Encuentran una violación del principio fuerte de censura cósmica
En un Universo en expansión se puede sobrevivir a la caída en un agujero negro supermasivo cargado y llegar a un lugar en donde el futuro no está determinado al fallar la unicidad para cualquier condición inicial.
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Los agujeros negros son los objetos contra los que se enfrentan nuestras teorías, que son, a su vez, objetos culturales elaborados por el ser humano. Lo buena o mala que sea una teoría dependerá de lo bien que describa la realidad.
Un agujero negro es una región del espacio con una gran curvatura que no puede ser descrito por la gravedad newtoniana. Es la Relatividad General (RG) la que se usa para describirlos e incluso da para desarrollar el argumento de una película como Interstellar, además de dar precisión al GPS de nuestro móvil.
Al agujero negro se le llama así porque la geometría del espacio que posee se asemeja a una embudo y porque poseen un horizonte de sucesos, una frontera esférica de no retorno más allá de la cual la velocidad de escape es superior a la velocidad de la luz y, por tanto, esta no puede escapar, así que el objeto debe ser negro. Y si no escapa la luz no escapar ninguna otra cosa. Pero sí se pueden ver los objetos que caen al agujero que todavía no han cruzado ese horizonte de sucesos, que, generalmente, forman un disco de acreción.
Cualquier teoría cuántica de la gravedad que nos diga cómo aparece la estructura del espacio-tiempo debe enfrentarse también al caso de los agujeros negros y los debe describir correctamente.
Últimamente, gracias a la capacidad de poder detectar ondas gravitacionales, nuestras teorías pueden ponerse a prueba de forma experimental en este tipo de objetos. Pero desde hace tiempo se hacen muchos estudios teóricos sobre la naturaleza y comportamiento de los agujero negros, que es lo mismo que decir que sobre el comportamiento de la Relatividad General. Se suelen proponer numerosos experimentos mentales en los que hay implicados astronautas que tienen un triste final al caer a un agujero negro, salvo que te llames Cooper, claro.
Dentro de la fauna de los agujero negros hay cierta variedad, pues estos pueden tener carga eléctrica o rotar, además de poseer una gran variedad de masas. Dependiendo de estos parámetros la Relatividad General tiene distintas soluciones a las que llamamos métricas, que es una expresión de geometría diferencial que es solución a las ecuaciones de Einstein que nos dice cómo está curvado el espacio.
En el centro de los agujeros negros suele haber lo que se llama una singularidad, una región de curvatura y densidades infinitas en donde la teoría deja de ser descriptiva. Esto suele solucionarse diciendo que una teoría cuántica de la gravedad eliminará dicha singularidad y en su lugar habrá un objeto muy denso, pero no infinitamente denso, rodeado de una región de curvatura muy alta casi idéntica a los que describe la RG. Como aún no tenemos una teoría cuántica de la gravedad no sabemos cómo puede ser ese objeto.
En una primera aproximación, el destino del astronauta que cae en un agujero negro dependerá de la masa del mismo. Cuanto menor sea la masa del agujero, peor destino deparará a nuestro intrépido visitante, pues las fuerzas de marea serán mayores. Sus pies sufrirán una fuerza de gravedad menor que su cabeza (si se tira de cabeza al agujero) y, aunque esté en caída libre, resultará espaguetificado. Es decir, termina convertido en un hilo de átomos y no sobrevive a la experiencia. Para ello no hace falta ni que cruce el horizonte de sucesos.
Pero si el agujero negro es muy grande, con millones de masas solares, como los agujeros negros supermasivos que hay en los centros de las galaxias, la fuerza de marea es menor y el astronauta puede sobrevivir a la caída, incluso si cruza el horizonte de sucesos. Es lo que le pasa a Cooper en Interstellar.
Pero aquí hay un gran problema. La gran curvatura del espacio-tiempo implica que el tiempo pasa a distinto ritmo en las cercanía o en el interior de un agujero negro (algo que también sufre Cooper). El astronauta que experimente esta dilatación temporal puede echar la vista atrás y ver el resto del Universo, pero cómo el tiempo para él pasa mucho más despacio, ve pasar los miles de millones de años de evolución del Universo en poco tiempo. Verá las estrellas explotar como supernovas o las galaxias colisionar como el que ve los fuegos artificiales de las fiestas de una localidad. Y aquí es donde viene el mayor problema. En un momento dado, todo el futuro del Universo se verá concentrado en una frontera interior, el horizonte de Cauchy, toda la radiación electromagnética que constituye la visión de todo ese futuro del Cosmos se concentra ahí aniquilando cualquier cosa. Esa frontera no se puede cruzar indemne o simplemente impide que se la cruce.
No importa si la RG nos diga que más allá se puede sortear la singularidad y que la estructura del espacio-tiempo que hay es la que pueda tener cualquier otro universo, pues los observadores que caen son destruidos y, con ellos, posiblemente la información que porten. Hay una suerte de censura cósmica. En todo caso, nunca se podrán comunicar con el exterior, si es que queda alguien en ese futuro tan distante.
Ahora se publica un estudio teórico que proporciona una solución para evitar el problema del horizonte de Cauchy en la que el observador que cae al agujero negro tiene un futuro indeterminado entre una infinidad de posibles futuros que no depende de su pasado. Digamos que se rompe la causalidad.
Esta afirmación es muy interesante, pues, en Física clásica, el futuro siempre queda determinado por el pasado. Dadas una condiciones iniciales que dependen de un pasado, un sistema físico tiene un futuro concreto que está determinado.
Peter Hintz (UC Berkeley) y colaboradores proponen esa solución para un tipo concreto de agujero negro: uno cargado eléctricamente que no rota. Para esas condiciones hay unas soluciones a las ecuaciones de Einstein de la RG: la métrica de Reissner-Nordström-de Sitter.
Si la masa del agujero negro es muy grande el observador (astronauta) puede cruzar el horizonte de sucesos y sobrevivir a las fuerzas de marea. Para poder sobrevivir al horizonte de Cauchy, Hintz echa mano de la expansión acelerada del Universo.
Si las medidas de las que disponemos son correctas, el Universo se expande cada vez más rápidamente debido a la energía oscura. Tarde o temprano para un observador en cualquier punto del Cosmos, las galaxias cruzarán el horizonte observacional cuando retrocedan a mayor velocidad que la luz y al final sólo verá su propia galaxia. Si la energía oscura es suficientemente potente incluso su propia galaxia será expandida aceleradamente. Entonces el Universo será un sitio oscuro y vacío para cualquier observador.
Pero si eso es así para cualquier observador, también lo es para el astronauta que cae en nuestro agujero negro. Verá cómo el Universo se expande y cómo las galaxias desaparecen, pero no sufrirá la irradiación de toda la luz futura, pues esa emisión está limitada en el tiempo. No se puede ver por siempre en un Universo en expansión acelerada.
La energía disponible que cae en el agujero es entonces sólo la contenida dentro del horizonte observable del Universo. Para nosotros ese volumen es mayor que una esfera con una radio de 13.800 millones de años luz, pues el Universo se ha estado expandiendo desde el Big Bang. La expansión acelerada nos impide ver más allá de un horizonte de 46.500 millones de años luz.
Es justo en el horizonte de Cauchy en donde el determinismo se rompe y el pasado no determina el futuro. Esto es clave, pues los posibles infinitos futuros para nuestro astronauta no pueden ser censurados y son accesibles para él. En este caso, hay soluciones a las ecuaciones de Einstein que son suave y sin que las fuerzas de marea o gravitatorias se vayan a infinito. En una métrica de tipo Reissner-Nordström-de Sitter, un observador que sobreviva al horizonte de Cauchy caerá en un mundo no determinista. Una región en donde, dado un estado inicial, no se puede decir hacia dónde evolucionará el sistema. En donde la evolución física no está determinada por las condiciones iniciales de forma única y falla la unicidad. Uno puede evitar la singularidad central y vivir por siempre en un universo desconocido.
La censura cósmica, como hace 40 años había sido propuesta por Roger Penrose, no existe. El determinismo en RG, por tanto, desaparece en este escenario. Que esto sea un problema sólo de esta teoría o sea algo propio del Universo es algo que habrá que estudiar. En las últimas décadas se ha comprobado que el principio o conjetura fuerte de censura cósmica siempre se verificaba, hasta ahora. Este nuevo resultado constituye la mayor prueba teórica de violación de esta comjetura en un sistema gravitatorio y electromagnético (recordemos que el agujero está cargado).
Obviamente es difícil que un agujero negro de este tipo se forme, pues lo lógico es que un agujero negro gire. En ese caso, si hay carga y momento angular, la métrica será la de Kerr-Newman-de Sitter. Pero, según los autores, se mantendrá el mismo resultado.
Después de publicarse este resultado, ha habido otros estudios de más autores que también obtienen la violación del determinismo para otros tipos de agujeros negros.
¿Habremos encontrado los límites de la Relatividad General o los límites del Universo? Sólo el tiempo lo dirá.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=6015
Fuentes y referencias:
Artículo original.
Versión en ArXiv.
Ilustración: APS/Alan Stonebraker.
20 Comentarios
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domingo 25 febrero, 2018 @ 4:25 pm
Saludos, soy astrónomo aficionado, los estudios sobre teorías utopías (agujeros negros que no giran) creo son una perdida de tiempo ya que desde un átomo la energía está en movimiento y por lo tanto un agujero negro a si no puede existir, más puede ser válido mencionarlo para explicar el fenómeno en referencia.
domingo 25 febrero, 2018 @ 5:45 pm
Por eso opina como opina. Si tuviera una formación reglada en Astrofísica no opinaría así.
lunes 26 febrero, 2018 @ 12:34 am
Lo de que caer en el AN supermasivo es mucho menos violento que caer en los pequeños, lo había visto bastantes veces en la tele. Pero, de ahí a que se pueda sobrevivir, llegar a quién sabe dónde y vivir para siempre…¡va a ser una mina extraordinaria para películas Sci-Fi!
lunes 26 febrero, 2018 @ 12:57 am
Estimados administradores, quisiera señalar que no se puede acceder al archivo general. Entiendo que este no es un comentario atingente al tema tratado, me disculpo si trae molestias.
Saludos.
miércoles 28 febrero, 2018 @ 11:55 am
No se si callar -cosa difícil en mí- pero siendo, como soy, aprendiz de aficionado, pues no sé…
El caso es que los agujeros negros que no giran y están cargados, según Wiki_ y otros se han estudiado-teorizado por Reissner-Nordstrom. Supongo que la cualidad de no girar solo puede deducirse por ser su momento angular nulo. Digo yo… y mucho me atrevo a decir.
Besitos acongojados.
miércoles 28 febrero, 2018 @ 6:02 pm
Yo, como todo el mundo, con los AN me pierdo. Bueno, me pierdo con muchas cosas, pero son casi todas culturales, de ahí mi desconfianza, no hacia los AN (hacia el volumen de datos astronómicos recabados), sino hacia la manera cómo los vemos. Los últimos años pensaba que antes o después se acabaría algún tipo de observación física (astrofísica), que al menos purgase y acotase todo esto, pero me da que vamos de cabeza a una ramificación de modelos incompatibles, o sea, tiempos interesantes que dicen los chinos. Si me quejo de vicio.
miércoles 28 febrero, 2018 @ 7:40 pm
«El astronauta que experimente esta dilatación temporal puede echar la vista atrás y ver el resto del Universo, pero cómo el tiempo para él pasa mucho más despacio, ve pasar los miles de millones de años de evolución del Universo en poco tiempo». «el tiempo para él pasa mucho más despacio», dice ese párrafo. ¿ Mucho más despacio que para quién?.
Por otra parte, la RG es una teoría «clásica», física clásica, vaya, aunque algunos la llaman «semi-clásica», si se rompe la causalidad, se estaría violando la RG.
Y si después de todo no existe la «energía oscura» -aquí mismo hay algún estudio que la descarta- entonces estas soluciones, para sobrevir al «horizonte de Cauchy» serían inválidas. Además la supervivencia al tipo que cae dentro del AN y aparece en una región extraña del universo, se da para un tipo concreto de AN. Esto implica
que en otros AN más típicos (sin carga) no habría supervivencia. ¿Diferentes ecuaciones, no generalizables, para diferentes tipos de AN?. ¿carece de belleza -matemática- el Universo y es una cosa feucha, rara, lleno de ecuaciones no generalizables y aplicables a casos particulares?. ¿ regiones de universo deterministas y regiones de universo u otros universos, sea lo que sea que signifique «otros universos, indeterministas?.
jueves 1 marzo, 2018 @ 10:06 am
¡Dr. desencadenado! Como siempre, más escéptico que Pirrón. Mucho me alegra tu irrupción, porque lo avasallas todo, tanto que no me atrevo a responder a tu documentados, imaginativos y surrealistas comentarios. Quizá andabas escondido dentro de un AN supermasivo, has logrado superar la velocidad de la luz y asomado la cabeza por la parte de atrás. La lente de Einstein te ha jugado una mala pasada y ha multiplicado tu imagen, así que estás por todas partes.
Fuertes brazos.
jueves 1 marzo, 2018 @ 4:38 pm
Tomás, gracias por tus aprecios y no te preocupes: perro ladrador poco mordedor. Es una verdad de Boatman, o barquero que se decía antes. También dime de qué presumes y te diré de qué careces (y va por egomet memet myself ich mich, quién si no). Por favor no tengas reparo en ponerme a caldo fredo, y si no deseas que te dé réplica házmelo saber y réplica no te será dada. Faltaría más.
Einstein sí que está en todas partes. Si aceptamos la magufa ley de Godwin o como fuera que fuese, debe estar de 2° en el ranking detrás del Führer, y en alemán la cosa tiene su aquel porque apellidarse Unapiedra ni a la dea Fortuna. Ta. Por ejemplo, la tontería de Boatman de allá arriba, imagina Caronte con su sudadera y su remo gondelero en un reality soltando una verdad lapidaria estilo bomba rusa en Siria, apostillando: My name is Boatman (y estas son mis truthes). Surrealista denominación de origen Calanda, sin aditivos.
viernes 2 marzo, 2018 @ 2:10 am
esto de los agujeros negros congelados, que no giran, resulta extraño, como el que tengan carga electrica positiva o negativa. Recuerda a los vortices que se forman entre láminas de CuO2, en los cupratos SAT, a Tc.
Seria como un tornado o trompa marina, o remolino en el agua, que no girase, y permaneciese inmóvil, congelado.
Lo de la extraña vida que podrian experimentar los viajeros al otro ladode este.¿Seria tan extraño como el de Alicia atra vez dl espejo, o el del protagonista de una Odisea del Espacio deArthur C Clarke, cuando sefunde con el monolito, y está a la vez en el presente, en el pasado y en el futuro?
viernes 2 marzo, 2018 @ 2:44 am
Esto se vió ayer en el cielo de Argentina:
https://www.eltiempo.es/videos/la-fuerza-de-la-naturaleza/espectacular-arcoiris-de-fuego-y-halo-solar
sábado 3 marzo, 2018 @ 6:27 am
Querido amigo Lluís:
El tiempo pasa mucho más despacio para el astronauta. Durante lo que para el cosmonauta serán solamente unos pocos segundos, habrán transcurrido millones de años en el Universo.
Lo más trangresor de este modelo teórico es la ruptura de la causalidad.
En cuanto a la censura cósmica, mi pregunta es si socava todos los aspectos de ella, o solamente algunos. Me explico: este modelo de Peter Hintz predice estados de futuro no determinados por el pasado y no mencionan que se incurra en paradojas. Pero si planteamos (en el contexto de este nuevo modelo) un viaje en el tiempo al pasado, ¿desaparecería también la paradoja del hijo que mata a su padre y, después, regresa al futuro?
De todos modos, hasta la llegada de este modelo, la ruptura de la causalidad siempre se ha considerado paradójica, imposible.
Esta noticia tiene un gran interés a nivel filosófico.
Abrazos.
sábado 3 marzo, 2018 @ 6:42 am
*Puntualizo: la ruptura de la causalidad se consideraba imposible en el mundo clásico. A nivel cuántico, ese principio es objeto de debate: http://neofronteras.com/?p=3223
domingo 4 marzo, 2018 @ 10:09 am
Eres un fenómeno recordando, amigo Miguel.
A Davi: quiero puntualizarte que la deformación espacial que produce un AN se da en las infinitas direcciones que le rodean dirigiéndose al centro, lo cual quiere decir que, aunque quizá similares, cada resultado para el que cae en él ha de ser distinto. Lo digo por la semejanza que estableces con una tromba, inmóvil o no: habrían de ser infinitas trombas, una para cada dirección.
lunes 5 marzo, 2018 @ 9:00 pm
Querido Miguel Ángel, eso de q
lunes 5 marzo, 2018 @ 9:08 pm
Vaya, saltó la cosa. Decía querido Miguel Ángel que eso de que el tiempo transcurre más lento para el astronauta, ya lo sé. Pero la pregunta tiene una intencionalidad, más lento para el astronauta que con referencia a quién,sigue siendo la pregunta. Hay que suponer que «más lento» que para otros que se hallen un poco más alejados del agujero negro, viviendo en un planeta más alejado del AN de lo que lo está el astronauta. Porque desde luego, si un astronauta viaja suficientemente acelerado con respecto a un observador en la Tierra al que consideramos «en reposo», su tiempo transcurre más lentamente (el tiempo del astronauta).
un abrazo acelerado, Miguel Ángel.
martes 6 marzo, 2018 @ 12:01 am
El reloj del astronauta trascurre más lento respecto a un reloj exterior al agujero negro. Otros efectos son despreciables.
martes 6 marzo, 2018 @ 6:29 am
En referencia al 12 de Miguel Ángel, a mi mentalidad le resulta imposible separarse de la causalidad y de la unicidad de la realidad. Quizá me gane una reprimenda de Dr., pero pese a la MC, y aun admitiéndola, veo la realidad como un árbol rodeado por un gran número de observadores: cada uno ve un árbol distinto, pero es un único y real árbol. Pero claro, estoy hablando de lo macro…
martes 6 marzo, 2018 @ 4:10 pm
A tu mentalidad, tomás, le sucede como a la mentalidad de Einstein.A pesar de haber abierto las puertas a la MC, no le hacía ni pizca de gracia la pérdida de «causalidad» que lo que él denominó » Espeluznante acción a distancia» se producía en el «entrelazamiento cuántico»: Que si variables ocultas,que si la MC es una teoría no completa, que si » Dios no juega a los dados con el universo». Aunque se dice que en el entrelazamiento cuántico no se pierde la causalidad y por tanto no se vulnera la RG por cuanto no hay transmisión de información, ya que resulta ilegible; no se transmite nada material, sino sólo estados cuánticos, aunque esos estados resultan alterados instantáneamente entre las partículas preparadas y manipuladas que puedan hallarse separadas de extremo a extremo en el universo.
Sí, es bastante extraño.
miércoles 7 marzo, 2018 @ 8:55 am
Pues sí, mi buen amigo. Comprendo y conocía cuanto me dices. Es como una fe -mala cosa- o amar a alguien canalla sabiéndolo. ¡Si pudiera comprender…! A veces quisiera ser mínimo, a ver si el vivir en una realidad micro me hiciera verla con lógica propia. Ya he contado que, desde mi adolescencia, me molestó muchísimo que las ecuaciones de segundo grado tuviesen dos soluciones, pero me consoló saber que bastaba alguna condición más para que la cosa quedase determinada. Se arguye que en la acción a distancia no se transmite información, pero no me siento preparado para juzgarlo, para aceptarlo con mi lógica personal. Lo que pasa es que hay que aceptar los hechos porque ahí no caben excusas; lo difícil es comprender por qué son así.
Gracias por tu ayuda.