El pelo suave ayuda a resolver la paradoja de la información en los agujeros negros

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Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 8 de junio de 2016 en physicsworld.com

Durante 40 años, los físicos han tenido problemas para resolver un problema propuesto por el astrofísico Stephen Hawking: que los agujeros negros parecen destruir toda la información que pasa por su horizonte de sucesos. Esta destrucción crea una “paradoja de la información de los agujeros negros”, debido a que contradice el determinismo, uno de los principios más fundamentales de la ciencia. Ahora, Hawking y dos colegas creen que han encontrado una forma de solventar el problema, al menos en parte, gracias a unas partículas sin masa que conservan la información, conocidas como “pelo suave”, que dicen que deberían rodear a los agujeros negros.

Fusión de dos agujeros negros

Agujeros negros Crédito: Simulating eXtreme Spacetimes

La paradoja de la información surgió en la década de 1970 después de que Hawking usara la mecánica cuántica para describir eventos en el borde de un agujero negro. La relatividad general predice que los agujeros negros se forman siempre que un objeto masivo, como una gran estrella, colapsa sobre sí mismo para crear un campo gravitatorio tan fuerte que el espacio-tiempo se curva formando un bucle. Esto crea una capa de no retorno, conocida como horizonte de sucesos, más allá de la cual todo objeto, incluso los rayos de luz, están aislados del resto del universo.

La mecánica cuántica dicta que pares de partículas virtuales pueden aparecer y desaparecer en el vacío, y Hawking consideró que esto sucedería a tales partículas virtuales cerca de un horizonte de sucesos. Razonó que una partícula de cada par sería absorbida por el agujero negro, mientras que la otra sería emitida para crear lo que conocemos como “radiación de Hawking”. Debido a que la radiación eliminaría energía del agujero negro, esto provocaría que el agujero negro se evaporase y, finalmente, desapareciese – en ausencia de otra fuente de materia cercana.

Información perdida

Hawking se dio cuenta del efecto potencialmente devastador de este proceso sobre la información. Concluyó que, dado que la radiación emitida se genera en el borde del agujero negro, esta no podría decirnos más de lo que un observador externo pueda saber – es decir, los valores de masa, carga y momento angular de un agujero negro. Todo el resto de información – en otras palabras, cuánto de estas tres cantidades poseían los objetos individuales que fueron engullidos por el agujero negro – se perdería para siempre.

El colega de Hawking, Andrew Strominger de la Universidad de Harvard, explica que la mecánica cuántica, como la física clásica, nos dice que el universo evoluciona de forma determinista; lo que está determinado no son los valores de posición y momento de partículas aisladas, sino la función de onda del universo como un todo – incluidos los dispositivos de medida. “La gente encuentra difícil de aceptar que en el mundo cuántico, momento y posición no son cantidades absolutas”, comenta. “Pero esto palidece en relevancia en comparación con lo que tendríamos que aceptar si la opinión de Hawking fuese cierta. Tendríamos que aceptar que no hay leyes de la física”.

Ahora, Strominger, Hawking y Malcolm Perry, de Cambridge, han propuesto una solución a la paradoja de la información de los agujeros negros – aunque con cautela. Hace dos años, Strominger demostró que la relatividad general predice un número infinito de simetrías y, por tanto, un número infinito de leyes de la conservación en la naturaleza. Esto, según explica, invalida una de las dos suposiciones subyacentes a la paradoja de Hawking; a saber, que el vacío sólo tiene un estado cuántico por nivel de energía. La existencia de un vacío “degenerado”, comenta, es matemáticamente equivalente a un número infinito de posibles simetrías, e implica que la información puede mantenerse – codificada en distintos estados del vacío – una vez que el agujero negro se ha evaporado.

La otra suposición desbancada por la nueva investigación es que los agujeros negros no tienen “pelo” – un término acuñado por John Wheeler para referirse a cualquier información sobre la composición del agujero negro más allá de su masa total, carga y momento angular. Hawking, Perry y Strominger demuestran que parte de la información contenida dentro de la carga eléctrica que cruza un horizonte de sucesos, de hecho permanece en forma de energía cero, o fotones “suaves” distribuidos alrededor del horizonte, a lo que llaman “pelo suave”. Strominger explica que los agujeros negros con “distintos pelos” emiten distintos espectros de radiación de Hawking, y que, de este modo, “puede escapar más información de los agujeros negros de lo que anteriormente se pensaba que era posible”.

El hallazgo ha recibido una cautelosa bienvenida por parte de otros físicos. Dejan Stojkovic de la Universidad de Buffalo, en los Estados Unidos, cree que la idea “merece la pena estudiarla”, pero señala que sólo puede explicar una prte de la información que entra en un agujero negro. En particular, señala que dado que los estados del vacío se distinguen mediante el momento angular, dos agujeros negros distintos que tengan la misma masa y momento angular – provocados por el colapso de una cobertura esféricamente simétrica en lugar de dos coberturas concéntricas, por ejemplo – serían indistinguibles.

El problema del cortafuegos

Sabine Hossenfelder del Instituto de Frankfurt para Estudios Avanzados en Alemania dice que el nuevo trabajo debería también ayudar a resolver lo que se conoce como el problema del cortafuegos, el cual supone un conflicto entre la radiación rica en información y el principio de equivalencia de la relatividad general. Pero está de acuerdo en que el modelo propuesto está bastante limitado actualmente, señalando que trabaja las interacciones electromagnéticas, pero no las gravitatorias. También dice que los autores logran explicar exactamente cómo la información del pelo queda codificada en la radiación de Hawking.

En su artículo, Strominger, Perry y Hawking reconocen las limitaciones de su trabajo y no afirman haber resuelto por completo la paradoja. “Simplemente estamos dando pasos y viendo dónde nos lleva”, dice Strominger. “Pero es emocionante que por primera vez en muchas décadas aparentemente se haya descubierto un fallo fundamental en el argumento original”.

El trabajo se describe en la revista Physical Review Letters.

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