Una fibra óptica recrea el horizonte de un agujero negro y muestra cómo nace la radiación de Hawking

Durante décadas, los agujeros negros fueron descritos como regiones de las que nada podía escapar. Sin embargo, Stephen Hawking mostró que los efectos cuánticos permiten una emisión extremadamente débil, capaz de hacer que estos objetos pierdan energía y se evaporen con enorme lentitud.

Observar esa radiación en el espacio es imposible, porque sería demasiado tenue frente a otras fuentes cósmicas. Por ello, los físicos construyen sistemas análogos que si bien no reproducen un agujero negro, sí las ecuaciones que gobiernan el comportamiento cerca de su horizonte.

El trabajo fue encabezado por Lorenzo Procopio y Ulf Leonhardt, con la participación de Raúl Agüero-Santacruz y David Bermudez, investigadores del Cinvestav en México. Si bien sus resultados no crean gravedad real ni una singularidad, ofrecen un laboratorio controlado para estudiar fenómenos equivalentes.

El avance tampoco demuestra que la información absorbida por un agujero negro pueda recuperarse pero su importancia radica en mostrar cómo una emisión semejante a la de Hawking puede surgir mediante una interacción sencilla y cómo esa misma emisión modifica al sistema que la genera.

Radiación de Hawking y evaporación de agujeros negros

La radiación de Hawking conecta tres áreas fundamentales de la física:

1. La gravedad,
2. La mecánica cuántica y
3. La termodinámica.

Teoricamente, un agujero negro emite "cuantos" y obtiene la energía necesaria de su propio campo gravitatorio, lo que lo hace perder masa de manera gradual.

La imagen popular de dos partículas nacidas exactamente en el horizonte, una que cae y otra que escapa, es solo una simplificación. Una descripción más precisa utiliza los llamados "modos de frecuencia" (positiva y negativa), relacionados por la geometría y propiedades cuánticas.

En un agujero negro astrofísico, la radiación esperada sería espontánea y surgiría de fluctuaciones cuánticas. En el experimento óptico, se empleó una señal externa para estimular el proceso, de modo que reprodujo varias características de la radiación, aunque dentro de un régimen energético controlado.

El estudio no constituye una detección astronómica de la radiación de Hawking ni una observación completa de su versión cuántica. Sólo consiste en aislar un mecanismo elemental que antes se interpretaba como una secuencia más compleja de interacciones ópticas.

Fibra óptica, paradojas y entrelazamientos

Uno de los mayores dilemas de la física moderna es la paradoja de la información. Si un agujero negro se evapora, no sabemos qué sucede con los datos de la materia que cae adentro. La mecánica cuántica dicta que la información nunca debe destruirse, desafiando la visión clásica de la relatividad.

El experimento arroja luz sobre estó mediante el estudio del entrelazamiento cuántico entre partículas. Los resultados sugieren que la información no se pierde para siempre, sino que permanece codificada en la radiación emitida, permitiendo recuperar rastros de lo que fue absorbido.

Para construir el análogo, los investigadores enviaron pulsos láser ultracortos por una fibra de cristal fotónico. Donde se modificaba el índice de refracción, creando una perturbación que alteró la velocidad con la que otras ondas luminosas podían propagarse.

Cuando una señal débil coincidió con la perturbación, apareció el equivalente óptico de un horizonte. La interacción produjo frecuencias negativas en el ultravioleta, alrededor de 233 nanómetros, tal como predecía el modelo. Esas componentes representan el equivalente óptico de las parejas asociadas con Hawking.

La retroacción, la información y el futuro

El análisis mostró que la emisión no necesitaba surgir de una larga cascada de fenómenos, con una interacción directa entre el pulso de bombeo y la señal de prueba podía generar simultáneamente las coincidencias. Esa identificación constituye uno de los resultados centrales del trabajo publicado en Nature.

La misma interacción que generó la señal también redistribuyó parte de la energía del pulso hacia otras frecuencias. Esa respuesta es la retroacción, es decir, el equivalente experimental de cómo la radiación emitida modifica al campo que la alimenta y, en un agujero negro, reduce progresivamente su masa.

Para estudiar el entrelazamiento cuántico y la reaparición de la información será necesario sustituir la luz clásica por estados no clásicos, como fotones individuales, capaces de revelar correlaciones cuánticas entre los modos que forman cada pareja producida.

Aun con limitaciones, el resultado ofrece una ruta concreta para entender la evaporación desde niveles microscópicos, si se intentan procesos equivalentes en campos gravitacionales reales, podríamos comprender cómo irradian los agujeros negros y, eventualmente, resolver la paradoja de la información.