Los agujeros negros no tienen existencia donde el espacio y el tiempo no existen, dice nueva teoría

En un artículo reciente, los físicos Ahmed Farag Ali, Mir Faizal y Barun Majunder han demostrado que, de acuerdo con una nueva generalización de la teoría de la gravedad de Einstein, no es posible definir la posición del horizonte de sucesos con una precisión arbitraria. Si el horizonte de sucesos no se puede definir, en consecuencia, el agujero negro en sí mismo efectivamente no existe

La característica por excelencia de un agujero negro es su «punto de no retorno», o lo que se llama, más técnicamente, su horizonte de sucesos. Cuando cualquier cosa, una estrella, una partícula, o un humano desprevenido, cruzan este horizonte, la enorme gravedad del agujero negro tira de ellos con tal fuerza que es imposible escapar. Al menos, esto es lo que sucede en los modelos tradicionales de agujero negro basados en la relatividad general. En general, la existencia del horizonte de eventos es responsable de la mayoría de los fenómenos extraños asociados con los agujeros negros.

En un nuevo artículo, los físicos Ahmed Farag Ali, Mir Faizal y Barun Majunder han demostrado que, de acuerdo con una nueva generalización de la teoría de la gravedad de Einstein llamada «Arco Iris de la Gravedad«, no es posible definir la posición del horizonte de sucesos con precisión arbitraria. Si el horizonte de sucesos no se puede definir, en consecuencia, el agujero negro en sí mismo efectivamente no existe.

«En el arco iris de la gravedad, el espacio no existe por debajo de cierta longitud mínima, y el tiempo no existe debajo de un cierto intervalo de tiempo mínimo», dice Ali, físico en la Ciudad Zewail de Ciencia y Tecnología, y en la Universidad de Benha, ambas en Egipto. «Por lo tanto, no existen todos los objetos en el espacio y que se dan en un momento del tiempo debajo de esa longitud e intervalo de tiempo [valores que están asociadas con la escala de Planck]. Como el horizonte de sucesos es un lugar en el espacio que existe en un punto en el tiempo, tampoco existe debajo de esa escala».

Cuando Ali habla de «todos los objetos», quiere decir, literalmente, todo lo que nos rodea, incluidos nosotros mismos.

«Tampoco existimos físicamente por debajo de esa longitud e intervalo de tiempo», dice. «Sin embargo, para nosotros, nuestra casa, nuestro coche, etcétera, no importa si no existimos en un punto del espacio y el tiempo cualquiera, siempre y cuando existamos más allá de un cierto intervalo. Sin embargo, para el horizonte de sucesos sí que importa, y esto produce la principal diferencia en nuestros cálculos».

El arco iris de gravedad

El arco iris de gravedad surge de los intentos de desarrollar una teoría que combine la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica. Para resolver totalmente los problemas relacionados con los agujeros negros, o incluso el comienzo de nuestro universo, los físicos necesitan una teoría de la gravedad cuántica.

«A pesar de que nadie ha sido capaz de descubrir una teoría así, hay varias candidatas», dice Ali. «Estas incluyen ideas como considerar el espacio y el tiempo como fundamentalmente discretos, o el uso de algunos bucles matemáticos como una cantidad fundamental para construir el espacio y el tiempo, o incluso la sustitución de partículas por diminutas cuerdas, y muchas otras ideas exóticas.

«Lo que muchos de estos modelos tienen en común es que se puede deducir de ellos que la energía de una partícula no puede llegar a lo más grande posible, sino que hay una energía máxima que toda partícula puede alcanzar. Esta restricción se puede combinar fácilmente con la teoría especial de la relatividad de Einstein y la teoría resultante se llama la teoría de la relatividad doblemente especial, o DSR» (Doubly Special Theory of Relativity).

Como explican los físicos, es posible generalizar la DSR para incluir la gravedad, y esta teoría se llama Arco Iris de la Gravedad.

«La relatividad general predice que la geometría del espacio y tiempo se curva en la presencia de la materia, y esto hace que exista la gravedad», dice Ali. «[La teoría del] arco iris de gravedad predice que esta curvatura también depende de la energía del observador que la mide. Así, en el arco iris de la gravedad, la gravedad actúa de forma diferente en partículas con diferentes energías. Esta diferencia es muy pequeña para objetos como la Tierra, sin embargo, se hace significativa para los objetos como los agujeros negros».

La paradoja de la información

El punto de este trabajo no es sólo la abolición de uno de los rasgos definitorios de un agujero negro, sino que los resultados, más bien, podrían resolver la paradoja de la información del agujero negro, de 40 años de edad, que data del trabajo de Stephen Hawking en los años 1970. En ese momento, Hawking propuso que los agujeros negros emiten radiación a medida que giran, haciendo que se pierda masa más rápido de lo que ganan, de modo que se evaporan de manera constante y, finalmente, desaparecen por completo.

La paradoja en este escenario es que la radiación de Hawking se origina a partir de la masa de los objetos que cayeron en el agujero negro, pero (en teoría) la radiación no lleva información completa sobre estos objetos cuando es irradiada alejándose del agujero negro. Se espera que, finalmente, esta radiación cause que el agujero negro se evapore por completo. Así que la pregunta que surge entonces es: ¿A dónde se va la información sobre los objetos?

En la vida cotidiana, triturar o quemar documentos en papel puede ser una práctica común para destruir información, pero de acuerdo con la teoría cuántica, la información nunca se puede destruir por completo. En principio, siempre se puede determinar el estado inicial de un sistema mediante el uso de información sobre su estado final. Pero la radiación de Hawking no puede determinar el estado inicial de nada.

Se han presentado muchas propuestas para resolver esta paradoja, incluyendo la posibilidad de que alguna información escape lentamente con el tiempo, que la información está almacenada en el interior del agujero negro, y que la radiación de Hawking en realidad contiene la información completa.

Una de las explicaciones más desarrolladas de la paradoja se llama la complementariedad del agujero negro, que se basa en la idea de que un observador que cae en un agujero negro y un observador que mira desde una distancia ven dos cosas completamente diferentes. El observador que ingresa ve la información (en la forma de sí mismo) que pasa a través del horizonte de eventos del agujero negro, pero para un observador distante, parece que el observador que ingresa en realidad nunca llega al horizonte de sucesos debido al extraño efecto de la relatividad general de la dilatación del tiempo. En cambio, el observador distante ve la información que se refleja fuera de la horizonte de sucesos en forma de radiación. Puesto que los dos observadores no se pueden comunicar, no hay paradoja (aunque a muchas personas esta solución puede parecerles incluso más extraña que la paradoja en sí).

Límites a escala de Planck

En su nuevo artículo, Ali, Faizal y Majunder muestran que sucede algo muy diferente en la complementariedad del agujero negro cuando no hay horizonte de sucesos debajo de una longitud y tiempo de intervalo determinados, como se sugiere en el arco iris de la gravedad. En lugar de parecerle al observador distante que le lleva una cantidad infinita de tiempo al observador que ingresa alcanzar el horizonte de sucesos, en la nueva teoría este tiempo es finito. En otras palabras, el observador distante finalmente ve al observador que cae ingresando en el agujero negro.

Utilizando este nuevo conocimiento que se obtiene a partir de arco iris de la gravedad, Ali, Faizal y Majumder afirman que los misterios que rodean a un agujero negro se derivan del hecho de que se está describiendo el espacio y el tiempo a una escala en la que no existen.

«Si restringimos nuestra descripción a las escalas a las que existen el espacio y el tiempo, entonces las aparentes paradojas asociadas a los agujeros negros parecen resolverse de forma natural», dice Ali. «Por ejemplo, como la paradoja de la información depende de la existencia del horizonte de sucesos, y un horizonte de sucesos, como todos los objetos, no existe debajo de una longitud y tiempo de intervalo determinados, entonces no hay en absoluto paradoja de la información en el arco iris de la gravedad. La ausencia de un horizonte efectivo significa que no hay nada en absoluto deteniendo la información que sale del agujero negro».

Más allá de los agujeros negros

Además de ofrecer una solución a la paradoja de la información del agujero negro, los físicos explican que la existencia de intervalos de longitud y de tiempo mínimos nos recuerda que es importante saber qué preguntas se le permite a uno hacer en física para obtener la respuesta correcta.

Los científicos explican esta idea usando la analogía de una barra de metal: «Podemos preguntar, ¿cuánto se dobla una varilla a una fuerza dada sin que se rompa? Cuando aplicamos una fuerza tan grande que rompe la vara, no tiene sentido hablar de doblar la vara. De la misma manera, en la gravedad arco iris, se convierte en un sinsentido hablar de espacio por debajo de cierta escala de longitud, y de tiempo por debajo de un cierto intervalo.

«La lección más importante de este trabajo es que existe el espacio y el tiempo sólo más allá de una cierta escala», concluye Ali. «No hay espacio y tiempo por debajo de esa escala. Por lo tanto, no tiene sentido definir las partículas, la materia, o cualquier objeto, incluyendo los agujeros negros, que existen en el espacio y el tiempo por debajo de esa escala. Por lo tanto, mientras nos mantengamos confinados a las escalas a las que existen en el espacio y el tiempo, obtenemos respuestas físicas razonables. Sin embargo, cuando tratamos de hacer preguntas en intervalos de longitud y de tiempo que están por debajo de las escalas a las que existen el espacio y el tiempo, terminamos teniendo paradojas y problemas.»

 

 

Artículo de referencia: Ahmed Farag Ali, Mir Faizal, and Barun Majumder. «Absence of an effective Horizon for black holes in Gravity’s Rainbow.» EPL. DOI: 1209/0295-5075/109/20001

Fuente: Physorg. Aportado por Eduardo J. Carletti

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