22/May/08

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Sin singularidad en agujeros negros

Proponen una solución a la paradoja de la eliminación de información 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 ocurrir en su interior

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 bastante incauto para acercarse directamente a un objeto de este tipo descubriría que, una vez cruzada una frontera denominada "horizonte de sucesos", su regreso 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 cae 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 de lo que llega allí desaparece para siempre al quedar atrapada eternamente.

En los '70, Hawking mostró que los agujeros negros desaparecían por procesos cuánticos; sin embargo, afirmó que la información, por ejemplo la identidad de la materia tragada por los agujeros negros, era sin embargo perdida para siempre. En ese momento, la afirmación de Hawking amenazó con lanzar de cabeza la mecánica cuántica -la teoría física más exitosa postulada por la especie humana- ya que un dogma fundamental de la teoría es que no se puede perder la información.

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.

La idea de Hawking en general fue aceptada por los físicos hasta fines de los '90, cuando muchos empezaron a dudar de tal afirmación. Incluso el mismo Hawking renunció a la idea en 2004. Sin embargo, nadie hasta ahora fue capaz de suministrar un mecanismo posible de cómo se puede escapar la información de un agujero negro. Un equipo de físicos liderados por Abhay Ashtekar, con el honor de la Eberly Family Chair en Física y director del Instituto de Gravitación y Cosmos de la Pennsylvania State University, lo ha descubierto. En general, sus conclusiones expanden el espacio-tiempo más allá de su presunto tamaño, y por lo tanto tiene espacio para que reaparezca la información.

Para explicar el asunto, Ashtekar usó una analogía de Alicia en el País de las Maravillas. "Cuando el gato Cheshire desaparece, queda su amplia sonrisa", dijo. "Solíamos pensar que era así con los agujeros negros. El análisis de Hawking sugería que al final de la vida de un agujero negro, incluso después de que se ha evaporado totalmente, queda una singularidad, o un borde final de espacio-tiempo, y que esta singularidad sirve como sumidero para la información no recuperable".

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.

Pero Ashtekar y sus colaboradores sugieren que las singularidades no existen en el mundo real. "La información sólo parece haberse perdido porque hemos mirado una parte restringida del verdadero espacio-tiempo cuántico", dijo Varadarajan. "En cuanto uno considera la gravedad cuántica, entonces el espacio-tiempo se vuelve mucho más grande y hay espacio para que reaparezca la información en el futuro distante, del otro lado de lo que antes se pensó como el final del espacio-tiempo".

Representación artística de la acreción de un grueso
anillo de polvo en un súper masivo agujero negro. La
acreción produce chorros de rayos gamma y X. Ampliar.

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.

De acuerdo con Ashtekar, el espacio-tiempo no es un continuum como pensaron alguna vez los físicos. En cambio, está formado por componentes básicos individuales, exactamente como un trozo de tela, aunque parece ser continuo está formada por hilos individuales. "Cuando nos dimos cuenta de que la idea del espacio-tiempo como un continuum era apenas una aproximación de la realidad, se volvió claro para nosotros que las singularidades eran simplemente artefactos creados por nuestra insistencia en que el espacio-tiempo debería ser descrito como un continuum".

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.

Ver (en inglés) la nota de prensa de Pennsylvania State University.

Fuente: NeoFronteras. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard