Hacer agujeros negros, como viejos soldados moribundos, simplemente desaparecer? ¿Explotan como globos hiperdimensionales? Tal vez lo hagan, o tal vez pasen a través de un rubicón cósmico, invirtiendo efectivamente sus naturalezas y convirtiéndose en anomalías inversas a las que no se puede acceder a través de sus horizontes de sucesos, pero que continuamente expulsan energía y materia de regreso al universo.
En su último libro, Agujeros blancos, El físico y filósofo Carlo Rovelli centra su atención y su considerable experiencia en los misteriosos fenómenos espaciales, sumergiéndose más allá del horizonte de eventos para explorar su funcionamiento interno teórico y postular lo que podría haber en el fondo de esos puntos gravitacionales infinitamente pequeños e infinitamente fascinantes. En el extracto de Hitting the Books de esta semana, Rovelli analiza un cisma científico que divide a la comunidad de astrofísica en cuanto a dónde va toda la información (que, según nuestra comprensión actual de las reglas de nuestro universo, no puede ser destruida) una vez que queda atrapada dentro de un espacio ineludible. agujero negro.
Extraído de por Agujeros blancos Por Carlo Rovelli. Publicado por Riverhead Books. Copyright © 2023 por Carlo Rovelli. Reservados todos los derechos.
En 1974, Stephen Hawking hizo un descubrimiento teórico inesperado: los agujeros negros deben emitir calor. Se trata también de un efecto túnel cuántico, pero más sencillo que el rebote de una estrella de Planck: los fotones atrapados en el horizonte escapan gracias al paso que la física cuántica proporciona a todo. Hacen un “túnel” bajo el horizonte.
Entonces los agujeros negros emiten calor, como una estufa, y Hawking calculó su temperatura. El calor irradiado se lleva la energía. A medida que pierde energía, el agujero negro pierde masa gradualmente (la masa es energía), volviéndose cada vez más ligero y más pequeño. Su horizonte se encoge. En la jerga decimos que el agujero negro “se evapora”.
La emisión de calor es la más característica de los procesos irreversibles: los procesos que ocurren en una dirección temporal y no se pueden revertir. Una estufa emite calor y calienta una habitación fría. ¿Alguna vez has visto las paredes de una habitación fría emitir calor y calentar una estufa caliente? Cuando se produce calor, el proceso es irreversible. De hecho, siempre que el proceso es irreversible, se produce calor (o algo análogo). El calor es la marca de la irreversibilidad. El calor distingue el pasado del futuro.
Por tanto, existe al menos un aspecto claramente irreversible en la vida de un agujero negro: la reducción gradual de su horizonte.
Pero, cuidado: la reducción del horizonte no significa que el interior del agujero negro se haga más pequeño. El interior sigue siendo en gran medida lo que es y el volumen interior sigue creciendo. Es sólo el horizonte el que se encoge. Este es un punto sutil que confunde a muchos. La radiación de Hawking es un fenómeno que afecta principalmente al horizonte, no al interior profundo del agujero. Por tanto, un agujero negro muy antiguo resulta tener una geometría peculiar: un interior enorme (que sigue creciendo) y un horizonte minúsculo (porque se ha evaporado) que lo encierra. Un viejo agujero negro es como una botella de vidrio en manos de un hábil soplador de vidrio de Murano que logra hacer que el volumen de la botella aumente a medida que su cuello se estrecha.
Por lo tanto, en el momento del salto del negro al blanco, un agujero negro puede tener un horizonte extremadamente pequeño y un interior vasto. Una pequeña concha que contiene vastos espacios, como en una fábula.
En las fábulas nos topamos con pequeñas chozas que, al entrar, resultan contener cientos de amplias habitaciones. Esto parece imposible, cosa de cuentos de hadas. Pero no es así. Un vasto espacio encerrado en una pequeña esfera es concretamente posible.
Si esto nos parece extraño, es sólo porque nos acostumbramos a la idea de que la geometría del espacio es simple: es la que estudiamos en la escuela, la geometría de Euclides. Pero no es así en el mundo real. La geometría del espacio está distorsionada por la gravedad. La distorsión permite encerrar un volumen gigantesco dentro de una esfera diminuta. La gravedad de una estrella de Planck genera una distorsión tan enorme.
Una hormiga que siempre ha vivido en una gran plaza llana se sorprenderá al descubrir que a través de un pequeño agujero tiene acceso a un gran garaje subterráneo. Lo mismo ocurre con nosotros con un agujero negro. Lo que el asombro nos enseña es que no debemos tener una confianza ciega en las ideas habituales: el mundo es más extraño y variado de lo que imaginamos.
La existencia de grandes volúmenes dentro de pequeños horizontes también ha generado confusión en el mundo de la ciencia. La comunidad científica se ha dividido y discute sobre el tema. En el resto de esta sección, les hablo de esta disputa. Es más técnico que el resto (sáltelo si lo desea), pero es una imagen de un debate científico animado y en curso.
El desacuerdo se refiere a cuánta información se puede meter en una entidad con un gran volumen pero una superficie pequeña. Una parte de la comunidad científica está convencida de que un agujero negro con un horizonte pequeño sólo puede contener una pequeña cantidad de información. Otro no está de acuerdo.
¿Qué significa “contener información”?
Más o menos esto: ¿Hay más cosas en una caja que contiene cinco bolas grandes y pesadas, o en una caja que contiene veinte canicas pequeñas? La respuesta depende de lo que quieras decir con “más cosas”. Las cinco bolas son más grandes y pesan más, por lo que la primera caja contiene más materia, más sustancia, más energía, más cosas. En este sentido hay “más cosas” en la caja de pelotas.
Pero el número de canicas es mayor que el número de bolas. En este sentido, hay “más cosas”, más detalles, en la caja de canicas. Si quisiéramos enviar señales, dándole un solo color a cada canica o a cada bola, podríamos enviar más señales, más colores, más información, con las canicas, porque hay más. Más precisamente: se necesita más información para describir las canicas que para describir las bolas, porque hay más. En términos técnicos, la caja de bolas contiene más energíamientras que la caja de canicas contiene más información.
Un viejo agujero negro, considerablemente evaporado, tiene poca energía, porque la energía ha sido arrastrada por la radiación de Hawking. ¿Puede contener todavía mucha información, después de que se haya agotado gran parte de su energía? Aquí está la pelea.
Algunos de mis colegas se convencieron de que no es posible meter mucha información debajo de una superficie pequeña. Es decir, se convencieron de que cuando la mayor parte de la energía se ha ido y el horizonte se ha vuelto minúsculo, sólo puede quedar poca información en el interior.
Otra parte de la comunidad científica (a la que pertenezco) está convencida de lo contrario. La información contenida en un agujero negro (incluso uno muy evaporado) aún puede ser grande. Cada lado está convencido de que el otro se ha extraviado.
Los desacuerdos de este tipo son comunes en la historia de la ciencia; se puede decir que son la sal de la disciplina. Pueden durar mucho. Los científicos se dividen, se pelean, gritan, se pelean, se pelean, se lanzan unos a otros al cuello. Luego, gradualmente, emerge la claridad. Algunos acaban teniendo razón, otros acaban equivocándose.
A finales del siglo XIX, por ejemplo, el mundo de la física estaba dividido en dos facciones feroces. Uno de ellos siguió a Mach al pensar que los átomos no eran más que ficciones matemáticas convenientes; el otro siguió a Boltzmann al creer que los átomos existen de verdad. Las discusiones fueron feroces. Ernst Mach era una figura imponente, pero fue Boltzmann quien resultó tener razón. Hoy en día incluso vemos átomos a través de un microscopio.
Creo que mis colegas, que están convencidos de que un horizonte pequeño sólo puede contener una pequeña cantidad de información, han cometido un grave error, aunque a primera vista sus argumentos parezcan convincentes. Miremos estos.
El primer argumento es que es posible calcular cuántos componentes elementales (cuántas moléculas, por ejemplo) forman un objeto, a partir de la relación entre su energía y su temperatura. Conocemos la energía de un agujero negro (es su masa) y su temperatura (calculada por Hawking), así que podemos hacer los cálculos. El resultado indica que cuanto más pequeño es el horizonte, menores son sus componentes elementales.
El segundo argumento es que existen cálculos explícitos que nos permiten contar estos componentes elementales directamente, utilizando las dos teorías de la gravedad cuántica más estudiadas: la teoría de cuerdas y la teoría de bucles. Las dos teorías archirrivales completaron este cálculo con meses de diferencia entre sí en 1996. Para ambas, el número de componentes elementales se vuelve pequeño cuando el horizonte es pequeño.
Estos parecen argumentos sólidos. Basándose en estos argumentos, muchos físicos han aceptado un “dogma” (ellos mismos lo llaman así): el número de componentes elementales contenidos en una superficie pequeña es necesariamente pequeño. Dentro de un horizonte pequeño sólo puede haber poca información. Si las pruebas de este “dogma” son tan sólidas, ¿dónde reside el error?
Se basa en el hecho de que ambos argumentos se refieren únicamente a los componentes del agujero negro que pueden detectarse desde el exterior, mientras el agujero negro siga siendo lo que es. Y estos son sólo los componentes que residen en el horizonte. En otras palabras, ambos argumentos ignoran que puede haber componentes en el gran volumen interior. Estos argumentos se formulan desde la perspectiva de alguien que permanece lejos del agujero negro, no ve el interior y supone que el agujero negro permanecerá como está para siempre. Si el agujero negro permanece así para siempre, recuerde, aquellos que estén lejos de él sólo verán lo que hay afuera o lo que está justo en el horizonte. Es como si para ellos el interior no existiera. Para ellos.
¡Pero el interior sí existe! Y no sólo para aquellos (como nosotros) que se atreven a entrar, sino también para aquellos que simplemente tienen la paciencia de esperar a que el horizonte negro se vuelva blanco, dejando salir lo que estaba atrapado en su interior. En otras palabras, imaginar que los cálculos del número de componentes de un agujero negro dados por la teoría de cuerdas o la teoría de bucles son completos es no haber tenido en cuenta Artículo de Finkelstein de 1958. La descripción de un agujero negro desde el exterior está incompleta.
El cálculo de la gravedad cuántica de bucles es revelador: el número de componentes se calcula con precisión contando el número de cuantos de espacio en el horizonte. Pero el cálculo de la teoría de cuerdas, tras una inspección minuciosa, hace lo mismo: supone que el agujero negro es estacionario y se basa en lo que se ve desde lejos. Por hipótesis, ignora lo que hay dentro y lo que se verá desde lejos una vez que el agujero haya terminado de evaporarse, cuando ya no esté estacionario.
Creo que algunos de mis colegas se equivocan por impaciencia (quieren que todo se resuelva antes del final de la evaporación, donde la gravedad cuántica se vuelve inevitable) y porque olvidan tener en cuenta lo que hay más allá de lo que se puede ver inmediatamente: dos errores que todos cometemos con frecuencia. hacer en la vida.
Los partidarios del dogma se encuentran con un problema. Lo llaman “la paradoja de la información del agujero negro”. Están convencidos de que dentro de un agujero negro evaporado ya no hay información. Ahora bien, todo lo que cae en un agujero negro lleva información. Por lo que una gran cantidad de información puede entrar por el agujero. La información no puede desaparecer. ¿A dónde va?
Para resolver la paradoja, los devotos del dogma imaginan que la información escapa del agujero de manera misteriosa y barroca, tal vez en los pliegues de la radiación de Hawking, como Ulises y sus compañeros escapan de la cueva de los cíclopes escondiéndose bajo ovejas. O especulan que el interior de un agujero negro está conectado con el exterior mediante hipotéticos canales invisibles. . . Básicamente, se están aferrando a un clavo ardiendo, buscando, como todos los dogmáticos en dificultades, formas abstrusas de salvar el dogma.
Pero la información que entra en el horizonte no escapa por algún medio mágico y arcano. Simplemente sale después de que el horizonte se ha transformado de un horizonte negro a un horizonte blanco.
En sus últimos años, Stephen Hawking solía comentar que no hay que temer a los agujeros negros de la vida: tarde o temprano habrá una salida a ellos. Lo hay, a través del agujero blanco infantil.
Este artículo apareció originalmente en Engadget en https://www.engadget.com/hitting-the-books-white-holes-carlo-rovelli-riverhead-153058062.html?src=rss
