Los agujeros negros pierden masa lentamente al emitir radiación de Hawking (a menos que haya suficiente masa cayendo en ellos para superar la pérdida, que casi siempre existe). Es una predicción teórica que no ha sido confirmada por observación directa, por supuesto, pero se considera una predicción razonablemente sólida basada en la relatividad general y la teoría del campo cuántico en un caso en el que no entran en conflicto demasiado. Se cree que eventualmente el universo se enfriará lo suficiente como para que la radiación de fondo ya no sea suficiente para seguir alimentando agujeros negros, y después de un tiempo astronómicamente más largo se disolverán.
Hay varias formas de describir el proceso y por qué ocurre. Los procesos descritos por la teoría cuántica de campos son propensos a tener múltiples formas de ser descritas, especialmente si se aplica en un espacio-tiempo curvo. No soy un experto en teoría cuántica de campos, y tampoco conozco ninguna forma ordenada de cuadrar las diferentes descripciones en términos básicos. En general, los físicos parecen estar un poco incómodos al describir los efectos cuánticos como si su modelo fuera una representación de “lo que realmente está sucediendo”, y este es uno de los casos que hacen que sentirse cómodo con una descripción de “lo que es realmente continúa “más duro de lo habitual. Al describir los efectos cuánticos, los físicos a menudo parecen más cómodos con una descripción puramente operativa en términos de lo que observará un observador. Sin embargo, en este caso, una descripción puramente operativa también puede ser un poco desconcertante porque el resultado es simplemente que el observador mide la radiación proveniente del agujero negro. Solo decir eso no nos dice por qué la teoría lo predeciría.
Existe un fenómeno conocido como radiación Unruh, donde un observador que está acelerando en el espacio vacío medirá la radiación a una temperatura dependiendo de la velocidad de aceleración. La radiación unruh es algo análoga a la radiación de Hawking. En algunas formas básicas, el observador que mantiene una aceleración constante se encuentra en una situación similar a un observador que se cierne sobre un agujero negro, y ambos medirían la presencia de radiación si verificaran, la radiación de Unruh para uno y la radiación de Hawking para otro.
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Parte del problema conceptual es que ya no existe un concepto simple de “vacío”. A uno le gustaría definir “vacío” en términos del potencial de observar partículas en él, pero incluso en el estado de energía más bajo (que se denomina “vacío”) todavía existe la posibilidad de observar partículas. Por otro lado, cuando veo la teoría del campo cuántico presentada, generalmente está en una formulación que trata el vacío como un punto de referencia importante. Otros estados del campo cuántico se definen en términos de cómo se apartan de ser un vacío. Pero algunas de las propiedades del vacío se capturan describiéndolo como lleno de pares virtuales de partículas-antipartículas que tienen una vida lo suficientemente corta como para evitar violar el principio de incertidumbre que relaciona la energía y el tiempo.
Una forma de describir la radiación de Unruh es que en un marco de referencia acelerado, hay un horizonte de eventos para el observador a cierta distancia detrás de ellos, y el horizonte de eventos produce la radiación. Imagine que el observador cuelga una cuerda detrás de sí mismo. Desde nuestro punto de vista, el movimiento del observador hace que la cuerda también se mueva y se acorte debido a la contracción de la longitud. Si la cuerda es más larga que cierta longitud, no es posible que permanezca intacta y que el observador la sostenga, ya que la contracción de la longitud requeriría que el extremo de la cola se mueva más rápido que la velocidad de la luz. Si el observador que acelera intenta soltar una cuerda que se acerca a esta longitud crítica, descubrirá que se requiere cada vez más fuerza para mantenerlo remolcado, hasta que en algún momento se rompa (o evite que el observador continúe acelerando al mismo ritmo). Si un segundo observador que está a más de esta distancia detrás del primer observador enciende una luz en la dirección del primer observador, el primer observador logrará mantenerse por delante (aunque nunca irá tan rápido) y nunca verá eso. La distancia entre la luz y el primer observador está disminuyendo en cualquier marco de referencia inercial fijo. Sin embargo, a medida que el observador acelera, el marco de referencia inercial que se mueve con ellos en el momento dado (que cambia a medida que aceleran) sigue convirtiéndose en uno en el que la distancia aún está por encima del umbral.
Si no recuerdo mal, la analogía entre la radiación de Hawking y la radiación de Unruh es válida incluso en la medida en que un observador acelerado que no tiene un horizonte de eventos no ve la radiación de Unruh. Supongamos, por ejemplo, que estás flotando sobre la Tierra. Estás acelerando pero no hay un horizonte de sucesos, y si recuerdo bien, tampoco hay radiación de Unruh. Eso me parece algo peculiar.
La forma en que el autor de la pregunta describe la emisión de radiación de Hawking es probablemente la más común en las cuentas populares (es una de las que se dan aquí: radiación de Hawking – Wikipedia). Es, en cierta medida, desde la perspectiva de un observador distante y no desde alguien cercano al agujero negro. Estamos utilizando el concepto del observador distante de lo que es el vacío. También estamos describiendo el vacío como si tuviera estos pares virtuales de partículas-antipartículas.
Si describimos el vacío de esta manera, tenemos que tener cuidado porque la energía promedio no se evalúa correctamente contando las partículas virtuales como de energía positiva solamente. En algunos tratamientos, uno solo resta una energía de cada grado de libertad de una manera ad hoc para reducir la energía a 0. El punto es que al final, la teoría no dice que el vacío contenga esa cantidad de energía positiva para cada grado de libertad (se suma al infinito si elabora la teoría ingenuamente). (El vacío tiene energía en algunas teorías pero por otras razones). También respeta la indeterminación cuántica sobre los valores de las cosas que intenta medir.
Si tuviera que medir la energía en el vacío con precisión (lo que requiere hacer una observación durante un período de tiempo), obtendría 0. Si quisiera obtener una medición aproximada de la energía en una región del espacio pero hacerlo rápidamente, el principio de incertidumbre del tiempo de energía se interpondría en su camino, pero la aproximación imparcial más cercana que podría producir al menos a veces le daría un valor negativo para el vacío (porque de lo contrario las partículas virtuales que a veces observa en su mirada rápida al vacío podrían sesgar usted en la dirección de la energía positiva). Eso no es realmente lo mismo que decir que puedes tener energía negativa, porque la energía real es algo que solo puedes medir con precisión durante un período de tiempo más largo. Si desempaquetamos la idea de que la energía es incierta en escalas de tiempo cortas, terminamos teniendo que hablar en términos de posibles medidas aproximadas de la misma. Sin embargo, como una forma rápida de dar una idea de lo que está sucediendo, tiene cierta validez.
Todos estos problemas hacen que producir una imagen heurística sólida de lo que está sucediendo sea más complicado. La imagen clásica de un vacío hace que parezca que no tiene indeterminación cuántica (es de esperar que no se vea ninguna radiación), lo cual es incorrecto. La imagen de partículas virtuales al principio hace que parezca que el vacío no es realmente un vacío, que tiene energía positiva, etc., que también es incorrecto. Desde el punto de vista de un observador cerca de un agujero negro, parece que su propia aceleración está produciendo radiación (pero PS, su agujero negro le impide acelerar en relación con un observador distante), lo cual es correcto pero dificulta explicar por qué es que el observador distante que no está acelerando también verá la radiación. La imagen de pares virtuales de partículas-antipartículas (uno de los cuales tiene energía negativa) también es potencialmente engañosa, pero al menos compensa algunos de los defectos en las otras imágenes heurísticas. En esta imagen, la partícula real que uno tiene al final (que puede ser materia o antimateria) escapa mientras el gemelo de energía negativa cae en el agujero negro.
Si desea una forma menos heurística de describir las cosas, probablemente necesitará una descripción más matemática. No tenemos una descripción tan rigurosa de la radiación de Hawking como nos gustaría tenerla porque no existe una teoría de la gravedad cuántica con la que las personas estén completamente felices. Sin embargo, la teoría del campo cuántico en el espacio-tiempo curvo es lo suficientemente buena como para explicar por qué las personas esperan que exista la radiación de Hawking en el mundo real. También le permite superar las dificultades que surgen de estas descripciones heurísticas.
