Los físicos teóricos Stephen Hawking, Malcolm Perry y Andrew Strominger han propuesto una solución a la paradoja de la pérdida de información en los agujeros negros. Muchos científicos consideran que este problema es uno de los más importantes de la física, ya que está asociado con el determinismo del mundo: cómo el pasado, el presente y el futuro se influyen mutuamente. "Lenta.ru" cuenta los detalles del estudio.
La esencia del problema de la paradoja de la información de los agujeros negros es la siguiente. Según la versión más simple del teorema de la ausencia de pelo, los agujeros negros sin carga y sin rotación descritos en el espacio-tiempo de Schwarzschild se caracterizan por un solo parámetro: la masa. La palabra "cabello" en este caso se utiliza como metáfora de otros parámetros y fue propuesta por el físico John Wheeler.
La paradoja significa que no hay forma de diferenciar los agujeros negros de masas iguales entre sí. La materia que ingresa al agujero negro se evapora posteriormente debido a la radiación de Hawking, y no está claro qué sucede con la información que contenía anteriormente. En términos generales, esto podría significar, como señaló Strominger en una entrevista con el editor Seth Fletcher para Scientific American, el mundo es indeterminado: el presente no define el futuro y no se puede utilizar para reconstruir completamente el pasado.
Hawking anunció por primera vez el nuevo descubrimiento el 25 de agosto de 2015, hablando en una conferencia en el Royal Institute of Technology en Estocolmo. Luego intrigó a la comunidad científica con un próximo artículo dedicado a resolver la paradoja del agujero negro. "La información no se almacena en el interior, como cabría esperar, sino en el horizonte de sucesos de un agujero negro", dijo el científico en ese momento. También mencionó las supertransmisiones utilizadas por los autores en el trabajo (más sobre ellas a continuación), cuya investigación Strominger inspiró a Hawking a escribir el artículo. “La idea es que las súper transmisiones son un holograma de partículas que caen”, dijo Hawking. "Contienen toda la información que de otro modo podría haberse perdido". El científico también habló sobre las perspectivas de utilizar información de los agujeros negros. "Para todos los propósitos prácticos, la información se pierde", dijo Hawking. De acuerdo con él,los agujeros negros devuelven información en una "forma caótica e inútil".
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En su conferencia un día antes, el 24 de agosto, Hawking habló sobre los agujeros negros como túneles hacia otros universos. “Si un agujero negro es lo suficientemente grande y gira, podría ser un puente hacia otro universo. Pero después de atravesarlo, no volverás al nuestro”, dijo el físico. Hawking presentó sus ideas en la conferencia el 3 de septiembre en una preimpresión en el sitio web arXiv.org. El trabajo de Hawking, en coautoría con Perry y Strominger, se publicó allí el 5 de enero de 2016.
Malcolm Perry, Andrew Strominger y Stephen Hawking (de izquierda a derecha)
Foto: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Anteriormente (desde mediados de la década de 1970), Hawking creía que la información no se almacena en los agujeros negros. Sobre este tema, en 1997, él y Kip Thorne entablaron una apuesta con el físico teórico estadounidense John Preskill. La visión de Hawking de la paradoja de la información de los agujeros negros ha cambiado con los avances en la teoría de cuerdas.
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En 1996, en el marco de la teoría de cuerdas, Strominger y Kumrun Wafa demostraron la derivación de una expresión para la entropía de los agujeros negros, obtenida por primera vez termodinámicamente por el físico israelí Jacob Bekenstein en 1973. Su conclusión indica que la evaporación de los agujeros negros preserva la unitaridad de la mecánica cuántica (asociada con una interpretación consistente de la probabilidad), que Hawking cuestionó previamente.
En un trabajo publicado en 2005, el científico británico intentó explicar cualitativamente la conservación de la información en un agujero negro utilizando la técnica integral funcional tomada sobre un espacio con una topología trivial. Los mismos resultados se desprenden de la idea de la correspondencia AdS / CFT propuesta en 1998 por Juan Maldacena en el marco de la teoría de cuerdas. Este, a su vez, se basa en el principio holográfico propuesto en 1993 por el físico teórico holandés Gerard t'Hooft (este científico publicó un preprint el 5 de septiembre de 2015 con una forma alternativa de almacenar información mediante un agujero negro).
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En el nuevo trabajo, los científicos se basan en investigaciones de la década de 1960. Luego, los físicos Steven Weinberg y otros propusieron el concepto de supertraducciones (no deben confundirse con el término del mismo nombre utilizado en supermatemáticas). Además, los autores utilizaron los resultados de Strominger y sus coautores, de los que se deduce que el agujero negro tiene el llamado pelo suave. Strominger utilizó fotones suaves conocidos de la electrodinámica cuántica: cuantos de radiación electromagnética de grandes longitudes de onda utilizados en renormalizaciones (procedimientos para eliminar divergencias en la teoría cuántica de campos). Tales partículas tienen poca energía y, al describir el estado de vacío (con la energía más baja), conducen a la aparición de un nuevo estado cuántico caracterizado por momento angular (ya que un fotón tiene uno).
Strominger se interesó en la cuestión de si el estado cuántico inicial del sistema sería diferente del siguiente si configuramos la longitud de onda del fotón para que sea infinita (es decir, para contar su energía como cero). Los cálculos han demostrado que el estado cuántico del sistema cambiará en este caso. Los gravitones y fotones suaves en el límite de longitud de onda infinita existen en los límites del espacio-tiempo. Aplicado a los agujeros negros, resulta que las partículas blandas se localizan en el horizonte de sucesos, un holograma tridimensional de un agujero espacio-temporal de cuatro dimensiones.
Cuando hablan de súper transmisiones, los científicos se refieren a transformaciones de rayos de luz idénticos que existen en el horizonte de eventos del agujero negro. En la década de 1960, se utilizaron supertraducciones para describir los rayos de luz en el infinito en el espacio-tiempo, en lugar del horizonte de sucesos de los agujeros negros. Strominger explicó la idea de la súper transmisión usando el ejemplo de una colección de pajitas idénticas e infinitamente largas. Si uno de ellos se mueve hacia arriba o hacia abajo en relación con los demás, ¿se puede considerar real tal movimiento? La investigación de los científicos ha dado una respuesta positiva a esta pregunta.
Gerard t'Hooft y Stephen Hawking
Foto: Håkan Lindgren / kth.se
“Si comparas dos agujeros negros que solo se diferencian por la adición de un fotón suave que no cambia la energía, obtienes diferentes agujeros negros. Y luego dejas que se evaporen. En este caso, deben evaporarse en algo diferente entre sí. Damos una fórmula exacta, que es uno de los principales resultados de nuestro trabajo, que describe las diferencias en el estado cuántico de un agujero negro, al que se le agregó o no un fotón suave”, dijo Strominger a Scientific American.
El físico señaló que en el transcurso de la investigación pudo formular 35 problemas prometedores, cuya solución puede llevar varios meses. "Si tenemos todos los ingredientes para comprender la dinámica cuántica de los agujeros negros, es posible contar el número de píxeles holográficos", dijo. En el futuro, Strominger y los coautores no estudiarán las supertraducciones, sino las superrotaciones. Usando la analogía con pajitas idénticas infinitamente largas, podemos decir que en este caso las últimas intercambian lugares entre sí (una pajilla gira alrededor de la otra).
"Ellos (superrotaciones) son otro tipo de simetría en el infinito, donde no solo mueves los rayos de luz hacia arriba y hacia abajo, sino que les permites moverse entre sí", dijo Strominger. Los científicos comenzaron a estudiar tales transformaciones hace unos diez años, y solo en los últimos dos años se han logrado avances en su comprensión. Hawking, quien celebró su 74 cumpleaños el 8 de enero, expondrá su visión de su nuevo trabajo en conferencias que serán transmitidas el 26 de enero y 2 de febrero por BBC Radio 4.
Andrey Borisov
