Hoy nos hemos levantado con la noticia de que el señor Hawking dice ahora que los agujeros negros no existen.
Los medios ya se han hecho eco de esta noticia, por ejemplo en el periódico el País:
A mí me llegó la noticia anoche gracias a mi amigo @twalmar.
Voy a comentar mi opinión personal de la
noticia y, sobre todo, lo que dice el profesor Hawking en el artículo
que ha publicado al respecto:
Las conclusiones son interesantes, pero,
ni los argumentos son tan novedosos, ni el trabajo es definitivo. No hay
ninguna fórmula en el mismo, solo es una cadena de argumentos más o
menos plausibles que no ha demostrado en ningún momento.
Hawking demuestra que existen agujeros negros
En su primera etapa, que abarca de la
década de los 60 hasta mediados de los 70 del pasado siglo, Hawking
trabajó en la teoría clásica de los agujeros negros.
Sus trabajos se basaban puramente en la
relatividad general sin tener en consideración los efectos cuánticos.
Podemos resumir sus resultados en los siguientes puntos:
Existencia de horizontes y singularidades
Cuando se produce un colapso
gravitatorio, es decir, cuando hay una gran cantidad de materia/energía
en un volumen reducido su gravedad es tan potente que hace que ni la luz
pueda escapar de esa región. Hay una región límite a partir de la cual
ya no se puede escapar de la atracción gravitatoria de dicho objeto.
Esta región se conoce como una superficie atrapada.
Aquí
vemos una representación de una estrella colapsando. En el colapso, la
materia cae por debajo del horizonte de sucesos y se crea una
singularidad.
Lo que hizo Hawking, junto a Penrose, fue
demostrar que las curvas de las partículas con masa y las partículas
sin masa, no podían extenderse hasta el infinito hacia el futuro en
presencia de un bicho de este tipo. Es decir, estas curvas morían en
algún momento. Esto es un síntoma de que existe una singularidad en los
agujeros negros.
El problema aquí, sobre todo a nivel divulgativo, es que un agujero negro se define por estas dos características:
a) Tiene un horizonte a partir del cual no podemos escapar de la gravedad. Ni tan siquiera la luz.
b) Existe una singularidad. Este lugar
es complicado porque en las singularidades las leyes de la física no
pueden decir nada en absoluto del comportamiento del sistema. En los
cálculos aparecen infinitos en distintas magnitudes físicas y no podemos
predecir nada.
Pues bien, resulta que estos resultados
son válidos siempre y cuando lo sea la relatividad general y siempre y
cuando se cumplan algunas condiciones sobre la energía de la materia,
esencialmente, burdamente y, estoy seguro, “erróneamente” (porque es una
definición muy técnica) que sea positiva.
En la actualidad, los físicos trabajan más bien poco con los famosos horizontes de sucesos.
Y son famosos porque son de los que mas se hablan en términos de
divulgación, sin embargo hay muchos otros tipos de horizontes que son
los que se usan más a menudo en los trabajos técnicos:
- Superficies atrapadas
- Horizontes aparentes
- Horizontes aislados
- Horizontes dinámicos
Black hole boundaries
Todos estos horizontes muestran puntos de
no retorno en algún sentido, pero sus características cambian en
algunos aspectos que los hacen más cercanos a situaciones fisicamente
realizables.
Los horizontes de sucesos han sido
desbancados por otros tipos de horizontes porque sus comportamiento es
un tanto extraño. Para empezar su existencia y formación depende de
toda la historia del universo. Es decir, si una civilización de
extraterrestres nos quisiera gastar la broma de tirar materia a la
tierra hasta el punto de formar un agujero negro dentro de unos cuantos
miles de millones de años, el horizonte de sucesos de tal agujero YA SE
ESTARÍA FORMANDO. Esto, cuanto menos, es sorprendente.
Además, estos horizontes crecen más rápido cuando el agujero no está tragando energía y más lento cuando sí lo hacen.
Uno
de los problemas de los horizontes de sucesos es que se crean antes de
que el cuerpo comience a colapsar. Y su tasa de crecimiento aumenta
cuando el agujero no está tragando energía y disminuye en caso
contrario. Este comportamiento es difícil de asimilarlo a un objeto
realmente físico.
Por estos y otros motivos los físicos
han definido otro tipo de horizontes más acorde con un comportamiento
usual y que no dependan de la historia completa del universo para
localizarlos e identificarlos.
Horizonte Aparente
A pesar de lo que dicen los medios:
EL CONCEPTO DE HORIZONTE APARENTE NO ES NI MUCHO MENOS NUEVO.
Un horizonte aparente es la superficie
que aparece en el colapso de un cuerpo para formar un agujero negro que
separa la zona en la que la luz ya no puede escapar de verdad y de la
que aún puede escapar. Resulta que este horizonte no coincide en
general con el horizonte de sucesos.
Repasemos la historia de un agujero negro:
1.- Tenemos un sistema que en un futuro
lejano va a formar un agujero negro. Entonces empieza a formar un
horizonte de sucesos mucho antes de que el proceso de formación del
agujero comience.
Evidentemente la luz de este sistema, una
estrella, por ejemplo, seguirá saliendo. Así que la definición de
horizonte de suceso es matemáticamente muy interesante pero físicamente
difícil de asimilar. La razón es que los horizontes de sucesos solo
tienen sentido para agujeros negros eternos, es decir, situaciones
ideales en las que el agujero ha existido y existirá para siempre.
2.- Cuando el proceso de formación del
agujero comienza el horizonte de sucesos ya está formado. Sin embargo,
en el proceso de colapso de forma un horizonte aparente.
El horizonte aparente viene dado esencialmente por la última esfera de fotones que puede escapar del agujero.
El horizonte aparente y de sucesos no
coinciden por lo general. Por tanto, por debajo del horizonte aparente
nada puede escapa, pero las cosas que estén entre el horizonte aparente y
el de sucesos aún tienen una opción de escape.
3.- El horizonte de sucesos y el aparente coinciden cuando el sistema ha formado el agujero y se estabiliza.
Así que déjenme que insista:
LOS HORIZONTES APARENTES SE CONOCEN DESDE LOS AÑOS OCHENTA DEL SIGLO XX. Y SE USAN A DIARIO EN LOS TRABAJOS SOBRE AGUJEROS NEGROS, TEÓRICOS Y COMPUTACIONALES.
Radiación Hawking
A partir de 1975, Hawking introdujo
conceptos cuánticos en la descripción de un agujero negro. Esto le
llevó a deducir que un agujero negro debería de emitir radiación con una
determinada temperatura. Esta es la archiconocida, y a la vez gran
desconocida, radiación Hawking.
La presencia de un horizonte hace que
distintos observadores elijan distintos estados de vacío. Un observador
en caída libre hacia el agujero selecciona un estado de vacío, que para
nosotros será un estado que no contiene partícula, y si le preguntamos a
otro observador estacionario lejos del agujero acerca del vacío
seleccionado por su compañero nos dirá que está repleto de partículas.
Es decir, un observador estacionario
lejos del agujero recibirá un flujo de partículas. ¿Pero de dónde salen
estas partículas? Pues del único sitio del que pueden salir, del
agujero negro. Estas partículas pueden existir y ser detectadas porque
el agujero negro les proporciona la energía para su existencia. Por lo
tanto, en el proceso el agujero negro se evapora. (Para una explicación
de estos fenómenos pulsa AQUÍ)
El problema de la información
Este fenómeno es asombroso pero, como no podía ser de otra forma, también tiene sus problemas asociados.
La radiación que sale del agujero negro
es totalmente aleatoria. No hay correlaciones entre ella. Esto quiere
decir que si yo tiro las obras completas de Juan Eslava Galán, cuando
reciba toda la radiación Hawking, no podré reproducirlas. Y no lo podré
hacer aunque hay recibido todas y cada unas de las partículas emitidas
por el agujero. Simplemente la información ha desaparecido, se ha
esfumado, se ha difuminado.
Al menos, esto es lo que se pensaba al principio del estudio de los agujeros y su radiación.
Pero esto supone un problema muy gordo.
En la teoría cuántica la evolución de los sistemas ha de ser tal que uno
pueda reconstruir la información del sistema en un instante anterior de
su evolución. En términos técnicos esto se llama UNITARIEDAD.
Si
en los agujeros negros no podemos recuperar la información inicial a
partir de la radiación que ha emitido, entonces implica que se rompe la
unitariedad y eso quiere decir que la mecánica cuántica no puede ser
correcta en todas las situaciones.
Si
en los agujeros negros no podemos recuperar la información inicial a
partir de la radiación que ha emitido, entonces implica que se rompe la
unitariedad y eso quiere decir que la mecánica cuántica no puede ser
correcta en todas las situaciones.
A partir de este problema podemos clasificar distintas tribus de físicos:
a) Los que dicen que la unitariedad no
es esencial en el universo y que no pasa nada por el hecho de que los
agujeros negros destruyan información.
b) Los que dicen que la unitariedad es
sagrada y que tiene que haber algún mecanismo por el cual sea posible
recuperar la información del agujero negro inicial de su radiación.
Se han propuesto mil modelos en un sentido y en otro. Hasta la fecha ninguna solución ha sido satisfactoria.
¿Qué ha dicho Hawking?
Uno de los modelos para preservar la información de un agujero negro es el llamado: MURO DE FUEGO.
En este modelo, los agujeros negros están rodeados de un muro de muy
alta energía que quemaría cualquier cosa que intentara caer en el
mismo. Con este procedimiento la información se conserva en el agujero
negro y fin de la historia.
¿Fin de la historia?
No, este no es el fin de la historia. En
el trabajo que acaba de presentar Hawking dice que eso del muro de fuego
no puede ser cierto porque rompería con simetrías muy fuertes de la
naturaleza y eso no puede estar permitido. (Lo que ha dicho es que un
muro de fuego en un agujero negro rompería la simetría CPT en gravedad
cuántica).
Y ha propuesto un nuevo modelo que esencialmente dice lo siguiente:
1.- El muro de fuego se localiza en el
horizonte de sucesos. Pero, como hemos explicado, este horizonte no está
bien localizado a no ser que se conozca toda la historia del universo
(cosa que es físicamente imposible, aunque teóricamente se hace sin
problemas en un contexto ideal). Así que no podemos localizar el muro de
fuego en primera instancia.
2.- La radiación Hawking es suave en el
horizonte (una vez localizado teóricamente). Por lo tanto no hay
fluctuaciones muy grandes y por tanto, no hay muro de fuego.
3.- Si usamos las simetrías CPT (esa que
nos dice que materia y antimateria son idénticas en propiedades
físicas) aplicadas a los agujeros negros podemos decir que un colapso de
radiación formando un agujero negro es una situación simétrica a un
agujero negro explotando en radiación.
Todo esto implica que:
a) No existen los horizontes de sucesos –> Hay que usar otros horizontes más físicamente realizables.
b) No existen los muros de fuego —> Violarían ciertas simetrías y no se podrían localizar.
c) No quedan remanentes del agujero
porque según CPT un agujero se puede formar de radiación pura y,
viceversa, se puede convertir en radiación pura.
Así que Hawking lo que nos dice ahora es:
En un agujero negro la radiación es
caótica. Si bien es posible en principio recuperar toda la información,
hay límites para ello por el hecho de no conocer todas las condiciones
del problema.
Es decir, ha convertido a un agujero
negro en un mapa del tiempo. Como sabemos las predicciones del tiempo
fallan porque es un sistema caótico. Conocemos las leyes que rigen el
clima y el tiempo, pero no podemos hacer predicciones fiables para
cualquier tiempo, el caos se hace presente y los resultados de nuestros
cálculos difieren de la realidad.
Opinión personal
En ningún momento Hawking dice que los
agujeros negros no existan. Lo que dice es que no se pueden usar los
horizontes de sucesos y hay que usar horizontes aparentes. Pero esta
idea no es nueva como ya hemos visto.
Y respecto a su solución del problema de
la información, pues me parece que es una solución bonita, pero no deja
de ser palabrería. Si sale algún trabajo donde se demuestre el carácter
caótico de la radiación pues lo estudiaré con mucho gusto.
Hawking es un grande de la física y todo
lo que dice levanta controversia y expectación. Pero últimamente está
haciendo muchas afirmaciones poco fundamentadas. Afortunadamente somos
legión y alguno seguirá esta línea y sacará conclusiones mucho más
profundas para bien o para mal del señor Hawking.
Nos seguimos leyendo…
