CIENCIA. ¿Explotan los agujeros negros? El rompecabezas de 50 años que desafía la física cuántica

¿Explotan los agujeros negros? El rompecabezas de 50 años que desafía la física cuántica

 

Cincuenta años después del artículo fundamental de Stephen Hawking, aún no está claro qué sucede con la información devorada por los agujeros negros. Fuente: Colaboración EHT

El paradójico hallazgo de Stephen Hawking de que los agujeros negros no viven para siempre tiene implicaciones profundas y no resueltas para la búsqueda de teorías unificadoras de la realidad.

15 marzo 2024.- En retrospectiva, parece profético que el título de un artículo de Nature publicado el 1 de marzo de 1974 terminara con un signo de interrogación: “¿Explosiones de agujeros negros?” La idea histórica de Stephen Hawking sobre lo que ahora se conoce como radiación de Hawking 1 acaba de cumplir 50 años. Cuanto más han intentado los físicos probar su teoría durante el último medio siglo, más preguntas han surgido, con profundas consecuencias sobre cómo vemos en la realidad su funcionamiento.

En esencia, lo que Hawking, que murió hoy hace seis años , descubrió es que los agujeros negros no deberían ser verdaderamente negros, porque constantemente irradian una pequeña cantidad de calor. Esa conclusión surgió de los principios básicos de la física cuántica, que implican que incluso el espacio vacío está lejos de ser un lugar tranquilo. En cambio, el espacio está lleno de turbulentos campos cuánticos en los que pares de partículas "virtuales" surgen incesantemente de la nada y, en condiciones normales, se aniquilan entre sí casi instantáneamente.

Sin embargo, en un horizonte de sucesos, la superficie esférica que define el límite de un agujero negro, sucede algo diferenteUn horizonte de sucesos representa un punto gravitacional sin retorno que sólo puede cruzarse hacia adentro, y Hawking se dio cuenta de que allí dos partículas virtuales pueden separarse. Uno de ellos cae en el agujero negro, mientras que el otro irradia, llevándose consigo parte de la energía. Como resultado, el agujero negro pierde una pequeña cantidad de masa, se encoge y brilla.

Ramificaciones inesperadas

El poder del artículo de Hawking de 1974 reside en cómo combinó principios básicos de los dos pilares de la física moderna. La primera, la teoría general de la relatividad de Albert Einstein –en la que se manifiestan los agujeros negros– vincula la gravedad con la forma del espacio y el tiempo, y normalmente sólo es relevante a grandes escalas. La segunda, la física cuántica, tiende a aparecer en situaciones microscópicas. 

Las dos teorías parecen ser matemáticamente incompatibles y los físicos llevan mucho tiempo luchando por encontrar formas de reconciliarlas. Hawking demostró que el horizonte de sucesos de un agujero negro es un lugar raro en el que ambas teorías deben desempeñar un papel, con consecuencias calculables.

Y, además, profundamente inquietantes, como rápidamente se hizo evidente. La naturaleza aleatoria de la radiación de Hawking significa que no transmite información alguna. Como pronto se dio cuenta Hawking 2 , esto significa que los agujeros negros borran lentamente cualquier información sobre cualquier cosa que caiga en ellos, tanto cuando el agujero negro se forma originalmente como posteriormente a medida que crece, en aparente contradicción con las leyes de la mecánica cuántica, que dicen que la información nunca puede llegar. Se destruye. Este enigma se conoció como la paradoja de la información del agujero negro.

Desde entonces ha resultado que los agujeros negros no deberían ser los únicos que producen radiación de HawkingCualquier observador que acelere en el espacio podría, en principio, captar una radiación similar del espacio vacío 3 . Y en la naturaleza abundan otros análogos del brillo de los agujeros negros. Por ejemplo, los físicos han demostrado que en un medio en movimiento, las ondas sonoras que intentan moverse río arriba parecen comportarse tal como lo predijo Hawking. Algunos investigadores esperan que estos experimentos puedan proporcionar pistas sobre cómo resolver la paradoja.

Una apuesta científica

En la década de 1990, la paradoja de la información del agujero negro se convirtió en objeto de una célebre apuesta. Hawking, junto con Kip Thorne del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, propuso que, en última instancia, sería necesario modificar la mecánica cuántica para tener en cuenta la radiación de Hawking. Otro físico teórico de Caltech, John Preskill, sostuvo que se descubriría que la información se conservaría de algún modo y que se salvaría la mecánica cuántica.

Pero en 1997, al físico teórico Juan Maldacena, que ahora trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, se le ocurrió una idea que indicaba que Hawking y Thorne podrían estar equivocados 4 . Su artículo tiene ahora más de 24.000 citas, incluso más que las aproximadamente 7.000 veces que ha sido citado el artículo de Hawking. Maldacena sugirió que el Universo (incluidos los agujeros negros que contiene) es un tipo de holograma, una proyección de dimensiones superiores de eventos que ocurren en una superficie plana. Todo lo que sucede en el mundo plano se puede describir mediante la mecánica cuántica pura y, por tanto, conserva la información.

A primera vista, la teoría de Maldacena no se aplica completamente al tipo de Universo que habitamos. Además, no explicaba cómo la información podía escapar a la destrucción en un agujero negro, sólo que, de alguna manera, debería hacerlo. Los físicos, incluido Hawking , han propuesto innumerables mecanismos de escape, ninguno de los cuales ha resultado completamente convincente. (Sin embargo, las ideas de Maldacena fueron suficientes para cambiar la opinión de Hawking, quien aceptó la apuesta en 2004.)

Un enigma cuántico

Los intentos de resolver la paradoja de la información se han convertido en una industria próspera. Una de las ideas que ha ganado fuerza es que cada partícula que cae en un agujero negro está vinculada a otra que permanece afuera a través del entrelazamiento cuántico: la capacidad de los objetos de compartir un único estado cuántico incluso cuando están muy separados. Esta conexión podría manifestarse en la geometría del espacio-tiempo como un "agujero de gusano" que une el interior del horizonte de sucesos con el exterior.

El entrelazamiento es también una de las características cruciales que hacen que las computadoras cuánticas sean potencialmente más poderosas que las clásicas. Además, en la última década, el vínculo entre los agujeros negros y la teoría de la información se ha vuelto cada vez más fuerte, a medida que los físicos han investigado las similitudes entre lo que sucede en las proyecciones holográficas y los tipos de algoritmos de corrección de errores desarrollados para las computadoras cuánticas. 

La corrección de errores es una forma de almacenar información redundante que permite a una computadora, ya sea clásica o cuántica, restaurar fragmentos de información corruptos. Algunos investigadores ven la teoría de la computación cuántica como la clave para resolver la paradoja de HawkingAl crear un agujero negro, el Universo podría almacenar de manera similar varias versiones de su información (algunas dentro del horizonte de sucesos, otras fuera) de modo que la destrucción del agujero negro no borre ninguna historia.

Pero otros investigadores piensan que la resolución total de la paradoja de la información podría tener que esperar hasta que se resuelva otro gran problema: el de conciliar la gravedad con la física cuántica. Hawking continuó trabajando en el problema casi hasta su muerte, pero sin un resultado claro .

En cuanto al título del artículo de Hawking, ver explosiones reales de agujeros negros es una posibilidad que los astrónomos toman en serio. Los agujeros negros grandes actúan como cuerpos muy fríos, pero los más pequeños son más calientes, lo que hace que se encojan más rápido; y las partículas que desprenden deberían volverse cada vez más energéticas, llegando a su culminación cuando el agujero negro desaparezca. Hawking demostró que los agujeros negros de masa estelar "ordinarios", que se forman cuando estrellas masivas colapsan sobre sí mismas al final de sus vidas, tardan muchas veces más que la edad del Universo en llegar a este punto. Pero, en principio, los agujeros negros con una variedad de masas más pequeñas podrían haberse formado a partir de fluctuaciones aleatorias en la densidad de la materia durante los primeros momentos después del Big Bang. Si un agujero negro primordial de la masa adecuada desapareciera hasta desaparecer en algún lugar cercano al Sistema Solar, podría ser captado por observatorios de neutrinos y rayos γ.

Los astrónomos no han visto explotar ningún agujero negro hasta el momento, pero todavía están atentos 5 . Semejante observación sin duda le habría valido a Hawking el Premio Nobel que se le escapó durante toda su vida. Tal como están las cosas, las preguntas que plantea el sencillo e inquisitivo título de su artículo parecen destinadas a alimentar la intersección entre cosmología y física durante unos cuantos años más.

Referencias

  1. 1. Hawking, S. W. Nature 248, 30–31 (1974). Artículo 

  2. 2. Hawking, S. W. Phys. Rev. D 14, 2460–2473 (1976). Artículo 

  3. 3. Unruh, W. G. Phys. Rev. D 14, 870–892 (1976). Artículo  

  4. 4. Maldacena, J. Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231–252 (1998). Artículo

  5. 5. The IceCube Collaboration. In Proc. 36th International Cosmic Ray Conference (ICRC2019) Vol. 358, article 863 (2019).

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