujero negro pierde masa con el tiempo, llevando a una eventual evaporación si no adquiere masa adicional. Como la temperatura asociada con esta radiación es inversamente proporcional a la masa del agujero negro, resulta extremadamente baja para agujeros negros de escalas siderales, pero debería tornarse demencialmente grande en agujeros negros microscópicos.
Debemos señalar, no obstante, que los agujeros negros microscópicos son sólo teóricos por el momento. A pesar de las elegantes predicciones y modelos que sugieren su posible existencia, ninguna observación directa o evidencia experimental ha confirmado hasta ahora que tales objetos realmente existan. Los físicos utilizan colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), para buscar señales que puedan indicar la formación de este tipo de objeto microscópico. Sin embargo, la detección es extremadamente difícil debido a la brevedad de su vida y a las condiciones extremas necesarias para su formación. Hasta el momento, los resultados de estos experimentos no han proporcionado pruebas concluyentes, lo que mantiene a estos objetos en el terreno de la especulación científica.
La importancia de confirmar la existencia de agujeros negros microscópicos va más allá de la mera curiosidad. Tal descubrimiento tendría profundas implicaciones para nuestra comprensión de la física fundamental, incluyendo la naturaleza de la gravedad cuántica y la posible existencia de dimensiones adicionales más allá de las cuatro conocidas (tres espaciales y una temporal). Si se detectaran, podrían ofrecer una ventana única hacia fenómenos de alta energía y alta gravedad que no podemos estudiar de otra manera. Además, podrían proporcionar pistas cruciales sobre la formación del universo temprano y la evolución de las estructuras cósmicas.
La detección de agujeros negros microscópicos también ayudaría a verificar las predicciones de la Teoría de la Relatividad General y a explorar los límites de su aplicabilidad. Al examinar estos objetos, los físicos podrían reunir evidencia empírica que respalde o refute diversas teorías de la gravedad cuántica, acercándonos un paso más a una teoría unificada que describa todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Además, comprender mejor la temperatura y la radiación de estos agujeros negros podría ofrecer nuevas perspectivas sobre la entropía y la información en sistemas cuánticos.
Aunque, por ahora, nada pasa de meras especulaciones. Sucede que, hasta que no tengamos una Teoría del Todo que unifique la física, no tendremos una comprensión acabada sobre el comportamiento de la temperatura al interior de un agujero negro, ni de la física en general que rige dentro de la singularidad.
Una Teoría del Todo, que reconciliaría la relatividad general con la mecánica cuántica, proporcionaría un marco coherente para describir todos los fenómenos físicos, incluidos los que ocurren dentro de un agujero negro. Tal teoría nos permitiría entender cómo las partículas y la energía se comportan en el corazón de estas monstruosidades siderales y cómo se relacionan con la temperatura. Sin esta unificación, nuestras descripciones de la física en estos contextos extremos seguirán siendo parciales y potencialmente contradictorias. La falta de una Teoría del Todo impide que podamos desarrollar modelos precisos y verificables, dejándonos con muchas preguntas sin respuesta y una comprensión fragmentada de estos excitantes objetos cósmicos.
La respuesta a esta pregunta involucra una comprensión de la naturaleza del universo para la cual todavía hace falta una teoría del todo que unifique la física.