¿Existen los muros de fuego?

Área: Física — Sábado, 26 de Octubre de 2013

Unos resultados teóricos recientes sostienen que los agujeros negros estarían rodeados de un “muro” que impediría cruzar el horizonte de sucesos. Estos experimentos mentales podrían ayudar en la tarea de encontrar una teoría cuántica de la gravedad. Foto

Se ha producido recientemente una sorpresa en Física Teórica que algunos entusiastas han calificado como un 9 en las escala de “terremotos académicos” en esa disciplina. Se trata de un resultado teórico sobre agujeros negros. Pese a que nadie ha visto nunca un agujero negro directamente, este tipo de objetos han resultado muy fructíferos desde el punto de vista teórico. Aunque sí hay pruebas que permiten inferir su existencia en el Universo, estos objetos son pequeños y negros, así que no es fácil verlos. Pero sí podemos ver las consecuencias de su presencia en el entorno que los rodea. La forma habitual de obtener un agujero negro es acumular suficiente materia en una región de espacio muy pequeña. A partir de una densidad dada la fuerza gravitatoria es capaz de vencer cualquier presión en contra, incluso el principio de exclusión de Pauli de los neutrones en una estrella de neutrones, y toda la materia colapsa según la Relatividad General en un punto denominado singularidad. La singularidad es un punto en donde hay una densidad infinita. Además, como la masa-energía crea una curvatura del espacio-tiempo que lo rodea, la curvatura del propio espacio-tiempo también sería infinita. Al final da igual que se forme la singularidad o no, ya que no la podemos ver por una suerte de censura cósmica. Las singularidades no están desnudas. Así que estamos protegidos de su visión y supuestas maldades. Todo lo que hay en el agujero negro estaría oculto por el horizonte de sucesos, la frontera a partir de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar del campo gravitatorio del agujero negro. Así que nunca veríamos qué hay dentro. Normalmente se asume por tamaño del agujero negro el tamaño de la esfera creada por ese horizonte. Para un observador que cayese en el agujero negro las cosas no serían muy agradables. Además de estar sometido a la radiación circundante, sería estirado como un espagueti según cae hacia abajo. Esto se debería a que, aunque en una caída libre no sentiría el tirón gravitatorio, sí sentiría las fuerzas de marea. Suponiendo que sobrevive a todo esto, no sentiría nada especial al cruzar el horizontes de sucesos y seguiría viendo lo que sucede en el exterior. Aunque, como el tiempo también se ve afectado por el campo gravitatorio, su sistema de referencia le permitiría ver el resto de la historia del Universo a cámara rápida y podría contemplar su final antes de chocar contra la singularidad. Desde el punto de vista estándar un agujero negro se puede caracterizar solamente por su masa, su momento angular y carga eléctrica si se añade esta de algún modo. Por eso se suele decir que “los agujeros negros no tienen pelos”. Esta expresión viene a raíz de una metáfora usada por primera vez por John Wheeler. Hace poco tiempo un trabajo de Vitor Cardoso, Isabella P. Carucci, Paolo Pani, Thomas P. Sotiriou afirmaba que los agujeros negros sí tienen pelos y que la materia que cae en ellos hace que posean un carga extra cuyo efecto se vería en las ondas gravitatorias y que afectaría a los objetos que orbitasen los agujeros negros. Lo interesante es que esto podría ser detectado. Para llegar a este resultado los investigadores usaron una extensión de la Relatividad General que se encuadra dentro de las teorías (clásicas y no cuánticas) de tensor escalar. Sin embargo, cuando tenemos en cuenta los fenómenos cuánticos las cosas se complican un poco más. La Relatividad General y sus variantes son teorías clásicas que ignoran los fenómenos cuánticos. La Mecánica Cuántica trata del mundo de lo muy pequeño y una singularidad de dimensión cero ya es lo suficientemente pequeña como para tener en cuenta los fenómenos cuánticos. La aparición de singularidades en Relatividad General viene a decir que la capacidad de predicción de la teoría cesa cuando llegamos a ese régimen. Es de suponer que en una teoría cuántica de la gravedad no se llegaría a una singularidad, sino que algún proceso desconocido del propio espacio impediría un colapso tan radical. La materia estaría en un estado de densidad altísimo, pero no sería infinita. Así por ejemplo, la gravedad cuántica de lazos predice que los elementos cuánticos de espacio (“átomos de espacio”) sufren un principio de exclusión de Pauli que impide alcanzar ese estado singular. Otro efecto curioso, descubierto por Hawking en su día, es que los agujeros negros se evaporan. En el horizonte de sucesos se forman pares de partícula-antipartícula virtuales gracias al principio de incertidumbre. Una de ellas puede caer al agujero y la otra ya no tiene con quien aniquilarse y adquiere consistencia real. La que cae lleva masa negativa que hace disminuir la masa del agujero. Desde fuera es como si el agujero negro se evaporara y tuviera una temperatura. Este tipo de trabajos permitió, por tanto, definir una entropía en los agujeros negros que depende de la masa del mismo (o de su área, ya que son equivalentes). Un problema que siempre ha estado relacionado con los agujeros negros es el problema de la información, asunto sobre el cual Hawking hizo una de sus típicas apuestas. Los físicos asumen en general que la información en Física puede ser alterada, cambiada de lugar o arrojada a sitios en donde es difícil de recuperar, pero que nunca puede ser destruida, incluso bajo el punto de vista cuántico. Una mente omnisciente que supiera todas las características de todas las partículas del Universo podría reconstruir por completo la historia pasada del mismo gracias a esa conservación de la información. El problema y paradoja surge cuando consideramos la información que va a parar al “olvidadero” que constituye un agujero negro. La información parece ser destruida una vez cruza el horizonte de sucesos. Los trabajos de Gerard ‘t Hooft , Juan Maldacena y Leonard Susskind permitieron introducir el principio de complementariedad. Según este principio los observadores de dentro y fuera del horizonte de sucesos pueden tener descripciones complementarias o equivalentes de la misma física cuántica y que, por tanto, toda la información cuántica que entra en el agujero negro acaba siendo emitida en la radiación de Hawking sin violar la evolución unitaria del estado cuántico. Así que la radiación de Hawking, aunque parezca puramente térmica, contiene la información de todo lo que cayó en el agujero, por lo que el Universo no perdería información en estos objetos al no ser esta destruida. Ahora aparece el trabajo de Joseph Polchinski y Donald Marolf, (U.C. Santa Barbara), que añade más ingredientes al lío de los agujeros negros. La idea de este trabajo proviene de un estudio de 2012, pero ha sido desarrollada en un artículo aparecido este octubre el Physical Review Letters, con previas apariciones en los ArXiv de Cornell, claro. Obviamente todavía no se ha dicho la última palabra sobre el asunto e irán apareciendo otros artículos, al igual que han aparecido ya muchos otros sobre este asunto tan polémico. El trabajo descansa en el concepto de entrelazamiento cuántico, fenómeno mediante el cual un par de partículas entrelazadas y separadas por una distancia arbitraria “sincronizan” su colapso de función de ondas (EPR). Es algo sí como preguntarse qué ocurre cuando lanzamos al gato de Schrödinger a un agujero negro. ¿Colapsa el estado del gato por el efecto no local de una medida realizada por otro observador fuera del horizonte de sucesos? Al parecer el resultado al que llegan estos físicos es que sí es posible, lo que es bastante paradójico. Cuando en Lógica parece una paradoja es que alguna premisa de partida es necesariamente falsa o la deducción contiene algún error. Según Polchinski el espacio no es suave en las cercanías del horizonte de sucesos como se había asumido hasta ahora, sino que hay una división, frontera u horizonte al que han llamado “muro de fuego”, un muro de energía que podría ser el fin del espacio-tiempo tal y como lo conocemos y que nos salvaría de la paradoja. Es este muro el que impide el colapso cuántico del estado del gato de Schrödinger. Cualquier cosa que chocara contra ese muro se disolvería en sus bits de información constituyentes, así que la información se conserva. El horizonte de sucesos no puede ser cruzado y el agujero negro “tiene pelos”. La solución habitual al problema de la pérdida de información en los agujeros negros se basa o basaba, como ya hemos visto, en el principio de complementaridad, pero retener esta idea lleva a paradojas como la existencia de estos murtos de fuego. Muchos físicos se resisten a abandonar este principio, pero el problema es que hay que sacrificar algo. Algunos físicos, incluyendo alguno de sus descubridores, que estudiaron en principio esta idea se resistieron a aceptarla al considerar este “muro de fuego” como demasiado extraño o artificial. Pero nadie parece encontrar argumentos válidos en contra de su existencia sin sacrificar alguna cosa. Muchos siguen buscando un error en algún sitio que permite deshacerse de esta idea que preserve todo lo demás sin que lo hayan conseguido hasta el momento. Polchinski siempre ha encontrado hasta ahora contraargumentos a las propuestas realizadas al respecto. A veces se pueden evitar estos problemas si se asume que los estados cuánticos entrelazados están conectados con puentes de Einstein-Rosen (agujeros de gusano) inestables. Pero no se sabe si esto soluciona algo o empeora aún más todo este asunto añadiendo todavía más artificialidad. Puede que el asunto de los muros de fuego sean un nuevo descubrimiento o paradigma en Física Teórica o puede que sea una prueba más de que algo falla en las teorías físicas que usamos, que sea un síntoma en lugar de ser algo real. Puede que o bien la Relatividad General o bien la Mecánica Cuántica estén mal, o puede que ambas. De nuevo aparece el fantasma de una teoría cuántica de la gravedad que no tenemos aún. Al menos este tipo de trabajos nos hace ver que el mundo teórico de los agujeros negros no es la balsa de aceite sin sorpresas que creíamos conocer tan bien. Si todo esto sirve para allanar el camino hacia una teoría cuántica de la gravedad entonces bienvenido sea.

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