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Llamada paradoja de la información. Este viejo enigma de la física teórica acaba de recibir una posible solución, propuesta por uno de los creadores de la teoría de la Gravedad Cuántica de Bucles



Llamada paradoja de la información. Este viejo enigma de la física teórica acaba de recibir una posible solución, propuesta por Abhay Asthekar, uno de los creadores de la teoría de la Gravedad Cuántica de Bucles o LQG, siglas en inglés de Loop Quantum Gravity. Inspirado por los resultados de sus colegas Smolin, Rovelli y Bojowald, este eminente especialista explica que, contrariamente a lo que afirmaba inicialmente Hawking, la información se conservaría en el momento de la evaporación de un agujero negro.

Imagine el rayo láser de un grabador de CD calentando un pedazo de carbón. Contrariamente a la luz del láser, casi monocromática, la emitida por el carbón calentado estará compuesta por un gran número de distintas longitudes de onda. La radiación del pedazo de carbón puede estar considerada en efecto como el de un cuerpo negro con un espectro continuo. Si los fotones iniciales del láser tienen todos casi la misma longitud de onda y constituyen un conjunto considerado como puro, según la terminología de los físicos, los fotones reemitidos por el pedazo de carbón estarán constituidos por una mezcla irregular que poseerá grandes diferencias desde el punto de vista de las longitudes de onda.





Esta radiación puede ser vista como muy desordenada en oposición a la regularidad del láser. Si además el reproductor de CD estaba transmitiendo la banda sonora de Iron Man, ésta será inaudible en la radiación térmica final del pedazo de carbón.

No es nada para un observador microscópico que utiliza las leyes de la mecánica cuántica. Para él, las correlaciones sutiles en los estados de los fotones emitidos por el pedazo de carbón están muy presentes y su asimilación a un cuerpo negro no es más que una aproximación, excelente pero falsa: siempre es posible escuchar la banda original de la película de Marvel.

En el caso de un agujero negro que se evapora por efecto Hawking*, las leyes de la mecánica cuántica exigen la aparición de un espectro de cuerpo negro*. El problema es que la existencia de un horizonte, y también de una singularidad dentro de éste, impone que el agujero negro irradía con un espectro de cuerpo negro perfeccionado durante la mayor parte de su existencia y por fin, que su estado final vinculado a la singularidad, sea demasiado caótico para retener la información que no se escapó por efecto de la radiación Hawking durante su evolución.

Acabamos así en la paradoja de la información. Si, de un lado, las leyes de la mecánica cuántica exigen que la información jamás se pierda en la evolución de un sistema físico, aplicadas sobre un agujero negro exigen que el CD de Iron Man que habría sido tragado por el agujero negro no pueda ser escuchado jamás registrando y analizando la radiación Hawking.

A la izquierda, Stephen Hawking y a la derecha John Preskill. En 2004, Hawking reconoció que había perdido su apuesta sobre la destrucción de la información por un agujero negro. Preskill, que había sostenido la conservación de la información y había apostado con Hawking, tiene aquí su premio, una enciclopedia de beisbol. © Universidad Caltech.

Este problema, que tiene numerosos aspectos, es uno de los más importantes de la física y su solución probablemente ha de darnos las claves de la física del siglo XXI.

Un modelo de juguete en 2D para la evaporación de los agujeros negros.

Abhay Ashtekar es un investigador de renombre mundial y es uno de los padres de la gravitación cuántica de bucles (LQG). Como muchos otros investigadores de su nivel antes de él, acaba de proponer un principio de solución a la paradoja de la información que le ha sido inspirada por el nuevo tratamiento de las singularidades en LQG.

El LQG indica que el espacio-tiempo sería fundamentalmente granular y que la descripción continúa que tenemos no esta más justificada que la que se emplea en la mecánica de los fluidos. En realidad, mientras que se acerca a la longitud y al tiempo de Planck, el carácter cuántico del espacio tiempo impondría una eliminación de las singularidades predichas por la teoría de la relatividad general clásica. Este hecho tendría profundas repercusiones sobre el estado final de un agujero negro al final de la evaporación, alcanzando el régimen de Planck.

Aunque Ashtekar y sus colaboradores Victor Taveras y Madhavan Varadarajan declaran tener en cuenta los resultados del LQG, técnicamente no los emplean. Se concentran sobre un modelo de juguete de agujero negro en dos dimensiones ya considerado en la teoria de cuerdas y controlado por un campo escalar, el dilatón*.

Abhay Ashtekar© Instituto Kavli

Este modelo simplificado permite tratar cuánticamente el estado de la geometría de un agujero negro a punto de evaporarse. Muestran entonces que si la singularidad no existe más o menos dentro del estado final de la evaporación de un agujero negro de este tipo, entonces la información no está perdida y la paradoja desaparece. Los tres investigadores piensan que si un tratamiento más riguroso y sobre todo en 4 dimensiones de la evaporación de un agujero negro se efectúa en el marco del LQG, este particular resultado podría muy bien ser genérico.

Si no se sabe tratar todavía la evaporación de un agujero negro con la LQG, se cree que los resultados que implican la eliminación de la singularidad en el corazón de un agujero negro de Schwarzschild son sin embargo bastante sólidos en el marco de esta teoría.

La teoría de cuerdas no es favorable a la destrucción de la información por un agujero negro y es en parte a causa de ello que Hawking acabó por cambiar de opinión en 2004. Es posible que este resultado pueda servir para conectar ambas teorías, la Gravedad Cuántica de Bucles y la teoría de cuerdas.



Para saber más:

La radiación de Hawking es un tipo de radiación producida en el horizonte de sucesos de un agujero negro y debida plenamente a efectos de tipo cuántico. La radiación de Hawking recibe su nombre del físico inglés Stephen Hawking quien postuló su existencia por primera vez en 1976 describiendo las propiedades de tal radiación y obteniendo algunos de los primeros resultados en gravedad cuántica.

Posteriormente Paul Davies y Bill Unruh probaron que un observador acelerado u observador de Rindler en un espacio-tiempo plano de Minkowski también detectaría radiación de tipo Hawking.

Una de las consecuencias del principio de incertidumbre de Heisenberg son las fluctuaciones cuánticas del vacío. Estas consisten en la creación, durante brevísimos instantes, de pares partícula-antipartícula a partir del vacío. Tales pares se desintegran rápidamente entre sí devolviendo la energía prestada para su formación. Sin embargo, en el límite del horizonte de sucesos de un agujero negro, la probabilidad de que un miembro del par se forme en el interior y el otro en el exterior no es nula, por lo que uno de los componentes del par podría escapar del agujero negro. Este fenómeno tiene como consecuencias la emisión neta de radiación por parte del agujero negro y la disminución de masa de éste.

Según esta teoría, un agujero negro va perdiendo masa, a un ritmo inversamente proporcional a ésta, debido a un efecto cuántico. Es decir, un agujero negro poco masivo, desaparecerá más rápidamente que uno más masivo. Concretamente, un agujero negro de dimensiones subatómicas, desaparecería casi instantáneamente.

Cabe mencionar que la disminución de masa de un agujero negro por radiación de Hawking sería únicamente perceptible en escalas de tiempo comparables a la edad del Universo y tán sólo en agujeros negros de tamaño microscópico remanentes quizás de la época inmediatamente posterior al Big Bang.

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Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro.

Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuanto más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbedor de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos absorbedores y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía.

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En física teórica, el dilatón designaba el origen de un campo escalar teórico (como el fotón refiere un campo electromagnético), que aparece en la teoría de Kaluza-Klein, como el compuesto g55 del tensor métrico donde "5" es la dirección circular adicional, y obedece a una ecuación ondular no homogénea, generalizando la ecuación de Klein-Gordon, con un campo electromagnético muy fuerte.

Además, en la teoría de cuerdas, el dilatón es una partícula de un campo escalar φ que puede ser visto como el rastro del gravitón; un campo escalar (según la ecuación Klein-Gordon) que viene siempre con la gravedad. Aunque la teoría de cuerdas incorpora naturalmente la teoría Kaluza-Klein, la teoría de cuerdas perturbadora, tales como la teoría de cuerdas de tipo I, la teoría de cuerdas de tipo II y la teoría de cuerdas heteróticas, ya contienen el dilaton en el número máximo de 10 dimensiones. Por otra parte, la teoría M en 11 dimensiones no incluye al dilatón en su espectro.



Crédito de las imágenes: Universidad Caltech. Instituto Kavli.



Traducido y ampliado para Astroseti.org por Xavier Civit



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