¿Se pueden crear miniagujeros negros?

Continuando con los programas destinados a celebrar el Centenario de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, hoy hemos invitado a Germán Fernández Sánchez, doctor en Ciencias Físicas, colaborador de CienciaEs.com y antiguo investigador en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). Hablamos con él de aceleradores de partículas, de relatividad y de un tema que ha despertado ciertos temores, la posibilidad de que se creen mini agujeros negros en el LHC.

Large Hadron Collider (LHC)

Construido a caballo entre Francia y Suiza cerca de Ginebra, se encuentra el Large Hadron Collider (LHC), un enorme acelerador que consiste en un anillo de 27 kilómetros de diámetro en cuyo interior circulan dos haces de partículas, en direcciones opuestas, que son aceleradas hasta velocidades cercanas a las de la luz antes de hacerlas colisionar entre sí. Este instrumento científico, que está considerado como “la máquina más grande del mundo”, está revelando los más íntimos secretos de la materia. Sin embargo, su existencia y sobretodo las sucesivas mejoras que le están permitiendo alcanzar energías inimaginables, no se ha librado de los recelos que, con más frecuencia de lo que sería deseable, suelen despertar algunos experimentos científicos. Uno de esos “recelos” apunta la posibilidad de que en el LHC se puedan crear “mini agujeros negros” que, según la opinión de algunos, podrían poner en peligro a la Tierra. Hoy intentaremos aclarar estas cosas con Germán Fernández Sánchez.

Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza

La gravedad es una fuerza extremadamente débil, comparada con las otras fuerzas de la naturaleza, la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, que a pesar de llamarse “débil” es más de un cuatrillón de veces (1025) más intensa que la gravedad. Nosotros en el mundo macroscópico sentimos principalmente la gravedad porque, por un lado, las fuerzas nucleares son de corto alcance y sólo actúan a escala microscópica. Por otro, aunque la fuerza electromagnética es un sextillón de veces (1036) más intensa que la gravedad, las cargas positivas del núcleo de los átomos y las negativas de los electrones en el exterior se compensan, los átomos son eléctricamente neutros. Solamente cuando existe una descompensación entre las cargas sentimos la fuerza electromagnética en toda su magnitud. En cambio, a pesar de su debilidad, sentimos la gravedad por la enorme cantidad de masa que tiene la Tierra.

Las partículas elementales son los entes más pequeños del universo y por lo tanto sus efectos gravitatorios son despreciables. Parece como si la gravedad estuviera reservada para los objetos muy masivos y por ello la Teoría General de la Relatividad de Einstein se hace notar de forma muy especial en objetos muy masivos, como ha quedado demostrado en los programas que hemos ido emitiendo durante este año 2015. En ellos hemos hablado de la aplicación de la Relatividad General para explicar el avance del perihelio de Mercurio, la curvatura del espacio-tiempo alrededor de objetos muy masivos como las estrellas de neutrones o agujeros negros, las lentes gravitatorias generadas por estrellas y galaxias, etc.

Los científicos estudian el comportamiento de las partículas más elementales del universo con máquinas llamadas aceleradores de partículas. Un acelerador es un artilugio ideado para aumentar la velocidad de un haz de partículas de manera continua hasta hacerlo alcanzar velocidades extraordinarias, que pueden ser cercanas a la de la luz. Einstein había demostrado con la primera de sus teorías, la Teoría Especial de la Relatividad, publicada en 1905, que la masa de los cuerpos es una forma de energía almacenada. Su bien conocida fórmula E=mc2 muestra la equivalencia entre la energía (E) y la masa (m) de un cuerpo. Cuando una partícula es acelerada, va aumentando su velocidad y, cuanto más veloz es, más energía lleva. Una bala disparada por una pistola tiene la misma masa que una bala en reposo pero su energía es mayor, suficiente como para matar a una persona.

Sin embargo, la relatividad nos enseñó que un cuerpo no puede aumentar su velocidad hasta el infinito, existe un límite y ése límite es la velocidad de la luz ©. Si es así, en el supuesto de que pudiéramos comunicar a una partícula energía de forma continuada ¿qué pasaría? ¿Si la energía no se traduce en un aumento de velocidad, a dónde va a parar? Einstein dio con la solución: a medida que la partícula se acerca al límite, parte de la energía suministrada se convierte en masa. La partícula se hace más pesada, más difícil de acelerar, como si al empujar un ratón, a medida que éste fuera adquiriendo velocidad, se fuera convirtiendo en un elefante.

¿Podría aumentar la masa de una partícula en un acelerador de partículas hasta el punto de que su gravedad fuera apreciable?

Cálculos teóricos demuestran que para que los efectos de la gravedad fueran apreciables en un acelerador de partículas habría que alcanzar una energía comparable a la llamada energía de Planck, del orden de 1016 TeV. Téngase en cuenta que el acelerador más grande que existe en estos momentos, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), tan sólo puede alcanzar los 14 TeV, unos mil billones de veces menos que la energía de Planck. Aun así, según algunas teorías de cuerdas, esa energía podría ser más baja.

Agujeros negros y mini-agujeros negros

Un agujero negro es un objeto muy denso cuya gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de él. Se sabe que en el centro de la Vía Láctea existe un agujero negro supermasivo, conocido como Sagitario A, que acumula una masa superior a 4.000 millones de soles. Sagitario A se presenta a veces como un monstruo devorador de estrellas a las que engulle sin piedad, aunque, la realidad es muy distinta y bastante menos dramática. Con este ejemplo podríamos pensar que una masa enorme es la única capaz de generar la gravedad suficiente como para formar un agujero negro, pero no es así, de hecho, más que la masa, manda la densidad. Le propongo un ejercicio de imaginación. Imagínese de pie sobre la superficie del Sol (protéjase del calor durante el experimento), allí la gravedad de la estrella es 28 veces superior a la terrestre. Imaginemos ahora que vamos comprimiendo el Sol de manera que toda su masa quede concentrada en una esfera de menor tamaño. Sobre la superficie, la gravedad iría aumentando porque estaríamos más cerca del centro. Siguiendo ese razonamiento, comprimiendo al Sol más y más, la gravedad continuaría creciendo hasta un punto en el que sería tan intensa que nada, ni siquiera la luz, podría escapar. El Sol se convertiría en un agujero negro. Los cálculos demuestran que ese tamaño teórico es inferior a los tres kilómetros.

Lo mismo podríamos hacer con la Tierra pero, en ese caso, al tener menos masa, tendríamos que comprimirla hasta que toda ella quedara reducida a un volumen inferior a un centímetro. ¡La Tierra tendría que concentrar toda su masa en el volumen de una canica para convertirse en un agujero negro! Con el ejemplo anterior, queda claro que un agujero negro puede ser, al menos en teoría, de cualquier tamaño. Así pues, si podemos comunicar energía a una partícula en movimiento de tal manera que su masa vaya creciendo, podría, al menos en teoría, adquirir masa suficiente como para convertirse en un agujero negro diminuto. Un mini-agujero negro.

Continuando nuestro descenso en la escala expresado con los ejemplos del Sol y la Tierra, un mini agujero negro (también se les llama micro-agujeros) tendría un tamaño minúsculo, más pequeño que cualquier partícula elemental, tan diminuto que probablemente nunca estaría en contacto con ninguna masa a su alrededor y por lo tanto no podría absorberla y crecer. Esto nos tranquiliza porque si, – como hacen pensar algunos agoreros dispuestos a culpar a la ciencia de todos los males -, el LHC fuera capaz de crear un mini-agujero negro, sería tan infinitamente pequeño que podría atravesar la Tierra entera sin llegar a tocar ni un solo átomo, ya que los átomos son, prácticamente, espacios vacíos. Debido a esto, no podría crecer y escaparía al espacio exterior. Otro factor importante es que, cuanto más pequeño es un agujero negro, más inestable es. Los agujeros negros, según la predicción de Stephen Hawking, se “evaporan”, mediante la llamada radiación de Hawking. Cuanto menor es su tamaño, más rápido se evapora, así pues, un agujero negro microscópico desaparecería en una fracción de segundo, antes de poder crecer.

Por otra parte, todos los días chocan contra la Tierra rayos cósmicos con una energía centenares de veces mayor que la de las partículas del LHC, y la Tierra no se ha destruido. Ni el Sol, que con su tamaño, recibe 10 000 veces más rayos cósmicos que la Tierra.

Les invito a escuchar a Germán Fernández Sánchez, doctor en ciencia Físicas y autor de los podcast “El Neutrino” y “Zoo de Fósiles” de CienciaEs.com