Hawking contra Los agujeros negros
Un artículo reciente del famoso físico inglés cuestionando la naturaleza –e incluso la existencia– de estas grandes regiones cósmicas devoradoras de energía ha abierto un debate entre los teóricos. Nuestro experto en astrofísica Miguel Ángel Sabadell nos
En enero de 2014, Stephen Hawking provocó una pequeña tormenta mediática al escribir que “no hay agujeros negros”. Lo decía en un artículo titulado Preservación de la información y predicción del tiempo meteorológico para los aguje
ros negros, y la frase tenía su miga por venir precisamente de uno de los padres de la teoría moderna sobre estos peculiares fenómenos celestes.
A mayor abundamiento, meses después, en septiembre, la física de la Universidad de Carolina del Norte Laura Mer- sini-Houghton afirmaba que, matemáticamente, los agujeros negros no existen. Según ella, en el mundo real nunca se podría formar uno, pues, a medida que una estrella colapsa, además se produce la llamada evaporación de Hawking. Colapsar y adelgazar, todo es empezar
Durante este proceso, además de radiación, se emite materia. Entonces, afirma Mersini-Houghton, la pérdida de masa durante el colapso es tan salvaje que nunca queda una cantidad suficiente como para que surja uno de esos objetos
oscuros. En su lugar, puede aparecer otro tipo de cuerpo compacto, como una estrella de neutrones.
Entonces, ¿existen o no los agujeros negros? Leyendo a fondo el artículo de Hawking, lo que el famoso físico inglés decía es que “no los hay en el sentido de regímenes de los cuales la luz no puede escapar hasta el infinito. Hay, sin embargo, horizontes aparentes que persisten a lo largo de un periodo de tiempo”.
Su artículo incide en lo que realmente define la esencia de un agujero negro: ¿es verdad
que ninguna partícula que penetre en su interior, ni siquiera la luz, puede escapar de sus garras? Estudiando a Einstein en el campo de batalla
Para entender los aspectos sutiles de esta pregunta debemos viajar a las trincheras del frente ruso en 1915, durante la Gran Guerra. Allí se encontraba el director del observatorio astronómico de Potsdam, que con cuarenta años abandonó su cargo para alistarse voluntario en la contienda. Su nombre era Karl Schwarzschild.
En aquellas condiciones poco propicias, este físico y astrónomo alemán estudió los artículos que Albert Einstein había presentado a la Academia Prusiana de las Ciencias y que contenían las ecuaciones de su gran obra, la teoría general de la relatividad, que describe la gravedad. Pues bien, un mes más tarde, Schwarzschild, estando en el frente, fue el primero en resolver las ecuaciones y hallar una solución analítica al problema de una masa puntual situada en el espacio vacío.
Por desgracia no pudo defender su trabajo: en Rusia cayó enfermo y, aunque fue repa- triado de urgencia, murió el 11 de mayo de 1916 en un hospital de Potsdam. Pero su trabajo no se perdió, pues Einstein se encargó de leerlo en la academia. En él no solo hacía una descripción correcta del campo gravitatorio del sistema solar, sino que introducía la existencia de los agujeros negros. Un gran embudo cósmico que lo atrapa todo
Schwarzschild demostró que, si una masa está lo suficientemente concentrada, la curvatura del espacio en regiones próximas alcanzará tal magnitud que la dejará separada y aislada del resto del universo. Es un embudo cósmico: cualquier cosa que se precipite en su interior se perderá irremediablemente. La distancia del centro del agujero negro que marca ese límite de no retorno se conoce como radio de Schwarzschild u horizonte de sucesos. Nada de lo que pudiera acontecer en su interior será visto, oído o conocido por ningún observador externo.
Esto implica una pregunta que trae de cabeza a los expertos desde hace medio siglo: ¿si dejamos caer información dentro de un agujero negro, se
pierde sin remedio? Para evitar los viajes en el tiempo y sus consiguientes paradojas –la posibilidad, por ejemplo, de matar a tu madre antes de que conozca a tu padre– y preservar la integridad de la teoría general de la relatividad, la velocidad a la que se transmite la información no puede superar a la de la luz. Y aquí surge el dilema. La frontera donde la información se pierde
El horizonte de sucesos se define como el lugar geométrico del espacio que rodea a un agujero negro a partir del cual la velocidad de escape gravitatoria empieza a ser mayor que la de la luz. Esto quiere decir que toda la información que la atraviese se perderá para siempre. ¿Qué pasaría si lanzáramos a un agujero negro entropía? Recuerda que esta es una magnitud física relacionada con el desorden que, según la segunda ley de la termodinámica, en un sistema aislado como el cosmos solo puede crecer.
En 1971, el estudiante de posgrado mexicano Jacob Bekenstein hizo una propuesta radical: la superficie de un agujero negro –su horizonte de sucesos– era una medida de su entropía, por lo que se le podía aplicar todo lo que se sabía sobre termodinámica. Pero había un problema: si un agujero negro tiene entropía, debe tener temperatura, y si la posee, por pequeña que sea, entonces ha de radiar energía. Ahora bien, si un agujero negro se traga todo lo que encuentra, ¿cómo puede emitir radiación?
En 1972, en los Alpes franceses, Stephen Hawking, James Bardeen y Brandon Carter se dispusieron a redactar el artículo definitivo que describiera el funcionamiento de este objeto cósmico. Al final derivaron cuatro leyes de su mecánica que se parecían muchísimo a las de la termodinámica, “si sustituimos área del horizonte por entropía y gravedad en la superficie del horizonte por temperatura”, como Hawking admitió después. Pero el trío no quiso dar su brazo a tor- cer y se limitó a reconocer sus
analogías: “Son similares a las cuatro leyes de la termodinámica, pero distintas”.
Sin embargo, en 1973, el teórico ruso Yakov Zeldovich y su discípulo Alexei Starobinsky demostraron, al unir la mecánica cuántica con las ecuaciones de un agujero negro en rotación, que este debería emitir algún tipo de radiación. Hawking no quedó convencido, pero sí intrigado, y empezó a estudiar el tema. En 1974 sus cálculos le revelaron que Bekenstein tenía razón: los agujeros negros radiaban, y las leyes que había formulado con Bardeen y Brandon eran las de la termodinámica de un agujero negro. “Me irritó porque destruía todo mi marco teórico, e hice lo que pude para eliminar esa conclusión”, confesó más tarde.
El físico inglés había descu- bierto que los agujeros negros eran, en realidad, grises: tienen una temperatura bajísima, del orden de diez millonésimas de grado por encima del cero absoluto (-273 ºC), lo que los obliga a emitir energía de forma continua a costa de la contenida en su interior. El ritmo de emisión es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Y aún más, podrán perder toda su energía hasta desaparecer por completo. Es la llamada evaporación Hawking. Para un agujero de tres masas solares, esto sucederá dentro de 1066 años, un periodo de vida 1056 veces más largo que la edad actual del universo. Relatividad general contra mecánica cuántica
La existencia de la evaporación Hawking plantea muchos problemas nuevos. El más importante: si al final un agujero negro desaparece, ¿a dónde va a parar toda la información que
se ha tragado? Esta pregunta pone de manifiesto el profundo desencuentro entre las dos grandes teorías físicas del siglo XX, la relatividad general y la mecánica cuántica.
La primera sostiene que si un libro cruza el horizonte de sucesos queda atrapado en el agujero negro para siempre y desaparece del resto del universo. En cambio, la teoría cuántica dice que, aunque el libro sea disgregado en las partículas atómicas más pequeñas, mientras esos trozos existan, será posible reconstruirlo. Pero la evaporación Hawking cambió todo, pues el desvanecimiento del agujero implica la desaparición de la información que se haya tragado. Esta situación es conocida como la paradoja de la información.
Hawking pensaba que la relatividad general ganaría la partida –la información se esfuma para siempre–. Otros, como John Preskill, físico del Caltech de California, defendían que primaría la mecánica cuántica: se podría recuperar la información de los objetos que han caído al agujero negro midiendo el estado cuántico de la radiación que escapa de él. Un mundo bidimensional carente de gravedad
Ahora bien, la única radiación que sale es la proveniente de la evaporación, y esta no lleva información alguna: lanza adentro un kilo de granito y uno de microchips, y el resultado es el mismo. En 1997, la pugna llevó a Preskill a apostar con Hawking una enciclopedia de béisbol a que él tenía razón.
Ese mismo año el físico argentino Juan Maldacena per- geñó una conjetura que dio forma al llamado principio holográfico de la teoría de cuerdas formulado en 1993 por Gerard 't Hooft y Leonard Susskind: toda la información contenida en un volumen del espacio se puede representar con una teoría que vive en la superficie de ese vo- lumen. O sea, que podemos saber lo que sucede en el interior de una habitación creando una teoría que solo tenga en cuenta lo que ocurre en las paredes.
Esto significa que incluso la evaporación tridimensional de un agujero negro se puede describir en un mundo bidimensional donde, y esto es lo importante, no hay gravedad y las leyes cuánticas gobiernan todo. La consecuencia es que no hay pérdida de información.
En 2004 Hawking reconoció públicamente su error, y le envió la enciclopedia de béisbol a Preskill. Ahora solo había que saber cómo escapa la información de un agujero negro.
La idea que manejaban los físicos era que, a pesar de todo, en la radiación Hawking la información podría estar codificada gracias al entrelazamiento cuántico, un concepto abstruso que explica que, si dos partículas han estado relacionadas de algún modo, se puede saber el estado cuántico de las dos mirando solo a una de ellas.
Pero esta idea también generaba importantes problemas irresolubles, hasta que en 2012 entraron en juego Joseph Polchinski, del
Instituto Ka-
vli de Física Teórica, y el físico Don Marolf, de la Universidad de California. Estos se preguntaron qué le sucedería a un astronauta si se le lanzara al interior de un agujero negro. Desde la teoría clásica, ocurriría que, al aproximarse a él, el cosmonauta sentiría que tira más fuerte de sus pies que de su cabeza, porque la gravedad es más intensa cuanto más cerca nos encontramos del centro del objeto masivo. También notaría como si le comprimie- sen lateralmente con una camisa de fuerza, pues todos los puntos de su cuerpo se dirigen al centro del agujero, la singularidad. Esta combinación de estiramiento y compresión aumentaría de tal forma que trituraría al cosmonauta convirtiéndolo, literalmente, en un largo fideo mientras sigue su camino sin retorno a la singularidad central. Dentro de un armario todo parece lo mismo
Pues bien, según Polchinski y Marolf, esta visión es errónea, porque no tiene en cuenta los procesos cuánticos que se producen en el horizonte de sucesos, en particular la evaporación Hawking. Para ellos, lo que realmente le pasaría al astronauta es que estallaría en llamas al llegar a ese horizonte, pues chocaría contra una especie de cortafuegos cósmico que chamusca todo lo que toca e impide penetrar en el agujero.
Sin embargo, esta solución tiene un pero muy grande: exige que en el horizonte de sucesos haya que deshacerse de un aspecto fundamental de la relatividad general, el principio de equivalencia. Para aceptar la idea del cortafuegos y así preservar la integridad de la información, hay que sacrificar lo que Einstein calificó como “el pensamiento más feliz de mi vida”. ¿Cuál era?
Pues que si una persona cae libremente en un campo gravitatorio, no siente su propio peso. Es decir, si alguien está encerrado en un armario, no hay forma de distinguir si se encuentra en la superficie de un planeta o está siendo llevado por el espacio a aceleración constante.
En esencia, lo que Einstein afirmó es que la gravedad y la aceleración son intercambiables, pero según Polchinski y Marolf esto no se cumple en el horizonte de sucesos. Por eso en su artículo también
SU TEMPERATURA ES TAN BAJA QUE TIENEN QUE
EMITIR ENERGÍA DE FORMA CONTINUA
presentaron otra solución al problema: el cortafuegos no aparece, pero deja de funcionar en la mecánica cuántica.
El revuelo fue mayúsculo. Cualquier solución implicaba que una de las dos teorías físicas fallaba en lo tocante a los agujeros negros: si aceptas una, entierras la otra. Pero entre quienes se oponen a esto está precisamente Hawking, y aquí entra en juego su artí- culo de enero pasado. Él cree que la relatividad general y la idea cuántica se pueden salvar si se redefine lo que entendemos por agujero negro. Según la teoría clásica, se trata de un objeto formado por dos partes: el horizonte de sucesos y la singularidad central, un punto matemático de densidad y gravedad infinitas. Pues bien, el físico inglés propone que lo que define este fenómeno cósmico no es el horizonte de sucesos sino el horizonte aparente, una superficie donde los rayos de luz que intentan escapar del agujero se quedan atrapados, como suspendidos en el espacio-tiempo.
Para Hawking este horizonte aparente es el límite exterior del agujero, donde queda atrapada toda la materia, la energía y la información. En suma, lo que dice es que la ausencia de un horizonte de sucesos significa que no existen los agujeros negros tal como se cree que son. Incluso admite que el horizonte aparente puede llegar a desaparecer –no explica cómo–, lo que permitiría que del agujero salga cualquier cosa.
¿Habrá que reinventar la física entera?
Más aún, Hawking predice que puede que ni siquiera exista la singularidad central y que lo único que haya tras el horizonte aparente sea la materia y energía tragada por el agujero dando vueltas sin que tenga que morir en su centro. De este modo, la información no se destruiría y se liberaría mediante el proceso de evaporación, pero en una forma que sería imposible reconstruirla.
Suena radical, pero menos que reformular los cimientos de la física teórica. ¿Habrá que hacerlo? ¿Serán los agujeros negros los asesinos de una de las dos superteorías, como postulan los defensores del cortafuegos? ¿No hará falta porque existe el horizonte aparente de Hawking? El tiempo lo dirá.