Ya que últimamente andamos de viaje, vamos a dar un paseo por el Universo para entender mejor a esos polémicos y muy escuchados agujeros negros. En La BioZona ya se ha hablado de ellos; los invito a leer los artículos «¿Todos los agujeros negros son iguales?», «¿Cuántos años vive un agujero negro?», y «Observando lo invisible: Agujeros negros en el Universo». Este nuevo artículo tratará de una definición muy peculiar de los agujeros negros, basada en las interacciones fundamentales del Universo.

Los agujeros negros son objetos sorprendentes en el Universo que pueden ser descritos brevemente por la cualidad que les da su nombre: no interactúan con la luz, lo que significa que no son visibles para nuestros ojos. Utilizo la frase «no interactúan con nuestros ojos» ya que más adelante ocuparemos este concepto para entenderlos mejor. Otra característica que los define es que son altamente densos, es decir, que tienen una gran cantidad de masa en un espacio muy reducido.

Los agujeros negros se pueden definir de varias maneras, cada una más específica que la anterior. Una de ellas es que son objetos tan increíblemente densos que no dejan escapar ni siquiera la luz. Otra forma es utilizando conceptos de la teoría de la relatividad general de Einstein. En esta teoría, un agujero negro puede describirse como una región del espacio donde las ecuaciones del espacio y el tiempo indican que no hay materia, incluso en áreas más pequeñas que el horizonte de eventos (frontera más allá de la cual nada puede escapar). Esta última definición pudo haber aturdido la mente de algunos, pero quiero dejarles claro que un agujero negro se puede definir de diferentes formas.

Haremos a un lado un momento lo que son los agujeros negros para empezar a hablar de las interacciones fundamentales del universo, de las cuales se habla un poco en el artículo «El Modelo Estándar: Los bloques fundamentales del Universo». El Universo está conformado por materia y energía, y esa materia interactúa entre sí a través de fuerzas o interacciones fundamentales.

Existen cuatro interacciones en el universo: la gravitación, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Estas cuatro fuerzas son las que ayudan a que toda la materia del Universo se comporte de la forma que lo hace. Por ejemplo, por qué los polos opuestos de un imán se atraen, por qué las cosas caen, y fenómenos más complejos como por qué se desintegran los átomos. Una ilustración didáctica que me gusta mucho utilizar es la metáfora de que cada cuerpo con materia tiene una especie de «máquina» de interacciones fundamentales (Figura 1).

Una de las interacciones profundamente vinculadas con la luz es la interacción electromagnética. La luz tiene mucha historia, desde los estudios pioneros de Sir Isaac Newton hasta la actualidad, que nos han enseñado a comprenderla casi de pies a cabeza. Una de las cosas que Newton postuló al modelar parte de la física clásica es que la luz tenía una velocidad infinita. Esto era posible ya que no afectaba significativamente la física de su tiempo. Con los avances del electromagnetismo cerca del año 1900, se supo que la luz es una onda, por lo cual ésta tiene una velocidad finita a la que se transmite. Siendo exactos la velocidad de la luz es 299,792,458 metros por segundo y como dato interesante es una de las constantes del Universo más exactas que se han calculado. 

Si añadimos relatividad al análisis matemático de la fuerza gravitacional de Newton, llegamos a una expresión conocida como longitud gravitacional. En la mecánica clásica esta expresión no tendría mucho sentido porque se creía que la velocidad de la luz era infinita, lo que implicaba que esta longitud era cero para todos los objetos con masa. Ahora que sabemos que la luz tiene velocidad finita, podemos decir que la longitud gravitacional sí existe, aunque sea demasiado pequeña.

Veamos lo anterior con un ejemplo, si en este momento tomara un cuerpo cualquiera con materia, digamos un personaje de un Among Us (Figura 2), y analizamos las interacciones que actúan sobre él, veríamos que las cuatro interacciones fundamentales están presentes. Ahora, imagina que tuviera el poder de apagar interacciones excepto la gravitacional. Entonces este cuerpo se convertiría en ¡un agujero negro! Es importante aclarar que este ejercicio mental es totalmente teórico y estamos despreciando cualquier otra cosa en el Universo además de la gravedad y el cuerpo en cuestión. Además, estamos suponiendo que es un Among Us lo suficientemente masivo para que no entre al campo de la mecánica cuántica. Este agujero negro teórico tendría un radio gravitacional correspondiente al del tamaño del Among Us.

A partir del ejemplo anterior, llegamos a una última definición de agujero negro que aprenderan hoy: Un agujero negro es un cuerpo formado de materia en el cual la única interacción presente es la fuerza gravitacional.

Agradecimientos

Agradezco a Campos Cuánticos y a La Roñosa por sus comentarios y correcciones al borrador de esta entrada.

¿Quieres saber más?

Jackson, J. D. (1998), «Classical Electrodynamics«, John Wiley & Sons Inc, pp. 25-40.

Halzen, F. & Martin, A. (1984), «Quarks and Leptons«, John Wiley & Sons Inc, pp. 28-30.

Ramos-Sanchez, S. (2018), «Relatividad para futuros físicos«, CopIt-arXives, pp. 181-185.

Instituto de Física Teórica IFT (2013), «Los Agujeros Negros, esos monstruos sutiles por Jose L. F. Barbón«.