Stephen Hawking y la Teoría de los Agujeros Negros

Así que ahí está, a punto de saltar a un agujero negro . ¿Qué podría esperar si, contra todo pronóstico, sobrevivieras de alguna manera? ¿Dónde terminarías y qué tentadores cuentos podrías contar si lograras trepar por tu camino de regreso?

La respuesta simple a todas estas preguntas es, como explica el profesor Richard Massey, ‘¿Quién sabe?’ Como investigador de la Royal Society en el Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham, Massey es plenamente consciente de que los misterios de los agujeros negros son profundos. ‘Atravesar un horizonte de eventos es literalmente pasar más allá del velo; una vez que alguien lo pasa, nadie puede enviar un mensaje de vuelta’, dijo. ‘Estarían hechos pedazos por la enorme gravedad, así que dudo que alguien que caiga llegue a alguna parte’.

Si eso suena como una respuesta decepcionante y dolorosa, entonces es de esperar. Desde que se consideró que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein había predicho los agujeros negros al vincular el espacio-tiempo con la acción de la gravedad, se ha sabido que los agujeros negros son el resultado de la muerte de una estrella masiva que deja un núcleo remanente pequeño y denso. Suponiendo que este núcleo tiene más de aproximadamente tres veces la masa del sol , la gravedad abrumaría hasta tal punto que caería sobre sí misma en un solo punto, o singularidad, entendida como el núcleo infinitamente denso del agujero negro.

El agujero negro inhabitable resultante tendría una atracción gravitacional tan poderosa que ni siquiera la luz podría evitarlo. Entonces, si se encuentra en el horizonte de eventos, el punto en el que la luz y la materia solo pueden pasar hacia adentro, como lo propone el astrónomo alemán Karl Schwarzschild, no hay escapatoria. Según Massey, las fuerzas de las mareas reducirían su cuerpo en hebras de átomos (o ‘espaguetificación’, como también se lo conoce) y el objeto eventualmente terminaría aplastado en la singularidad. La idea de que pueda aparecer en algún lugar, tal vez en el otro lado, parece absolutamente fantástica.

Los agujeros negros son regiones extrañas donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para doblar la luz, deformar el espacio y distorsionar el tiempo. ¿O es eso? A lo largo de los años, los científicos han estudiado la posibilidad de que los agujeros negros puedan ser agujeros de gusano para otras galaxias. Incluso pueden ser, como algunos han sugerido, un camino hacia otro universo.

Tal idea ha estado flotando durante algún tiempo: Einstein se asoció con Nathan Rosen para teorizar puentes que conectan dos puntos diferentes en el espacio-tiempo en 1935. Pero ganó algo de terreno en la década de 1980 cuando el físico Kip Thorne, uno de los Los principales expertos en las implicaciones astrofísicas de la teoría general de la relatividad de Einstein plantearon una discusión sobre si los objetos podrían viajar físicamente a través de ellos.

De hecho, Thorne, quien prestó su asesoramiento experto al equipo de producción de la película de Hollywood Interstellar, escribió: ‘No vemos objetos en nuestro universo que puedan convertirse en agujeros de gusano a medida que envejecen’, en su libro ‘La ciencia de Interstellar’ (WW Norton and Company, 2014). Thorne le dijo a Space.com que los viajes a través de estos túneles teóricos probablemente seguirían siendo ciencia ficción, y ciertamente no hay evidencia firme de que un agujero negro pueda permitir tal paso.

Pero el problema es que no podemos acercarnos para verlo por nosotros mismos. Por qué, ni siquiera podemos tomar fotografías de cualquier cosa que tenga lugar dentro de un agujero negro: si la luz no puede escapar de su inmensa gravedad , entonces una cámara no puede capturar nada. Tal como está, la teoría sugiere que todo lo que vaya más allá del horizonte de eventos simplemente se agrega al agujero negro y, lo que es más, debido a que el tiempo se distorsiona cerca de este límite, esto parecerá que ocurre increíblemente lento, por lo que las respuestas no serán rápidas. próximo.

‘Creo que la historia estándar es que conducen al fin de los tiempos’, dijo Douglas Finkbeiner, profesor de astronomía y física en la Universidad de Harvard. ‘Un observador lejano no verá a su amigo astronauta caer en el agujero negro. Simplemente se pondrán más rojos y más débiles a medida que se acerquen al horizonte de eventos. Pero el amigo cae directamente en un lugar más allá de ‘para siempre’. Lo que sea que eso signifique.’

Tal vez un agujero negro conduce a un agujero blanco. Ciertamente, si los agujeros negros conducen a otra parte de una galaxia u otro universo, debería haber algo opuesto a ellos en el otro lado. ¿Podría ser esto un agujero blanco, una teoría presentada por el cosmólogo ruso Igor Novikov en 1964? Novikov propuso que un agujero negro se vincula a un agujero blanco que existe en el pasado. A diferencia de un agujero negro, un agujero blanco permitirá que la luz y la materia salgan, pero la luz y la materia no podrán entrar.

Los científicos han continuado explorando la posible conexión entre los agujeros blancos y negros. En su estudio de 2014 publicado en la revista Physical Review D , los físicos Carlo Rovelli y Hal M. Haggard afirmaron que ‘existe una métrica clásica que satisface las ecuaciones de Einstein fuera de una región finita de espacio-tiempo donde la materia colapsa en un agujero negro y luego emerge de un agujero de tiempo ‘. En otras palabras, todo el material que los agujeros negros han ingerido podrían ser arrojados y los agujeros negros pueden convertirse en agujeros blancos cuando mueren.

Lejos de destruir la información que absorbe, se detendría el colapso de un agujero negro. En cambio, experimentaría un rebote cuántico, lo que permitiría escapar la información. Si este fuera el caso, arrojaría algo de luz sobre una propuesta del ex cosmólogo y físico teórico de la Universidad de Cambridge Stephen Hawking quien, en la década de 1970, exploró la posibilidad de que los agujeros negros emitan partículas y radiación (calor térmico) como resultado de fluctuaciones cuánticas. .

‘Hawking dijo que un agujero negro no dura para siempre’, dijo Finkbeiner. Hawking calculó que la radiación podría causar un agujero negro a la energía pierde, se encogen y desaparecen, como se describe en su artículo publicado en 1976 Physical Review D . Dadas sus afirmaciones de que la radiación emitida sería aleatoria y no contendría información sobre lo que había caído, el agujero negro, tras su explosión, borraría mucha información.

Esto significaba que la idea de Hawking estaba en desacuerdo con la teoría cuántica, que dice que la información no se puede destruir. La física afirma que la información se vuelve más difícil de encontrar porque, si se pierde, se vuelve imposible conocer el pasado o el futuro. La idea de Hawking condujo a la ‘paradoja de la información del agujero negro’ y ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. Algunos han dicho que Hawking estaba simplemente equivocado, y el propio hombre incluso declaró que había cometido un error durante una conferencia científica en Dublín en 2004.

Entonces, ¿volvemos al concepto de agujeros negros que emiten información preservada y la devuelven a través de un agujero blanco? Tal vez. En su estudio de 2013 publicado en Physical Review Letters , Jorge Pullin de la Universidad Estatal de Louisiana y Rodolfo Gambini de la Universidad de la República en Montevideo, Uruguay, aplicaron gravedad cuántica de bucle a un agujero negro y encontraron que la gravedad aumentaba hacia el núcleo pero se reducía y se hundía. cualquier cosa que estuviera entrando en otra región del universo. Los resultados dieron mayor credibilidad a la idea de que los agujeros negros sirven como portal. En este estudio, la singularidad no existe, por lo que no forma una barrera impenetrable que termine aplastando todo lo que encuentre. También significa que la información no desaparece.

Sin embargo, los físicos Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski y James Sully todavía creían que Hawking podría haber estado en algo. Trabajaron en una teoría que se conoció como el firewall AMPS, o la hipótesis del firewall del agujero negro. Según sus cálculos, la mecánica cuántica podría convertir el horizonte de sucesos en una pared gigante de fuego y todo lo que entrara en contacto se quemaría en un instante. En ese sentido, los agujeros negros no conducen a ninguna parte porque nada podría entrar jamás.

Esto, sin embargo, viola la teoría general de la relatividad de Einstein. Alguien que cruza el horizonte de sucesos no debería sentir grandes dificultades porque un objeto estaría en caída libre y, según el principio de equivalencia, ese objeto, o persona, no sentiría los efectos extremos de la gravedad. Podría seguir las leyes de la física presentes en otras partes del universo, pero incluso si no fuera contra el principio de Einstein, socavaría la teoría cuántica de campos o sugeriría que se puede perder información.

Da un paso adelante Hawking una vez más. En 2014, publicó un estudio en el que evitó la existencia de un horizonte de eventos, lo que significa que no hay nada que quemar, diciendo que el colapso gravitacional produciría un ‘horizonte aparente’.

Este horizonte suspendería los rayos de luz que intentan alejarse del núcleo del agujero negro y persistiría durante un ‘período de tiempo’. En su replanteamiento , los horizontes aparentes retienen temporalmente la materia y la energía antes de disolverlas y liberarlas más adelante. Esta explicación encaja mejor con la teoría cuántica, que dice que la información no se puede destruir y, si alguna vez se probara, sugiere que cualquier cosa podría escapar de un agujero negro.

Hawking llegó a decir que es posible que los agujeros negros ni siquiera existan. ‘Los agujeros negros deberían redefinirse como estados metaestables del campo gravitacional’, escribió. No habría singularidad, y aunque el campo aparente se movería hacia adentro debido a la gravedad, nunca llegaría al centro y se consolidaría dentro de una masa densa.

Al enfocar los rayos X, el telescopio espacial NuSTAR que orbita la Tierra estudiará los agujeros negros y otros objetos exóticos en el universo distante. Y, sin embargo, cualquier cosa que se emita no tendrá la forma de información ingerida. Sería imposible averiguar qué entró mirando lo que está saliendo, lo que causa problemas en sí mismo, sobre todo para, digamos, un humano que se encuentra en una posición tan alarmante. ¡Nunca volverían a sentir lo mismo!

Una cosa es segura, este misterio en particular va a consumir muchas más horas científicas durante mucho tiempo. Rovelli y Francesca Vidotto sugirieron recientemente que un componente de materia oscura podría estar formado por restos de agujeros negros evaporados, y el artículo de Hawking sobre los agujeros negros y el ‘pelo blando’ se publicó en 2018 y describe cómo quedan partículas de energía cero alrededor del punto. sin retorno, el horizonte de sucesos, una idea que sugiere que la información no se pierde sino que se captura.

Esto fue en contra del teorema sin pelo que fue expresado por el físico John Archibald Wheeler y funcionó sobre la base de que dos agujeros negros serían indistinguibles para un observador porque no se conservaría ninguna de las pseudocargas especiales de la física de partículas. Es una idea que ha hecho que los científicos hablen, pero hay un camino por recorrer antes de que se considere la respuesta a dónde conducen los agujeros negros. Si tan solo pudiéramos encontrar una manera de saltar a uno.