Great ball of fire


A veces la ciencia se comporta de una forma divertida. Un ejemplo claro lo tenemos en una propuesta aparecida allá por agosto del 2012 en la que se establece que si te dejas caer a un agujero negro quedarías carbonizado al encontrarte con un muro de fuego.

Sinceramente, no tengo una opinión robusta al respecto. Si miramos en la bibliografía encontraremos posturas de todo tipo. Que este hecho no es posible, que sí es posible pero con matices, que es totalmente inevitable. Una reacción temprana al asunto vino de la mano de nuestro amigo Francis en su magnífico blog:

Polchinski y varios colegas afirman que un agujero negro “viejo” será una “incineradora infernal”

Yo he seguido este tema más como curiosidad que como algo en el que pueda aportar, aún así me gustaría dar una explicación de la propuesta. No daré conclusiones ni opiniones, no las tengo. Por supuesto, como siempre, todo comentario o aclaración bien fundamentada será bienvenida.

Lo típico

Cuando uno habla de agujeros negros lo suele hacer introduciendo los siguientes conceptos:

  1. Existe una superficie, denominada horizonte de sucesos, a partir de la cual ya no se puede escapar del agujero.
  2. Existe, en el interior espaciotemporal del agujero, una singularidad a la que cualquier cosa que sobre pase el horizonte es arrastrada sin piedad.
  3. No existe comunicación entre el interior y el exterior del agujero. Nada puede salir del mismo sin violar las leyes de la física.

Otras características de los agujeros negros bien conocidas son:

  1. Estos bichos poseen entropía. De hecho, en los casos más simples, su entropía es un cuarto del área de su horizonte en unidades de Planck.
  2. Al introducir razonamientos cuánticos se obtiene que el horizonte emite radiación. Este hecho fue puesto de manifiesto en los trabajos de Hawking.

Existe una idea curiosa acerca de la radiación de Hawking. Un observador situado en el exterior del agujero que sea estacionario, es decir, que no cambie con el tiempo, detectará esta radiación. Por contra, un observador en caída libre hacia el horizonte no detectaría esta radiación.

Estos elementos han sido explicados en este blog en algunas entradas que podéis encontrar aquí:

Agujeros negros en Cuentos Cuánticos

No lo toques que te quemas…

En un artículo de Almheiri, Marolf, Polchinski y Sully (artículo AMPS) (Black holes: Complementarity or firewall?) se propone la idea de que un observador en caída libre moriría abrasado por una fuerte radiación procedente de un agujero negro si este ha tenido tiempo de radiar lo suficiente para reducir su área de horizonte inicial a la mitad.

Esto choca con el hecho de que un observador en caída libre se supone que tiene que ver a su alrededor una física que es esencialmente la que vería un observador en un espaciotiempo plano. En principio, y sobre esto tengo dudas, no debería de ver ninguna radiación procedente del horizonte. Este hecho se fundamenta en el conocido principio de equivalencia que es una de las bases de la relatividad general.

Además, cuando uno calcula las características del horizonte de sucesos de un agujero negro grande encuentra que todo allí es “soportable”. La gravedad no es muy intensa, la curvatura, por lo tanto, tampoco, así que pasar por el horizonte no supondría ningún problema.

Sin embargo, en este artículo (y en chorrocientos que han surgido al respecto), se dice que la cosa cambia al tener en cuenta efectos cuánticos. Intentemos explicar por qué pasa esto.

En este contexto tenemos dos posturas en clara contraposición:

  • Según la relatividad general, nada ocurre al traspasar el horizonte. Un observador en caída libre pasaría por el mismo sin mayor problema. (El problema viene después).  Según esta misma teoría nada puede escapar del horizonte al exterior, por tanto, la información que hayamos tirado al agujero se pierde.
  • La mecánica cuántica tiene verdadera repulsión por la pérdida de información. Uno de sus principios, llamado unitariedad, implica que si yo empiezo con una determinada información en un sistema cualquier acción que haga sobre el mismo podrá cambiar la forma en la que esta información se distribuye pero no puede disminuir ni aumentar tal información. Así que la información que entre en un agujero negro ha de ser codificada de alguna forma y devuelta al exterior.

Y aquí tenemos un problema…

¿Qué dice el artículo AMPS?

El problema aquí reside en lo siguiente:

O nos creemos el principio de equivalencia y entonces no pasa nada si nos caemos a un agujero al traspasar su horizonte, lo que implica que se pierde información.  O bien la mecánica cuántica es correcta y no se pierde información en un agujero negro y algo le ha de pasar al que se caiga en un agujero.

Explicación del problema

Esto que vamos a explicar aquí es una variación de la explicación que podéis encontrar en el blog Quantum Frontiers, por Preskill:

Is Alice burning? The black hole firewall controversy

Supongamos que tenemos dos observadores, el observador estacionario (E) que se queda fuera del agujero a una distancia segura y el observador en caída libre (CL) que se deja caer hacia el horizonte.

Si nos concentramos en el observador E, este recibirá radiación Hawking. Esta radiación se dice que es térmica que es una bonita forma de decir que no podemos extraer de ella información alguna del interior del agujero.

Pero imaginemos que el observador E y el observador CL tienen un estado cuántico entrelazado. Esto implica que cualquier medida sobre uno de ellos nos dará información (bajo ciertas condiciones) del otro. Si CL pasa por el horizonte se supone que este entrelazamiento se rompe y aquí viene el problema. Si esto ocurre la información se pierde y eso haría que la mecánica cuántica sufriera un duro golpe.

Entonces, tal y como hicieron AMPS, supongamos que la información en un agujero negro no se rompe. Bajo este supuesto, el observador E verá como el agujero negro al emitir radiación se “entrelaza con él” cada vez más y será capaz de tener información de su compañero CL aún una vez traspasado el horizonte. Esto supone un problema, muy gordo. Podemos decir que el agujero negro ha copiado de manera exacta la información que llevaba CL y la ha devuelto al exterior. Sin embargo, como explicamos en la entrada ¡Por dios, Carlos! ¡Trata de copiarlo! eso está prohibido por la mecánica cuántica.

Así pues, si la información se tiene que conservar pero E no puede saber nada de lo que llevaba CL una vez traspasado el horizonte la única solución es que CL no pueda traspasar el horizonte.

Y de hecho, la conclusión es que el entrelazamiento entre E y CL se rompe en el proceso. Pero para eso hace falta energía. Por lo tanto, CL verá una fuerte radiación (una bola de fuego) al acercarse al horizonte de forma que no lo traspasa nunca.

La disputa

Evidentemente este artículo generó mucha controversia. Muchos puntos a favor, muchos en contra. Se escribieron artículos, se retiraron artículos, se volvieron a publicar con modificaciones, etc.

Os dejo una lista de artículos relevantes:

Artículos sobre el muro de fuego (firewall)

Artículos sobre complementaridad en agujeros negros

La actividad sobre este tema ha decaído, así son las modas en ciencia, pero por el camino se ha pensado mucho en los fundamentos de la relatividad general, la cuántica y los agujeros negros.

De hecho, hoy mismo, mientras se escribía esta entrada, gracias a @aperezverde hemos encontrado esta entrada: Una guerra en torno a los agujeros negros para conciliar a Einstein y la mecánica cuántica del blog Materia, escrita por Daniel Mediavilla.

Está claro que uno no sabe a qué atenerse, o nos quedamos con el principio de equivalencia de la relatividad general o con la conservación de la información de la cuántica (unitariedad). El asunto está lejos de haber sido cerrado, y como se indica en la entrada mencionada del blog Materia parece que el firewall ha sido descartado. Tras leer el artículo técnico solo puedo decir que parece ser que se puede inferir que el firewall es poco probable.

Hay opiniones en todos los sentidos:

  • La singularidad se aproxima al horizonte en la evolución del agujero.
  • Cuanto mayor es el entrelazamiento mayor es el tiempo deformación de la bola de fuego (Aquí).
  • Que la bola de fuego es inevitable.
  • Que no existe porque se han malinterpretado las relaciones entre el interior, exterior y horizonte del agujero.

Y suma y sigue…

¿Mi opinión?  No tengo ni idea de lo que ocurre ahí, pero personalmente me siento más inclinado a conservar el principio de equivalencia que la unitariedad de la cuántica. Pero esto es solo una opinión personal.

Lo que está claro es que cuanto más pensamos sobre el universo en el que nos ha tocado vivir más preguntas nos genera y más conciencia tenemos de que no tenemos ni idea de cómo va la película. Así que no deberíamos dejar de pensar en ello :)

Nos seguimos leyendo…

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9 Respuestas a “Great ball of fire

  1. Ya sé que es imposible saberlo, pero las condiciones del interior de un agujero negro, donde toda la materia y todas las fuerzas están comprimidas sin posibilidad de escapatoria ¿no se parece bastante a un Big Crunch?
    ¿Es posible que en el interior de un agujero negro se produzcan las mismas condiciones previas al Big bang, o que se estén creando universos de los que nunca podamos tener noticia?
    Y si es asi, podríamos estar viviendo dentro de un agujero negro ¿no?

    Por otra parte, que no podamos acceder a la información dentro de un agujero negro no debería significar que se pierde, simplemente ya no es visible en este universo, porque tal vez es la semilla de otro universo.

    Es lo bueno de ser un iletrado, se puede fantasear más.

    • ¡Que lástima que no haya ninguna respuesta a este comentario! Ya está pasado…en fin.
      Yo creo que podría comprobarse si estamos en un agujero negro, si se encontrara alguna relación entre la expansión del universo y el crecimiento de los agujeros negros.

  2. Pingback: Agujeros negros | Annotary

  3. Pingback: Great ball of fire | Ciencia-Física | Scoop.it

  4. Cuando no entiendo algo, suelo “consultarlo con la almohada”, el 90% de los casos se resuelven (cuando menos, en un tiempo suficiente).

    Podríamos pensar que todos los científicos tiene una misma opinión, esto nada tiene que ver con la realidad, hasta hay catedráticos serios que no creen en la existencia de los agujeros negros.

    Pero es interesantes hacer algunas consideraciones:
    1° ¿Cómo se comporta la gravedad? Cuando hablo de velocidad de escape, no significa que un cuerpo que no tiene velocidad de escape, no se despega por algún tiempo de un cuerpo, cosa que parece ser entendida pro quienes tienen posturas extremas sobre los “AN”. Esto significa que un AN es un “cuerpo” que tiene una enorme gravedad, pero que no necesariamente es AN para todo observador.
    Para entenderlo: supongamos la Tierra, su velocidad de escape es de unos !0 m/s. eso significa que si un cuerpo no tiene esa velocidad, no llegará al “infinito”, no que no despega de la Tierra.

    Así en un AN, no se trata que un fotón no despega del “cuerpo” AN, sino que no logra salir, por causa del efecto Doppler de la gravedad.

    El problema es: ¿El efecto Doppler significa que una onda pierde su energía?
    NO! Sino que pierde la energía relativa al observador, piensa en una onda de sonido, cuando me acerco a la velocidad de la luz en separación del emisor, el sonido se torna tan grave que no lo escucho, y cuando llego a la velocidad del sonido, deja de existir para mí el sonido.
    Pero eso no significa que la onda sonido desapareció o dejó de existir, sino que para mí (observador relativo), es como que deja de existir.

    Entonces dónde está el fotón, porque no regresa al cuerpo. Mi opinión es que, la ignorancia sobre muchos fenómenos no nos permite ser tan soberbios, como para creer que las cosas son simples, y darla impresión a los indoctos que es de esta o aquella forma. O que nuestro razonamiento es suficiente.

    • Podríamos pensar que todos los científicos tiene una misma opinión, esto nada tiene que ver con la realidad, hasta hay catedráticos serios que no creen en la existencia de los agujeros negros.

      La ciencia no es una cuestión de creencias. Las cosas se tienen que demostrar teórica y experimentalmente.

      Esto significa que un AN es un “cuerpo” que tiene una enorme gravedad, pero que no necesariamente es AN para todo observador.

      Este comentario es totalmente erróneo. Un AN es un objeto del que no se puede escapar y eso es un hecho físico que no puede depender del observador. Así está confirmado por todas las descripciones de agujero negro de las que disponemos.

      Para entenderlo: supongamos la Tierra, su velocidad de escape es de unos !0 m/s. eso significa que si un cuerpo no tiene esa velocidad, no llegará al “infinito”, no que no despega de la Tierra.

      No sé qué significa este comentario ni qué relación tiene con lo expuesto en la entrada.

      Así en un AN, no se trata que un fotón no despega del “cuerpo” AN, sino que no logra salir, por causa del efecto Doppler de la gravedad.

      Todo sistema sometido a un campo gravitatorio tiene que vencer su energía. Para un fotón se produce un corrimiento al rojo, pero la velocidad del fotón es la que es para todo observador “inercial”. Este comentario no tiene ningún sentido.

  5. Pingback: Great ball of fire | útiles para astronomía | Scoop.it

  6. muy bueno, me encanta tu modestia al presentar los problemas de la física.

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