NeoFronteras

Gravedad arco iris y agujeros negros

Área: Física — domingo, 1 de febrero de 2015

Una propuesta de teoría cuántica de la gravedad parece resolver la paradoja de la información de los agujeros negros.

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Como ya sabemos todos, el gran problema de la Física Teórica, es el no disponer de una teoría cuántica de la gravedad. Los objetos grandes, como las estrellas, galaxias o el propio Universo son descritos por la Relatividad General (RG), mientras que los objetos pequeños como las partículas elementales, los átomos y moléculas son descritos por la Mecánica Cuántica.
La Relatividad General describe la gravedad como una curvatura del propio espacio-tiempo, a mayor concentración de masa mayor curvatura. El colmo de la curvatura se da en un agujero negro, en cuyo centro la curvatura se hace infinita en lo que llamamos singularidad.
Pero, de momento, no disponemos de una teoría cuántica de la gravedad, en gran parte por culpa de la mafia de las supercuerdas que han retrasado el desarrollo de otras alternativas. Pero ya hay varios caminos que se están explorando, algunos de los cuales ya hemos visto en estas páginas de NeoFronteras.
Casi todos los modelos tienen en común que introducen cierta textura en el espacio-tiempo a cortas distancias y algunos de ellos que la energía de una partícula cualquier no puede llegar a ser tan alta como se quiera, sino que hay un límite. Si se combina este último concepto con la Relatividad se obtienen teorías de relatividad dobles o DSR en sus siglas en inglés. Además, es posible generalizar una estas DSR para que incluyan la gravedad y así obtener la gravedad arco iris .
En la propuesta de la gravedad arco iris, o rainbow gravity, el espacio y el tiempo no existen por debajo de cierta escala. Esto quiere decir que todos los objetos, incluyendo personas, autos, tartas de manzana o gatos no existen por debajo de un intervalo de tiempo o distancia de espacio, intervalos y distancias asociados a la escala de Planck. Esto no influye demasiado en nuestra vida cotidiana, pero sí en objetos como el horizonte de sucesos de un agujero negro.
La gravedad arco iris predice que la curvatura del espacio depende de la concentración de masa, pero también (y en esto difiere de la RG) de la energía del observador que la mide. De este modo, la gravedad actúa sobre las partículas dependiendo de la energía que tienen. Esta diferencia es muy pequeña para objetos grandes como un planeta o una galaxia, pero es significativa para horizontes de sucesos de agujeros negros.
Como ya sabemos, el horizonte de sucesos de un agujero negro es una frontera en forma de esfera alrededor del mismo que si se cruza ya no se puede volver a salir. Uno se puede acercar todo lo que quiera a ese horizonte (si resiste las fuerzas de marea) pero una vez se cruza ya no hay vuelta atrás. Los observadores externos pierden todo rastro de ti, pero tú no notas nada especial y sigues cayendo y observando el mundo exterior.
Pero hay una paradoja que está circulando por ahí desde hace 40 años. Desde que Hawking predijo la evaporación de agujeros negros, se vio que la materia entra en un agujero negro, pero la evaporación del mismo a través de otras partículas no contiene la información original de lo que cayó en su día. Esto significaría que la información se pierde. Pero esto no puede ser, pues, según la Física, la información nunca se pierde y siempre se puede reconstruir a partir del estado final.
Desde entonces se han propuesto varias soluciones, desde el principio holográficos a los recientes muros de fuego.
La última solución proviene de los físicos egipcios Ahmed Farag Ali, Mir Faizal y Barun Majunder, que han usado la gravedad arco iris para resolver la paradoja. En un artículo suyo sostienen que si se usa esta propuesta no es posible definir el horizonte de sucesos con precisión arbitraria y si esto no se puede definir el agujero negro estándar no existe de manera efectiva.
Si el horizonte de sucesos no existe por debajo de cierta escala del espacio-tiempo, un observador exterior no necesita un tiempo infinito (debido a la dilatación temporal) para ver a un objeto cruzar el horizonte. De hecho, ve como cae por el agujero después de que cruza el punto donde estaría el horizonte. La información no se pierde. La ausencia de un horizonte efectivo significa, por tanto, que no hay nada que pare la fuga de información desde el interior de un agujero negro.
La paradoja surgía debido a que se describía el espacio-tiempo que rodea al agujero negro a una escala en la que en realidad espacio y tiempo no existen.
Al restringir con la gravedad arco iris la escala del espacio-tiempo, la paradoja desaparece, resolviéndose el problema de manera natural según los autores.
A los autores les gusta usar una analogía para poder entender el fenómeno. Nos podemos preguntar cuánto se dobla una barra metálica al aplicar una fuerza, pero no tiene sentido hablar de ello cuando la fuerza es tan intensa que la barra se rompe. En la gravedad arco iris pasa lo mismo por debajo de cierta distancia de espacio o cierto intervalo de tiempo.
Así que, según esta idea, el espacio-tiempo existe sólo por encima de cierta escala y no hay espacio o tiempo por debajo de esa escala. No tiene sentido definir partículas u otros objetos (incluidos horizontes de sucesos) por debajo de esa escala. Los observadores confinados en las escalas en donde el espacio-tiempo existe pueden obtener resultados sensatos siempre que se pregunten sobre fenómenos a esas escalas, pero se cae en paradojas cuando se extrapola a escalas muy pequeñas en donde el espacio y el tiempo no existen.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4602

Fuentes y referencias:
Artículo original
Copia artículo general.
¿Existen los muros de fuego?
Actualidad sobre agujeros negros.
Ilustración: SPL.

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

  1. tomás:

    Me cuesta mucho, pero intento entenderlo a través de analogías. Por ejemplo, la última frase: “… pero se cae en paradojas cuando se extrapola a escalas muy pequeñas donde el espacio y el tiempo no existen”.
    Imaginemos, en principio una línea en la que cada punto representa un número real. Pueden estar infinitamente próximos uno de otro. Eso en las matemáticas clásicas. Pero si tomamos, por ejemplo un punto como algo posible, algo material -un círculo con el diámetro de la longitud de Plank, por ejemplo-, que viene separado del siguiente por un espacio con un tamaño igual o de un orden similar a averiguar, resulta que, en conjunto, tenemos una línea con la que se podría operar prácticamente como en la forma clásica, pero, en realidad, entre punto y punto no existe línea material, sino vacío; no hay nada.
    Creo haber entendido que esa textura espacio-tiempo está cuantificada. Una vez leí algo así en Scientific American -lo tengo por ahí, seguro-. Lo mismo para ese límite de energía de una partícula. Esto último parece de sentido común. En la ecuación E = mc^2 la velocidad tiene un valor y la masa no puede ser tan grande como queramos. Aun así, el Universo podría ser infinito, pero imagino que ese límite de energía no ha de ser asombrosamente grande, aunque pudiera serlo mucho.

  2. lluís:

    Si el horizonte de sucesos no existe por debajo de cierta escala del espacio-tiempo no siendo posible, por tanto definir el horizonte de sucesos con precisión arbitraria y como consecuencia de esta indefinición, el agujero negro no existe de manera efectiva, ¿cómo es posible que un observador exterior pueda ver a un objeto cruzar ese horizonte de sucesos?.Quizá no lo entendí bien, pero parece ser que ahí dice que ni el horizonte ni el agujero negro existen por debajo de longitudes y distancias de la escala de Planck.
    Estaría muy bien solucionar el asunto de la paradoja de la información de una vez, porque es difícil ( o me lo parece) que la Mecánica Cuántica esté equivocada cuando asegura que la “información nunca se pierde”.
    – Por otro lado, ¿se puede someter a experimentación lo que sugieren estos físicos en su estudio, o va a quedar como un intento más sobre gravedad cuántica?.

  3. petrus:

    Cuando hablamos de pérdida de información, ¿ a qué nos referimos con precisión ?. Lo pregunto en relación con todos los fenómenos irreversibles, los habituales en la realidad macro, en los cuales , al aumentar la entropía, de hecho pierden información. Análogamente, casi todas o algunas operaciones matemáticos, como el producto, hacen desaparecer información… La verdad es que nunca he entendido claramente eso de ” no se pierde información” al caer en un agujero negro, ¿ de qué tipo de información hablamos ?

  4. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    El que cae cruza por donde debería estar ese horizontes, por eso se dice “que cruza el punto donde estaría el horizonte”.

  5. NeoFronteras:

    Estimaod Petrus:
    En esos procesos la información no se pierde. Puede que seamos torpes a la hora de recuperarla, pero sigue estando ahí. En el caso de la paradoja de Hawking la información queda destruida per se, no es que no seamos capaces de recuperarla. El agujero negro se evapora, toda la información que contenía desaparece y no está en las partículas evaporadas.

  6. tomás:

    Tampoco yo, como Petrus, lo comprendo. Creo ver que lo único irreversible es la entropía total del Universo. Por ejemplo, si quemo un libro único, es decir, del que no haya ninguna copia, en principio he destruido su información, pero, aplicando un tremendo trabajo y sabiduría que en este momento la humanidad no posee, imagino que sería posible reconstruirlo. La razón es que si quemo una hojita de papel con una “A” escrita en él, parece más fácil recuperarla -aunque sea tremendamente difícil-, pero me parece posible aplicando muchísimo trabajo e ingenio: habría que encontrar todas y cada una de sus moléculas y colocarlas en el orden que hemos destruido. Así pues sería cuestión de repetir ese trabajo muchísimas veces para ese libro único.
    Dices, Neo, que el agujero negro se evapora, pero ¿por qué aplicando energía no puede volver al estado original? Es que pienso que la información no es mas que un determinado orden; ¿por qué se pierde sin posibilidad de recuperación en las partículas evaporadas?

  7. NeoFronteras:

    Pues porque las partículas evaporadas son generadas por radiación Hawking. Se producen en el mismo horizonte mediante la creación de pares, tal y como hemos vistos muchas veces, y no tienen relación con las partículas de fuera que caen al agujero y que son las que portan la información del exterior.

    Por otro lado, la entropía cree a nivel global siempre, aunque localmente no lo haga.

  8. tomás:

    Gracias, Neo. La última frase de tu comentario es absolutamente evidente; quizá pueda entenderse mal lo que digo en mi 6: “… lo único irreversible es la entropía total del Universo”, pero lleva implícito que al referirme “al total”, en los parciales puede ser reversible. Dicho de otro modo, los seres vivos, por ejemplo pueden crear un orden “consumiendo” energía en ello, es decir, disminuir entropía por medio de energía. Pero eso lo sabemos casi todos.

    Tu primer párrafo del comentario 7 creo que nunca lo entenderé por muchas veces que se haya repetido aquí. Hay cabezas muy duras y la mía debe ser una de ellas. Si los pares a que te refieres existen, aunque sea por una milésima de segundo, son ya información en sí mismos; por tanto pertenecen al Universo. No te molestes, por favor: seguiré sin entenderlo. Mi chip mental está muy anticuado.
    De todas formas, todo mi agradecimiento por el esfuerzo.

  9. Teaius:

    Perdón por la intromisión.

    Pues no es mala pregunta, la de petrus. ¿a que nos referimos cuando decimos información?

    Hombre, intuitivamente todos sabemos que es información.

    Por ejemplo santa wikipedia nos dice que información es “un conjunto organizado de datos procesados, que constituyen un mensaje que cambia el estado de conocimiento del sujeto o sistema que recibe dicho mensaje.”

    Pero ¿cómo aplicamos esto a la partícula suicida que se dirige hacia el agujero negro?

    Si decimos que la dichosa partícula porta cierta cantidad de información pienso que sería como decir que tiene la capacidad de disminuir nuestra incertidumbre acerca de algún suceso. Uso aquí “incertidumbre” como “cambio del estado de conocimiento” de la definición anterior. Y como “sujeto o sistema receptor” pongo al “observador”

    Pero de que suceso estamos hablando y cómo cambia nuestra incertidumbre. Pues no se. Es que se me hace dificil pensar en información como algo físico porque soy muy de medir y tocar, y la información no la puedo tocar, no se como se mide la información. Se como se mide la masa, el volumen, la cantidad de luz, etc, pero ¿cual es la unidad de información? ¿en que se mide la información? ¿bits? ¿y qué es un bit en física?

    Quien sabe, igual cualquier día la información sustituye a la energía como concepto clave en física y salen teorías en condiciones que nos quiten de encima de una vez a los “mafiosos”

  10. NeoFronteras:

    En Física hay conceptos que se basan en otros hasta que nos tomamos con conceptos fundamentales sobre los cuales son referidos los demás, como el tiempo, la energía, el espacio, la información, etc. Este estatus no es necesariamente permanente.
    Así que las últimas preguntas no se suelen poder responder satisfactoriamente: ¿qué es el tiempo?, ¿por qué hay algo en lugar de nada?, etc.
    Pero eso permite que la Física avance por otros derroteros.

    En cuanto a la información hace tiempo que tiene su hueco en la Física, sobre todo cuando se relaciona con la entropía, la computación, etc.

  11. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Puedo quemar El Quijote y en su lugar escribir otra novela. Pero a pesar de haber creado algo nuevo, esto no sustituye a la información que había en El Quijote, es distinta.
    En el agujero negro podemos tener más o menos las misma partículas entrando en él y evaporadas, pero la información que portan es distinta.

  12. tomás:

    Claro, estimadísimo y paciente Neo, claro. Lo que dices en tu 11 es más que evidente.
    Quizá me he pasado al descalificarme tanto y eso ha motivado tu respuesta, tan obvia. Es culpa mía; perdona.
    Mi analogía trata de un libro único que se ha quemado y del que nadie, aunque lo haya visto, sea capaz de recordar nada. Pongamos que lo han contemplado dentro de una urna de seguridad -dado su incalculable valor- transparente y sólo tienen una idea de que era grande, parecía de fino y algo acartonado pergamino y tenía las letras iniciales de capítulo de ricos colores en una de las caras de las sólo dos que podían verse. Además estaba escrito, según informaba una nota, en romance; así que no pudieron entender nada ni siquiera en lo poco que vieron. Naturalmente que, si es quemado por algún islamista radical, puedo pedir a Francisco Ibañez que me invente una historieta de Mortadelo y Filemón -nueva información-, pero no es el manuscrito abrasado que es a lo que yo me refiero.
    La única posibilidad que se me ocurre es encontrar, desoxidar todas y cada una de sus moléculas y colocarlas en su lugar original. Encontrarlas, parece teóricamente posible; desoxidarlas no es imposible; ponerlas en su anterior lugar sin tener de donde sacar su ubicación, quizá también; teóricamente de nuevo. Bastaría realizar las innumerables variaciones, combinaciones y permutaciones de todo tipo hasta encontrar una o varias que tuvieran sentido; entre ellas estaría la original. Luego habría que adivinar cual sería. Bueno, parece posible, aunque tremendamente trabajoso y difícil.
    Y aquí viene la analogía. Si se trata de pares de Hawking, poseen información; la misma, supongo, cada una de ellas, ya que son exactamente iguales. Pero una de las partículas deja de existir; no es que se pierda en el espacio, es que deja de existir, repito -si mi concepto tiene que ver algo con la realidad supuesta por Hawking-. La otra cae en el agujero negro y no existe acceso posible a ella.
    Entonces ¿se pierde o no su información?

  13. tomás:

    Además, me gustaría, si eres tan amable, querido Neo, que me aclarases la parte del artículo que dice: “La información no se pierde. La ausencia de un horizonte efectivo significa, por tanto, que no hay nada que pare la fuga de información desde el interior de un agujero negro”.
    Esa “fuga” ¿significa que sigue existiendo en algún lugar espacio o que se pierde, en contra de la afirmación de la frase anterior?

  14. tomás:

    Para Teaius:
    Estoy bastante de acuerdo con tu-Wiki definición de información. A mi me basta así:”Conjunto de datos ordenados de forma que son susceptibles de ser interpretados”
    Un cordial saludo y ya me dirás-diréis si es correcto mi concepto; lo agradecería muchísimo, queridos compañeros.

  15. Teaius:

    Estimado tomás:

    Me parece correcto tu concepto. No obstante yo lo tomé de la wiki como lo podía haber tomado de la RAE, por ejemplo. De hecho me gusta esta otra que da la RAE:

    “Comunicación o adquisición de conocimientos que permiten ampliar o precisar los que se poseen sobre una materia determinada.”

    saludos

  16. tomás:

    Estimado Teaius:
    Pero esa definición de la RAE se refiere a una acción, y el concepto de información del que hablamos es una propiedad. Sólo en su acepción 7 se acerca, pero la limita a ciertos polímeros.
    Siempre he pensado que la RAE es como el juego de las siete y media: o se pasa o no llega. Creo que no funciona. El María Moliner es mucho mejor, pero no lo tengo a mano y no sé que dirá al respecto. De todas formas, yo prefiero la que diste a la que llamo tu-Wiki, porque algún mérito tendrá el haberla consultado.
    Saludos cordiales.

  17. petrus:

    El concepto de información se podría ver desde dos ópticas al menos, distintas. Una, la información como dato percibido por un observador inteligente , en tanto en cuanto para él tiene un significado y una segunda, como entidad separada del observador, disponible y verificable haya o no haya observador. En este caso, lo más frecuente y que objetivamente se puede analizar es la existencia de una ordenación particular, o una estructura concreta que permite desarrollar ciertas aplicaciones o funciones que cada una de las partes que la forman no pueden ofrecer . La información surge de la estructura y el orden, como en un libro o una bicicleta, cuyas partes bien montadas ofrecen datos o posibilidad de desplazamiento que no poseen sus piezas por separado. Supongo que para el cosmos es indiferente que haya o no observadores admirando la belleza y perfección de sus criaturas. Y que cuando esas criaturas mueren o desaparecen, la información ordenada que portan desaparece sin más, con o sin agujero negro.
    Pero eso es, posiblemente, una solución tan sencilla como falsa.

  18. tomás:

    Pero, a lo mejor, amigo “petrus” sigue ahí, en el agujero, transformada en real por la gravedad, aunque sea imposible de consultar. Otra cosa es la “evaporada”, si es que deja de existir por tratarse de una partícula virtual. Es que nuestro buen Neo no ha contestado a mi ruego del 13, aunque comprendo que no puede estar siempre a nuestra disposición.
    Saludos.

  19. cosme:

    pregunto desde mi total ignorancia…por que se desprecia tanto a la teoria de cuerdas? alguien con quien comentaba hace unos dias me decia que matematicamente la teoria es correcta, aunque no se pueda probar empiricamente creo….hasta que punto es exacta o incorrecta?

  20. lluís:

    Cosme, cuando se trató de desarrollar la teoría de cuerdas, de manera que los hadrones tipo cuerdas fueran capaces de interaccionar con fotones, se armó la gorda.Contradicciones matemáticas, una tras otra, obstruieron todos los intentos.

  21. NeoFronteras:

    Cosme:
    Las Matemáticas son correctas siempre, basta que sean autoconsistentes. Por eso las llamamos Matemáticas y no Matemática. Otra cosa es que la Naturaleza haya elegido o no una de ellas para autodescribirse, algo que sólo se puede discernir con experimentos o/y observaciones.
    Las cuerdas no predicen nada comprobable experimentalmente y encima tienen total libertad para producir cualquier cosa, así que no son falsables y, por tanto, no son científicas.
    Ya llevan más de treinta años trabajando sobre ellas sin que la situación cambie. Ni Feynman creía en ellas. Porque se ha llegado a un punto en el que se cree o no se cree en ellas, como con Dios, los reyes magos o los unicornios. Aunque cada cual tiene libertad de elegir la religión que le plazca, faltaría más.
    Hay que despreciar las cuerda para que así haya más fondos destinados a otras posibles alternativas.

  22. RicardM:

    Neo, desde mi desoconocimiento sobre el tema, toda física teórica se sustenta en modelos (por eso es teórica). Si la teoria de cuerdas es un modelo más, para mi la cuestión crucial es si describe adecuadamente o no la realidad. Esto es, si es falsable. Si dices que no es falsable, entonces no llega ni a teoria: es pura metafísica.
    Saludos.

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