NeoFronteras

Sin singularidad en agujeros negros

Área: Física — martes, 20 de mayo de 2008

Proponen una solución a la paradoja de la eliminación de información por parte de los agujeros negros. Si se tiene en cuenta la Mecánica Cuántica la singularidad central de este tipo de objetos, propuesta por la Relatividad General, simplemente deja de darse en su interior.

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Según la Teoría General de la Relatividad los agujeros negros son tan densos que distorsionan el espacio-tiempo a su alrededor, y éste forma una especie de “embudo”. La fuerza de gravedad, que depende de la geometría del espacio, puede llegar a ser muy intensa en esos casos. A cierta distancia un hipotético astronauta sentiría las fuerzas de marea, pero no sería absorbido irremediablemente hacia él (un agujero negro no es un aspiradora espacial). Pero si fuera lo suficientemente incauto como para acercarse directamente a un objeto de este tipo descubriría que, una vez cruzada una frontera denominada horizonte de sucesos, su vuelta al resto del Universo sería imposible. La velocidad de escape a partir de ese punto es superior a la de la luz y por tanto, nada, ni astronautas, ni materia, ni siquiera la propia luz puede escapar una vez que se deja caer dentro.
Una vez dentro, el fin de todo ente que atraviese el horizonte es caer a la singularidad central, un lugar en el que ciertas variables físicas como la densidad o la fuerza de gravedad se vuelven infinitas. Podríamos decir que el espacio-tiempo termina en la singularidad. Nuestros modelos físicos pueden decir más bien poco acerca de la singularidad y parece que toda la información que llegue allí desaparece para siempre al quedar atrapada eternamente.
En los años setenta Stephen Hawking propuso que, debido a un fenómeno cuántico, un agujero negro se debería de ir evaporando poco a poco. Una analogía para entender este proceso es que, al igual que en cualquier otro sitio, la Mecánica Cuántica permite la creación de pares partícula-antipartícula cerca del horizonte de sucesos gracias al principio de incertidumbre de Heisenberg. En otros sitios estos pares se recombinan en una fracción de segundo y no se materializan, pero en este lugar una de ellas puede caer al agujero y la otra tomar consistencia real en el exterior. La que cae lleva consigo masa negativa que hace disminuir la masa total del agujero. Para el observador exterior el agujero emite una radiación (denominada radiación Hawking) que poco a poco hace disminuir la masa total del agujero negro. El proceso es muy lento, y es más lento cuanto más grande y masivo es el agujero. Solamente los agujeros negros muy pequeños, quizás los primordiales, y supuestamente creados en el Big Bang, se evaporan explosivamente desapareciendo en el proceso (fenómeno no observado aún).
La paradoja es que la Relatividad General dice que los agujeros negros siempre crecen y la Mecánica Cuántica permite su evaporación. El conflicto surge cuando pensamos en qué es lo que le pasa a la información.
La singularidad central, según la Relatividad General, funcionaría como un sumidero de información irrecuperable. Incluso cuando el agujero finalmente se evapora deja detrás una singularidad. Si arrojamos una enciclopedia, su ordenador personal, su teléfono móvil, o a su jefe al agujero parece que toda información contenida en ellos se pierde y es imposible reconstruir la información original de esos objetos (una desgracia en el caso de la agenda telefónica de su móvil y una suerte en el caso de su jefe) a partir de las partículas evaporadas.
Hawking pensó en un principio que la información efectivamente se perdía, aunque esto amenazaba a la Mecánica Cuántica, pues ésta mantiene que la información no puede desaparecer sin más. Después cambió de opinión, sugiriendo que debía de haber algún mecanismo que conservara la información. Recordemos que la Mecánica Cuántica no tiene rival hasta el momento a la hora describir con éxito el mundo físico.
Abhay Ashtekar, Victor Tavares y Madhavan Varadarajan sugieren, en un nuevo trabajo teórico publicado hoy en Physical Review Letters, que Hawking hizo bien en cambiar de opinión. El modelo que proponen utiliza la teoría Cuántica de Lazos o Gravedad Cuántica, teoría que rivaliza con las cuerdas a la hora de intentar conciliar Relatividad General (RG) y Mecánica Cuántica (MC) y explicar así mejor la realidad. En un modelo sencillo, de dos dimensiones espaciales y una temporal (2+1), la singularidad central que aparecería en el centro de un agujero negro según la RG simplemente no se da bajo el nuevo marco teórico.
Para llegar a este resultado estos físicos utilizaron sólo dos dimensiones espaciales y una temporal para así facilitar el cálculo. Además utilizaron ciertas aproximaciones. No obstante, creen que la idea básica se puede extrapolar a un espacio-tiempo cuatridimensional (3+1) como en el que vivimos. Ya trabajan en métodos de cálculo que les permitan estudiar agujeros negros más realistas en 3+1.
Resumiendo: estos físicos teóricos de Pennsylvania State University calculan en este trabajo que, bajo esta aproximación, las singularidades no están permitidas si tenemos en cuenta la MC. Aunque en el centro de un agujero negro habría un objeto muy denso, éste no tendría densidad infinita ni cualidades geométricas extremas. Según este resultado el espacio-tiempo tiene allí un tamaño lo suficientemente grande como para permitir la reaparición de la información depositada ahí con anterioridad. La información no estaría, por tanto, atrapada para siempre en ese lugar. Simplemente el espacio-tiempo no termina en la singularidad porque ésta no existe.
Bajo el nuevo punto de vista el espacio-tiempo continuo descrito por la RG sería una aproximación a la realidad que funciona muy bien a escalas grandes, incluso para el propio Universo en su conjunto, pero a escalas pequeñas fallaría al ignorar los fenómenos mecánico-cuánticos. Las singularidades serían artefactos producidos por una teoría incompleta de la realidad al empeñarnos en creer que el espacio-tiempo es un continuo. Según la nueva teoría el espacio-tiempo tendría textura a la escala de Plank. Así por ejemplo, el área de los objetos, incluso el de un agujero negro, estaría cuantizado a valores discretos. Las singularidades no existirían físicamente y las paradojas que producen tampoco.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa de Pennsylvania State University.
Presentación de Varadarajan en pdf sobre este tema.
Audio que acompaña la presentación.
Artículo en ArXiv.
PRL.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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7 Comentarios

  1. radek:

    Esto es lo que alcanzo a entender de la explicación de la radiación de Hawking:
    Si se crea un par electrón-positrón y el positrón está dentro del horizonte de sucesos, éste cae dentro del agujero negro y el electrón escapa como radiación de Hawking.
    Pero ese electrón, en vez de escaparse, ¿no se aniquilaría con otro positrón de un par positrón-electrón, cuyo electrón haya sido absorbido por el agujero negro?

  2. lluís:

    Hasta ahora en los libros de texto se enseñaba que el espacio-tiempo era un continuo y eso servía para explicar como las cosas (la luz, por ejemplo) se curvaban en presencia de la gravedad y si ahora no tenemos un “continuo”, ¿qué hacemos con aquella “vieja” explicación?

  3. NeoFronteras:

    El proceso descrito es más bien una analogía. En todo caso al otro lado puede caer tanto una partícula o su antipartícula. Una u otra se pueden aniquilar o no con otras pero al interior entra masa negativa y al exterior sale masa positiva (o radiación procedente de algún proceso de aniquilación). Si el par no se esfuma por el principio de incertidumbre entonces toma consistencia “real”, y como la masa-energía se debe de conservar dentro del agujero cae de forma neta masa negativa para que lo que salga tenga masa positiva.

  4. NeoFronteras:

    Primero, esta teoría está todavía sin confirmar.
    Segundo, si Teoría Cuántica de Lazos fuera finalmente correcta simplemente no pasaría nada nuevo que no haya pasado antes. Tenemos modelos sobre la realidad, y no la realidad misma, que siempre es inasible.
    Nuestras teorías son aproximaciones más o buenas que tienen una gama de validez dada. Del mismo modo que diseñamos un automóvil con mecánica newtoniana y no relativista, necesitamos Relatividad para que su GPS funcione bien.
    La TGR sería una aproximación para escalas grandes que dejaría de ser válida a distancias pequeñas. A esas escalas, del orden de la distancia de Planck, el espacio-tiempo tiene textura y hay “átomos” que lo componen. La vieja explicación sería igualmente válida para muchos otros casos.
    La materia ordinaria tampoco es continua a escala molecular y ninguno tememos traspasar la silla al sentarnos.

  5. lluís:

    Se me escapa lo que quieren decir con lo de que “Si la TCL -o QLG-fuera finalmente correcta, simplemente no pasaría nada nuevo que no haya pasado antes”. Desde el punto de vista meramente filosófico implicaría nada menos que no hubo un momento inicial del espacio-tiempo. Tengo entendido que los modelos de gravedad cuántica, en los que no hay inicio del tiempo ya han sido criticados por la “Autoridad competente” que necesita un “momento creador”.

  6. NeoFronteras:

    Efectivamente, la Relatividad vino a corregir a la Mecánica Newtoniana. Que ahora la Relatividad sea corregida en determinados ámbitos por otra teoría sería un ejemplo más del método científico, que nunca posee la única y última verdad (a diferencia de lo mantenido por las religiones), sino que crea modelos (falsables) que se aproximan a una mejor explicación de la Naturaleza.
    En cuanto a las implicaciones cosmológicas tampoco serían nuevas, pues ya antiguo el modelo estacionario de Hoyle ya proponía la inexistencia de un origen del tiempo.

    Esta nueva teoría podría no ser correcta, pero de momento propone soluciones cosmológicas sin un tiempo cero:

    http://neofronteras.com/?p=1150
    http://neofronteras.com/?p=922
    http://neofronteras.com/?p=553

    Podría ser correcta o no, ello dependerá de la pruebas que la pueda apoyar o no y no de las opiniones de la “Autoridad competente”. El principio de autoridad no es aplicable en ciencia.

  7. tomás:

    Si la RG dice que loa agujeros negros siempre crecen y la MC permite su evaporación, el conflicto está servido antes de pensar en el destino de la información.
    ¿Hay alguna razón para que sólo caigan al interior las masas negativas, para que no sea un proceso aleatorio, o es que ha de ser así para poder explicar la radiación de Hawking?

    Puedo viajar con Newton
    en vientos vectoriales
    y espacios cartesianos
    y hasta puedo con Einstein
    curvarme con la luz
    al pasar junto a un astro.
    Pero el ser y no ser
    semi hamblet-plankiano,
    mucho más que un dilema,
    hace temblar mi mano
    mi córtex y mi bazo
    con lo agujereado
    de este negro problema.

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