El Universo es un lugar asombroso y extraño lleno de fenómenos inexplicables. Uno de esos fenómenos, la paradoja de la información del agujero negro, parece violar una ley fundamental de la física.
El horizonte de sucesos de un agujero negro se considera la última frontera: una vez más allá, nada puede salir del agujero negro, ni siquiera la luz. Pero, ¿se aplica esto a la información como tal? ¿Estará perdida para siempre en el agujero negro como todo lo demás?
En primer lugar, debemos entender que la paradoja de la información de los agujeros negros no está relacionada con cómo estamos acostumbrados a percibir la información. Cuando pensamos en las palabras impresas en un libro, la cantidad de bits y bytes en un archivo de computadora, o las configuraciones y propiedades cuánticas de las partículas que componen un sistema, pensamos en la información como el conjunto completo de todo lo que necesitamos para recrear cualquier cosa desde cero.
Sin embargo, esta definición tradicional de información no es una propiedad física directa que se pueda medir o calcular como, por ejemplo, se puede hacer con la temperatura. Afortunadamente para nosotros, existe una propiedad física que podemos definir como equivalente a la información: la entropía. En lugar de pensar en la entropía como una medida de desorden, debería considerarse como la información "faltante" necesaria para determinar el microestado específico de un sistema.
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Cuando un agujero negro absorbe masa, la cantidad de entropía de una sustancia está determinada por sus propiedades físicas. Sin embargo, dentro de un agujero negro, solo importan propiedades como la masa, la carga y el momento angular. Para la preservación de la segunda ley de la termodinámica, esto presenta un serio problema / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Cuando un agujero negro absorbe masa, la cantidad de entropía de la materia está determinada por sus propiedades físicas. Sin embargo, dentro de un agujero negro, solo importan propiedades como la masa, la carga y el momento angular. Esto presenta un serio problema para la conservación de la segunda ley de la termodinámica.
Hay ciertas reglas en el universo que la entropía debe seguir. La segunda ley de la termodinámica se puede llamar la más indestructible de todas: tome ningún sistema, no permita que nada entre o salga de él, y su entropía nunca disminuirá repentinamente.
Un huevo roto no se acumula en su cáscara, el agua tibia nunca se separa en partes frías y calientes, y la ceniza nunca se acumula en la forma del objeto que tenía antes de ser quemado. Todo esto sería un ejemplo de entropía decreciente y, obviamente, nada de esto sucede en la naturaleza por sí solo. La entropía puede permanecer igual y aumentar en la mayoría de las circunstancias, pero nunca puede volver a un estado inferior.
La única forma de reducir artificialmente la entropía es introducir energía en el sistema, "engañando" así la segunda ley de la termodinámica, aumentando la entropía externa a este sistema en un valor mayor que el que disminuye en este sistema. La limpieza de la casa es un gran ejemplo. En otras palabras, no puede deshacerse de la entropía.
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Entonces, ¿qué sucede cuando un agujero negro se alimenta de materia? Imaginemos que estamos arrojando un libro a un agujero negro. Las únicas propiedades que podemos atribuir a un agujero negro son bastante mundanas: masa, carga y momento angular. El libro contiene información, pero cuando lo arrojas a un agujero negro, solo aumenta su masa. Inicialmente, cuando los científicos comenzaron a estudiar este problema, se creía que la entropía de un agujero negro era cero. Pero si ese fuera el caso, introducir algo en un agujero negro siempre violaría la segunda ley de la termodinámica. Lo cual, por supuesto, es imposible.
La masa de un agujero negro es el único factor determinante en el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro aislado y no giratorio. Durante mucho tiempo se creyó que los agujeros negros son objetos estáticos en el espacio-tiempo del universo.
Pero, ¿cómo se calcula la entropía de un agujero negro?
Esta idea se remonta a John Wheeler, pensando en lo que le sucede a un objeto cuando cae en un agujero negro desde la perspectiva de un observador alejado del horizonte de eventos. Desde una gran distancia, nos parecería que una persona que cae en un agujero negro se acerca asintóticamente al horizonte de sucesos, sonrojándose cada vez más por el corrimiento al rojo gravitacional y avanzando infinitamente hacia el horizonte por efecto de la dilatación relativista del tiempo. Por lo tanto, la información de algo que cayó en un agujero negro permanecería "encriptada" en su superficie.
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Esto resuelve el problema con elegancia y suena razonable. Cuando algo cae en un agujero negro, su masa aumenta. Al aumentar la masa, también aumenta su radio y, por lo tanto, el área de la superficie. Cuanto mayor sea la superficie, más información se puede cifrar.
Esto significa que la entropía de un agujero negro no es en absoluto cero, sino al contrario, enorme. A pesar de que el horizonte de eventos es relativamente pequeño en comparación con el tamaño del universo, la cantidad de espacio necesaria para registrar un bit cuántico es pequeña, lo que significa que se pueden registrar cantidades increíbles de información en la superficie de un agujero negro. La entropía aumenta, la información se conserva y las leyes de la termodinámica. Puedes dispersarte, ¿verdad?
Se pueden codificar bits de información proporcionales al área de la superficie del horizonte de sucesos en la superficie de un agujero negro.
Realmente no. El caso es que, si los agujeros negros tienen entropía, también deben tener temperatura. Como ocurre con cualquier otro objeto con temperatura, la radiación debe provenir de ellos.
Como demostró Stephen Hawking, los agujeros negros emiten radiación en un espectro específico (el espectro de un cuerpo negro) y a una temperatura específica, determinada por la masa del agujero negro. Con el tiempo, esta radiación de energía conduce a la pérdida de su masa por el agujero negro, según la famosa ecuación de Einstein: E = mc ^ 2. Si se emite energía, debe provenir de algún lugar, y ese "lugar" debe ser el agujero negro en sí. Con el tiempo, el agujero negro perderá su masa cada vez más rápido, y en un momento, en un futuro lejano, se evaporará por completo en un destello de luz brillante.
Pero si un agujero negro se evapora en la radiación de un cuerpo negro, determinada solo por su masa, ¿qué sucede con toda la información y la entropía registradas en su horizonte de eventos? Después de todo, ¿no puedes simplemente destruir esta información?
Ésta es la raíz de la paradoja de la información de los agujeros negros. El agujero negro debe tener una alta entropía, que incluye toda la información sobre lo que lo creó. La información sobre la caída de objetos se registra en la superficie del horizonte de eventos. Pero cuando un agujero negro se desintegra a través de la radiación de Hawking, el horizonte de eventos desaparece, dejando solo radiación. Esta radiación, como sugieren los científicos, depende solo de la masa del agujero negro.
Imagínese que tenemos dos libros, sobre tonterías absolutas y "El Conde de Montecristo", que contienen diferentes cantidades de información, pero idénticas en masa. Los arrojamos a agujeros negros idénticos, de los que esperamos recibir una radiación de Hawking equivalente. Para un observador externo, todo parece como si se estuviera destruyendo información, y dado lo que sabemos sobre la entropía, esto es imposible, ya que violaría la segunda ley de la termodinámica.
Si quemamos estos dos libros del mismo tamaño, las variaciones en la estructura molecular, el orden de las letras en el papel y otras diferencias menores contendrían información que podría ayudarnos a reconstruir la información de los libros. Puede ser un desastre total, pero no irá a ninguna parte por sí solo. No obstante, la paradoja de la información de los agujeros negros es un problema real. Una vez que el agujero negro se evapora, no queda rastro de esta información primordial en el universo observable.
La desintegración simulada de un agujero negro conduce no solo a la emisión de radiación, sino también a la desintegración de la masa central giratoria, que mantiene estables a la mayoría de los objetos. Los agujeros negros son objetos no estáticos que cambian con el tiempo. Sin embargo, en horizontes de eventos, los agujeros negros formados a partir de diferentes materiales deberían retener información diferente.
Quizás todavía no haya solución a esta paradoja y presente un serio problema para la física. Sin embargo, existen dos opciones para su posible solución:
1. La información se destruye por completo durante la evaporación de un agujero negro, lo que significa que se asocian nuevas leyes físicas con este proceso.
2. La radiación emitida contiene de alguna manera esta información, por lo tanto, la radiación de Hawking es algo más de lo que la ciencia conoce.
La mayoría de las personas que trabajan en este problema creen que debe haber alguna forma por la cual la información almacenada en la superficie del agujero negro se "imprima" en la radiación saliente. Sin embargo, nadie sabe exactamente cómo sucede esto. ¿Quizás la información sobre la superficie del agujero negro introduce correcciones cuánticas al estado exclusivamente térmico de la radiación de Hawking? Quizás, pero aún no se ha probado. Hoy en día existen muchas soluciones hipotéticas a esta paradoja, pero ninguna de ellas ha sido confirmada todavía.
La paradoja de la información de los agujeros negros no depende de si la naturaleza del universo cuántico es determinista o no determinista, qué interpretación cuántica prefiere, si hay variables ocultas y muchos otros aspectos de la naturaleza de la realidad. Y aunque muchas de las soluciones propuestas incluyen el principio holográfico, aún no se sabe si juega algún papel en la solución final de la paradoja.
Vladimir Guillén
