En el inicio del tiempo, en el núcleo de cada agujero negro, se encuentra un punto de densidad infinita conocido como singularidad. Para investigar estos fenómenos enigmáticos, aplicamos nuestro conocimiento sobre el espacio, el tiempo, la gravedad y la mecánica cuántica a una región donde estas leyes parecen desmoronarse. No hay nada en el universo que desafíe más nuestra imaginación. Los físicos sostienen que si logran formular una explicación coherente sobre lo que realmente ocurre dentro y alrededor de las singularidades, podría surgir una revelación significativa, tal vez una nueva comprensión sobre la naturaleza del espacio y el tiempo.
A finales de la década de 1960, algunos científicos comenzaron a especular que las singularidades podrían estar rodeadas por una región de caos, donde el espacio y el tiempo se expanden y contraen de manera aleatoria. Charles Misner, de la Universidad de Maryland, denominó a este fenómeno el “universo Mixmaster”, en referencia a una popular línea de electrodomésticos de cocina de la época. Kip Thorne, un físico que más tarde recibiría el Premio Nobel, ilustró la idea diciendo que si un astronauta cayera en un agujero negro, se podría imaginar cómo las partes de su cuerpo se mezclarían como un batidor mezcla la yema y la clara de un huevo.
La complejidad de la relatividad
La teoría general de la relatividad de Einstein, que describe la gravedad de los agujeros negros, se basa en una única ecuación de campo que explica cómo se curva el espacio y se mueve la materia. Sin embargo, esta ecuación utiliza un concepto matemático conocido como tensor para condensar 16 ecuaciones distintas y relacionadas. Varios científicos, incluido Misner, desarrollaron supuestos simplificadores que les permitieron explorar escenarios como el universo Mixmaster.
Sin estas suposiciones, la ecuación de Einstein no podía resolverse de manera analítica, y aún con ellas, resultaba demasiado compleja para las simulaciones numéricas de la época. Con el tiempo, estas ideas se volvieron obsoletas. Gerben Oling, investigador postdoctoral de la Universidad de Edimburgo, comentó que “se supone que esta dinámica es un fenómeno muy general de la gravedad, pero se ha perdido en el mapa”. En años recientes, los físicos han comenzado a reexaminar el caos en torno a las singularidades utilizando nuevas herramientas matemáticas.
Revisando el caos Mixmaster
Los objetivos de esta nueva investigación son dos. Primero, demostrar que las aproximaciones de Misner y otros son válidas dentro del marco de la gravedad einsteiniana. Segundo, acercarse a las singularidades con la esperanza de que sus extremos puedan ayudar a reconciliar la relatividad general con la mecánica cuántica en una teoría de la gravedad cuántica, un objetivo que ha sido perseguido por los físicos durante más de un siglo. Sean Hartnoll, de la Universidad de Cambridge, expresó que “ha llegado el momento de que estas ideas se desarrollen plenamente”.
Thorne describió el final de los años 60 como una “época dorada” para la investigación de los agujeros negros. En septiembre de 1969, durante una visita a Moscú, recibió un manuscrito de Evgeny Lifshitz, un destacado físico ucraniano. Junto con Vladimir Belinski e Isaak Khalatnikov, Lifshitz había encontrado una nueva solución a las ecuaciones de la gravedad de Einstein cerca de una singularidad, utilizando supuestos que habían ideado. Temiendo que la censura soviética retrasara la publicación del resultado, Lifshitz pidió a Thorne que lo compartiera en Occidente.
La solución BKL y su impacto
Los modelos anteriores de agujeros negros asumían simetrías perfectas que no se encuentran en la naturaleza, como la idea de que una estrella era una esfera perfecta antes de colapsar en un agujero negro. La solución que encontraron Belinski, Khalatnikov y Lifshitz, conocida como la solución BKL, describía lo que podría suceder en una situación desordenada y más realista, donde los agujeros negros se forman a partir de objetos de formas irregulares. El resultado no era una expansión uniforme del espacio y el tiempo, sino un mar turbulento que se expande y se comprime en múltiples direcciones.
Thorne llevó el artículo clandestinamente a Estados Unidos y envió una copia a Misner, quien pensaba de manera similar. Resultó que Misner y el grupo soviético habían llegado independientemente a las mismas ideas, utilizando supuestos similares y técnicas diferentes. Además, el grupo BKL utilizó sus hallazgos para resolver uno de los problemas más importantes de la relatividad matemática de la época, relacionado con la existencia de lo que se conoce como una singularidad “genérica”. Belinski, el último miembro sobreviviente del trío BKL, comentó que las descripciones vívidas de Misner le ayudaron a visualizar la situación caótica cerca de las singularidades que ambos habían revelado.