Titulares de ciencia y de ficción (2): el nuevo artículo de Hawking vuelve a copar titulares.

Hawking

No imagino lo complicado que debe de ser ser un aficionado a la física teórica y leer titulares en los distintos medios de comunicación. Sobre todo si se tiene como referente de lo que hay el libro “Breve historia del tiempo” de Stephen Hawking, publicado hace ya casi 30 años y con una serie de errores históricos que hoy se sabe que no son así. Entre ellos, el de que los agujeros negros disipan la información de todo aquello que absorben.

En Enero de 2014 Hawking inundó la prensa con su declaración de que “los agujeros negros no existen”, lo cual dejó con muchas dudas al público general, dado que es famoso por haberlos dado a conocer él mismo a gran escala. Sin embargo, poco había de novedoso en aquellas declaraciones, ya que desde 1995 está claro que deben ser un concepto que tuvo su tiempo de fama pero demasiado fantasioso. Como el éter lo fue en su momento. La realidad, en este caso, es menos fascinante.

Hoy es difícil pensar algo diferente a que los agujeros negros, lejos de destruir la información de cuanto los atraviesa y evitar que lo que se comen vuelva a ver “la luz”, son regiones del universo de las que se puede escapar y que podemos saber todo lo que se han tragado al menos en teoría.

Si hemos avanzado tanto en su comprensión no ha sido precisamente gracias a Hawking, sino a Susskind y ‘t Hooft, entre otros, como expliqué en la entrada sobre el principio holográfico. Una explicación mucho más divulgativa de la historia del estudio de los agujeros negros se puede encontrar en la transcripción de mi ponencia del 2014 “¿Qué demonios pasa últimamente con los agujeros negros?”.

Así pues, si ya sabíamos que los agujeros no son lo que en los ochenta se dijo que eran, ¿qué es lo que ha hecho Hawking? Pues intuir otra forma de explicar cómo queda registrado en el exterior de una estrella congelada (nombre de aquí en adelante usaré indistintamente junto a agujero negro) qué es lo que va absorbiendo.

Intentaré explicar en qué se fundamenta en 3 pasos.

Información si el agujero negro fuese una estrella clásica dentro del marco de Newton:

Supongamos que tenemos una estrella enorme de forma perfectamente esférica, la cual observamos en reposo y privamos de la propiedad de radiar cualquier cosa. Una estrella apagada.

Supongamos ahora que a dicha estrella la colisiona una pequeña partícula, que al ser absorbida contribuye a aumentar un poco el volumen de dicha estrella y además, por la conservación del movimiento, induce a la estrella una diminuta velocidad en la dirección de la partícula incidente.

Siendo este el caso, detectando la velocidad adquirida por la estrella y su nueva masa podemos, sin ningún problema, calcular qué masa y velocidad tenía la partícula incidente.

Ahora, si teniendo la estrella en movimiento, colisionase con ella otra partícula, podríamos calcular de nuevo la masa y velocidad de esta comparando la nueva velocidad y masa de la estrella del mismo modo.

¿Podríamos, tras veinte colisiones con la estrella no detectadas, identificar las masas y velocidades de las veinte partículas incidentes? No. Ni siquiera podríamos saber si fueron veinte colisiones, cuatro o mil. Dadas dos masas y velocidades para la estrella, podemos calcular la colisión que pudo provocar dicho cambio, pero no podemos saber si el cambio se produjo por una colisión o en varias etapas.

A esto es a lo que hace referencia la “pérdida de información”. En un enfoque clásico del asunto, no hay forma de saber qué absorbió nuestra estrella, más allá de saber qué masa y velocidad le ha aportado (y carga o giro, en su caso).

Información si el agujero negro fuese una estrella relativista dentro del marco de Einstein:

En la relatividad general de Einstein, la energía deforma el espacio y el tiempo dejando rastro a su paso.

Así, por ejemplo, el Sol no avisaría de forma instantánea a los planetas de que “tienen que” caer hacia él, sino que previamente habría deformado el espacio a su alrededor con su gravedad y los planetas simplemente seguirían la huella gravitatoria. Esto lo expliqué el 25 de Noviembre con motivo del 100 aniversario de la teoría.

Debido a la diferencia sutil entre el enfoque newtoniano y el relativista, se puede justificar que la información acerca de la dieta de una estrella congelada debe estar codificada en su exterior. ¿Pero cómo funcionaría exactamente?

Volviendo al caso anterior, cuando una partícula fuese absorbida por la estrella no solo alteraría la masa y velocidad de esta, sino que además dejaría una huella gravitatoria a su paso en el exterior. El tejido espacio-tiempo alrededor de la estrella tendría un registro histórico de todo cuanto se hubiera tragado.

Esto lleva, o podría llevar, inmediatamente a la siguiente pregunta: ¿pero cómo se puede garantizar que unas huellas no deformen las otras al pasar por encima? Si un millar de partículas entran en la estrella siguiendo la misma trayectoria que otra previamente, ¿no deja de ser reconocible su rastro?

La respuesta es que, en efecto, podríamos tener una cantidad infinita de información en forma de huellas gravitatorias que habría que decodificar.

Creo que esto se entiende mejor haciendo una analogía geológica. Supongamos que tenemos una región circular sobre la superficie de la Tierra con tierra poco rídiga a la cual entran diversos animales dejando sus pisadas. Supongamos que posteriormente retiramos toda esa región circular y queremos adivinar qué animales entraron analizando las pisadas. Si por un mismo sitio hubiesen entrado mil animales, seguramente tendríamos poco éxito intentando adivinar cuáles fueron. Incluso puede que algunos fuesen irreconocibles en absoluto.

Con una estrella congelada sucedería lo mismo. Todas las partículas absorbidas dejarían su huella, ¿pero qué garantías tendríamos de que esta conservase su utilidad identificadora?

La estimación de Hawking, Perry y Strominger:

Lo que Stephen Hawking, Malcolm Perry y Andrew Strominger dicen en su artículo “Pelo ligero en los agujeros negros” que se puede leer aquí ( http://arxiv.org/abs/1601.00921 ) es que aplicando el principio holográfico seguramente las huellas no den problemas, sin demostrarlo en ningún momento aunque prometen una continuación.

Su propuesta es que, como siempre en gravedad cuántica, un agujero negro cualquiera solo puede almacenar una cantidad de información proporcional a su área y que seguramente cada huella tenga reservada para sí misma un tamaño proporcional al área de Planck de la superficie agujero.

Falta conocer mediante qué mecanismo estiman que se prohíbe a nivel fundamental que haya más información rodeando la estrella.

Ampliación para valientes:

La propuesta habla de que todas las huellas en la frontera del agujero negro afectan incluso a distancias infinitas del mismo, de forma acorde al principio holográfico. Concretamente, plantean que ciertas transformaciones sobre el agujero que en el infinito sean “clásicamente irrelevantes”, concretamente las transformaciones BMS que incluyen desplazamientos, rotaciones, rotaciones espacio-tiempo y supertraslaciones, podrían alterar el campo gravitatorio de forma que si bien no alterasen su energía neta se manifestasen como gravitones sin energía o “ligeros”.

Así pues, existen diferentes espacio-tiempos según estos gravitones que permitirían codificar sin alteraciones en ningún teorema de conservación la historia del agujero negro y que tendrían repercusiones en una esfera 2D envolviendo al universo, tal y como establece, de nuevo, el principio holográfico.

Adjunto vídeo de Perry explicando de dónde viene toda la idea y las transformaciones BMS por encima en su seminario “Memoria del agujero negro”: https://www.youtube.com/watch?v=p1k3XKfl0CQ

Comments
4 Responses to “Titulares de ciencia y de ficción (2): el nuevo artículo de Hawking vuelve a copar titulares.”
  1. josemalopezfernandez dice:

    Me ha gustado tu artículo y me ha servido para aclarar (creo) la varias veces leída ´”pérdidas de información” en un agujero negro. No sabía a que tipo de información se refería. Ahora he creído entender que se refiere a cómo o qué tipo de “objetos” lo han ido formando, o su equivalente, han ido siendo absorbidos por el agujero negro. He leído el tema de las ondas gravitatorias predichas por Einstein en su teoría General, y creo que a pesar de los numerosos experimentos realizados y algunos en curso, aún no lo hemos conseguido, y que se dice que estamos a punto. Permíteme decirte que si en lugar de considerar partículas hablásemos de planetas enteros, o estrellas absorbidas, el efecto de las ondas gravitatorias sería más fácilmente detectable que el de una partícula. Además después de leer los libros de divulgación de Hawking que indicas (no me han gustado casi nada), si me han servido para entender que se utiliza la mecánica cuántica y las oscilaciones del vacío para introducir el concepto de que un par electrón-positrón procedente del vacío, podría ocurrir que el agujero captase uno de ellos pero no el otro, y así incrementar su masa, esto haría aún más difícil saber si el agujero a captado un electrón procedente de fuera del límite del radio del agujero. Y una pregunta que me hago y te habrán hecho miles de veces pero no he encontrado una respuesta fácil. Si con la teoría General de la Rel. podríamos decir que las fuerzas atractivas gravitatorias podrían ser sustituidas por la deformación geométrica del espacio-tiempo que produce la materia y la energía ¿por qué estamos tan seguros de la existencia de los gravitones, que deben tener un spin 2, como partícula trasmisora del campo gravitatorio? ¿No bastaría con decir que tal fuerza no existe y lo que “hay” es simplemente una deformación topológica del espacio-tiempo? ¿no estaríamos buscando la aguja en un pajar donde no hay ninguna aguja?
    He realizado un curso en autoestudo de la teoría especial con los libros de R, Resnick y A. P. French, y ahora me dispongo a estudiar uno de la General, sencillo básico que me he bajado y puede que sea tuyo. Gracias anticipadas.

    • Adrián dice:

      Hola, Josema

      En la relatividad general las fuerzas son deformaciones del tejido espacio-tiempo a las que se adaptan las partículas. El gravitón, en este contexto, sería la onda que va distorsionándolo. El Sol deforma su entorno emitiendo gravitones. Si lo piensas en analogía con una manta, los gravitones serían como estar pasando el dedo todo el rato para que quede con la forma que quieras.

      El campo es la deformación del espacio-tiempo, y el gravitón cómo se va modificando ese campo.

      • josemalopezfernandez dice:

        Gracias por tu respuesta. Según lo que me dices aparece aquí una similitud con la teoría cuñantica de campos. Todo campo como el electromagnético en la QED requiere su partícula transmisora, en este caso el fotón (considera como una singularidad del campo) y lo mismo que en otros campos de la QFT. Todo ello basado en el principio de que ningún campo se manifiesta de manera instantanea (suposición de y punto débil de la teoría de Newton), y su expansión en el espcio-tiempo no puede superar a la velocidad de la luz. En QFT existen partículas transmisoras reales y virtuales, ocurre lo mismo con el campo gravitatorio. ¿Cabe hablar de gravitones reales y virtuales?

      • Adrián dice:

        Es exactamente tal y como dices. La gravedad se manifiesta en tiempo finito mediante ondas gravitatorias a la velocidad de la luz así como el electromagnetismo lo hace mediante ondas electromagnéticas.

        La velocidad de la luz bien podría llamarse la velocidad de la gravedad, con una pequeña pega… El gravitón a día de hoy es teórico y nunca ha sido observado.

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