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Si no tienes radiación Hawking a mano… simúlala

analogoLos medios se han hecho eco de la aparición de este artículo en Nature:

Observation of self-amplification Hawking radiation in an analogue black-hole laser,  (Versión libre)  del doctor Steinhauer.

El objetivo de esta entrada es la de aclarar este trabajo y la de reivindicar, sin caer en tontunas patriótica, el relevante papel que han jugado varios físicos españoles en el fundamento de las bases del experimento que se presenta en este artículo.

El formato que seguiremos será el de preguntas y respuestas.  Si eres asiduo al blog estoy seguro de que ya habrás leído algunas de estas explicaciones así que siéntete libre para saltar a la parte que más interese.

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Los agujeros negros no existen… ¡Pardiez!

Durante los últimos días ha habido cierto movimiento y cierta controversia en torno al tema de  la existencia o inexistencia de nuestros queridos amigos los agujeros negros.

Esta vez le ha tocado el turno a la física Laura Mersini-Houghton que se ha descolgado con la noticia de que tiene una prueba matemática sobre la inexistencia de los agujeros negros.

Aquí quiero aclarar dos cosas:

1.-  Lo que propone es nuevo.

2.-  Y puede que solo esté diciendo algo que la comunidad científica ya tiene asumido desde hace mucho tiempo.

Voy a intentar explicar visualmente lo que dicen los artículos de Mersini y compañeros y dejar claras cuales son mis dudas y preocupaciones al respecto.

Los artículos que han dado origen a esta entrada son:

Backreaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star I: Black Holes?

Backreaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls

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Cuestión de horizontes

Dada la controversia que ha levantado la noticia sobre la posible inexistencia de los agujeros negros, asignada a Hawking, quiero puntualizar un punto de lo que realmente ha dicho el bueno de Stephen.

No ha dicho que los agujeros negros no existan. Lo que ha dicho es que no podemos trabajar con los horizontes de sucesos, que hay que utilizar otro tipo de horizontes denominados horizontes aparentes.  Esto lo hemos comentado en la anterior entrada: Hawking y el agujero negro. La extraña pareja.

En esta entrada veremos que este punto no es nuevo. De hecho ha sido trabajado desde hace ya varias décadas.  Intentaré aclarar de qué va todo esto sin entrar en las definiciones matemáticas que identifican todos estos conceptos.

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Hawking y el agujero negro. La extraña pareja

índiceHoy nos hemos levantado con la noticia de que el señor Hawking dice ahora que los agujeros negros no existen.

Los medios ya se han hecho eco de esta noticia, por ejemplo en el periódico el País:

Stephen Hawking dice que no hay agujeros negros

A mí me llegó la noticia anoche gracias a mi amigo @twalmar.

Voy a comentar mi opinión personal de la noticia y, sobre todo, lo que dice el profesor Hawking en el artículo que ha publicado al respecto:

Information preservation and weather forecasting for black holes

Las conclusiones son interesantes, pero, ni los argumentos son tan novedosos, ni el trabajo es definitivo. No hay ninguna fórmula en el mismo, solo es una cadena de argumentos más o menos plausibles que no ha demostrado en ningún momento.

Hawking demuestra que existen agujeros negros

En su primera etapa, que abarca de la década de los 60 hasta mediados de los 70 del pasado siglo, Hawking trabajó en la teoría clásica de los agujeros negros.

Sus trabajos se basaban puramente en la relatividad general sin tener en consideración los efectos cuánticos.  Podemos resumir sus resultados en los siguientes puntos:

Existencia de horizontes y singularidades

Cuando se produce un colapso gravitatorio, es decir, cuando hay una gran cantidad de materia/energía en un volumen reducido su gravedad es tan potente que hace que ni la luz pueda escapar de esa región.  Hay una región límite a partir de la cual ya no se puede escapar de la atracción gravitatoria de dicho objeto. Esta región se conoce como una superficie atrapada.

Aquí vemos una representación de una estrella colapsando. En el colapso, la materia cae por debajo del horizonte de sucesos y se crea una singularidad.

Lo que hizo Hawking, junto a Penrose, fue demostrar que las curvas de las partículas con masa y las partículas sin masa, no podían extenderse hasta el infinito hacia el futuro en presencia de un bicho de este tipo.  Es decir, estas curvas morían en algún momento.  Esto es un síntoma de que existe una singularidad en los agujeros negros.

El problema aquí, sobre todo a nivel divulgativo, es que un agujero negro se define por estas dos características:

a)  Tiene un horizonte a partir del cual no podemos escapar de la gravedad. Ni tan siquiera la luz.

b)  Existe una singularidad.  Este lugar es complicado porque en las singularidades las leyes de la física no pueden decir nada en absoluto del comportamiento del sistema.  En los cálculos aparecen infinitos en distintas magnitudes físicas y no podemos predecir nada.

Pues bien, resulta que estos resultados son válidos siempre y cuando lo sea la relatividad general y siempre y cuando se cumplan algunas condiciones sobre la energía de la materia, esencialmente, burdamente y, estoy seguro, “erróneamente” (porque es una definición muy técnica) que sea positiva.

En la actualidad, los físicos trabajan más bien poco con los famosos horizontes de sucesos.  Y son famosos porque son de los que mas se hablan en términos de divulgación, sin embargo hay muchos otros tipos de horizontes que son los que se usan más a menudo en los trabajos técnicos:

  • Superficies atrapadas
  • Horizontes aparentes
  • Horizontes aislados
  • Horizontes dinámicos

Para un estudio breve pero completo de estos horizontes os recomiendo el trabajo de Ivan Booth:

Black hole boundaries

Todos estos horizontes muestran puntos de no retorno en algún sentido, pero sus características cambian en algunos aspectos que los hacen más cercanos a situaciones fisicamente realizables.

Los horizontes de sucesos han sido desbancados por otros tipos de horizontes porque sus comportamiento es un tanto extraño.  Para empezar su existencia y formación depende de toda la historia del universo.  Es decir, si una civilización de extraterrestres nos quisiera gastar la broma de tirar materia a la tierra hasta el punto de formar un agujero negro dentro de unos cuantos miles de millones de años, el horizonte de sucesos de tal agujero YA SE ESTARÍA FORMANDO.  Esto, cuanto menos, es sorprendente.

Además, estos horizontes crecen más rápido cuando el agujero no está tragando energía y más lento cuando sí lo hacen.

Uno de los problemas de los horizontes de sucesos es que se crean antes de que el cuerpo comience a colapsar. Y su tasa de crecimiento aumenta cuando el agujero no está tragando energía y disminuye en caso contrario. Este comportamiento es difícil de asimilarlo a un objeto realmente físico.

Uno de los problemas de los horizontes de sucesos es que se crean antes de que el cuerpo comience a colapsar. Y su tasa de crecimiento aumenta cuando el agujero no está tragando energía y disminuye en caso contrario. Este comportamiento es difícil de asimilarlo a un objeto realmente físico.

Por estos y otros motivos los físicos han definido otro tipo de horizontes más acorde con un comportamiento usual y que no dependan de la historia completa del universo para localizarlos e identificarlos.

Horizonte Aparente

A pesar de lo que dicen los medios:

EL CONCEPTO DE HORIZONTE APARENTE NO ES NI MUCHO MENOS NUEVO.

Un horizonte aparente es la superficie que aparece en el colapso de un cuerpo para formar un agujero negro que separa la zona en la que la luz ya no puede escapar de verdad y de la que aún puede escapar.  Resulta que este horizonte no coincide en general con el horizonte de sucesos.

Repasemos la historia de un agujero negro:

1.-  Tenemos un sistema que en un futuro lejano va a formar un agujero negro. Entonces empieza a formar un horizonte de sucesos mucho antes de que el proceso de formación del agujero comience.

Evidentemente la luz de este sistema, una estrella, por ejemplo, seguirá saliendo. Así que la definición de horizonte de suceso es matemáticamente muy interesante pero físicamente difícil de asimilar.  La razón es que los horizontes de sucesos solo tienen sentido para agujeros negros eternos, es decir, situaciones ideales en las que el agujero ha existido y existirá para siempre.

2.-  Cuando el proceso de formación del agujero comienza el horizonte de sucesos ya está formado.  Sin embargo, en el proceso de colapso de forma un horizonte aparente.

El horizonte aparente viene dado esencialmente por la última esfera de fotones que puede escapar del agujero.

El horizonte aparente y de sucesos no coinciden por lo general.  Por tanto, por debajo del horizonte aparente nada puede escapa, pero las cosas que estén entre el horizonte aparente y el de sucesos aún tienen una opción de escape.

3.-  El horizonte de sucesos y el aparente coinciden cuando el sistema ha formado el agujero y se estabiliza.

Así que déjenme que insista:

LOS HORIZONTES APARENTES SE CONOCEN DESDE LOS AÑOS OCHENTA DEL SIGLO XX.  Y SE USAN A DIARIO EN LOS TRABAJOS SOBRE AGUJEROS NEGROS, TEÓRICOS Y COMPUTACIONALES.

Radiación Hawking

A partir de 1975, Hawking introdujo conceptos cuánticos en la descripción de un agujero negro.  Esto le llevó a deducir que un agujero negro debería de emitir radiación con una determinada temperatura.  Esta es la archiconocida, y a la vez gran desconocida, radiación Hawking.

La presencia de un horizonte hace que distintos observadores elijan distintos estados de vacío.  Un observador en caída libre hacia el agujero selecciona un estado de vacío, que para nosotros será un estado que no contiene partícula, y si le preguntamos a otro observador estacionario lejos del agujero acerca del vacío seleccionado por su compañero nos dirá que está repleto de partículas.

Es decir, un observador estacionario lejos del agujero recibirá un flujo de partículas.  ¿Pero de dónde salen estas partículas?  Pues del único sitio del que pueden salir, del agujero negro.  Estas partículas pueden existir y ser detectadas porque el agujero negro les proporciona la energía para su existencia. Por lo tanto, en el proceso el agujero negro se evapora. (Para una explicación de estos fenómenos pulsa AQUÍ)

El problema de la información

Este fenómeno es asombroso pero, como no podía ser de otra forma, también tiene sus problemas asociados.

La radiación que sale del agujero negro es totalmente aleatoria.  No hay correlaciones entre ella.  Esto quiere decir que si yo tiro las obras completas de Juan Eslava Galán, cuando reciba toda la radiación Hawking, no podré reproducirlas. Y no lo podré hacer aunque hay recibido todas y cada unas de las partículas emitidas por el agujero.  Simplemente la información ha desaparecido, se ha esfumado, se ha difuminado.

Al menos, esto es lo que se pensaba al principio del estudio de los agujeros y su radiación.

Pero esto supone un problema muy gordo.  En la teoría cuántica la evolución de los sistemas ha de ser tal que uno pueda reconstruir la información del sistema en un instante anterior de su evolución. En términos técnicos esto se llama UNITARIEDAD.informationSi en los agujeros negros no podemos recuperar la información inicial a partir de la radiación que ha emitido, entonces implica que se rompe la unitariedad y eso quiere decir que la mecánica cuántica no puede ser correcta en todas las situaciones.

A partir de este problema podemos clasificar distintas tribus de físicos:

a)  Los que dicen que la unitariedad no es esencial en el universo y que no pasa nada por el hecho de que los agujeros negros destruyan información.

b)  Los que dicen que la unitariedad es sagrada y que tiene que haber algún mecanismo por el cual sea posible recuperar la información del agujero negro inicial de su radiación.

Se han propuesto mil modelos en un sentido y en otro. Hasta la fecha ninguna solución ha sido satisfactoria.

¿Qué ha dicho Hawking?

Uno de los modelos para preservar la información de un agujero negro es el llamado: MURO DE FUEGO.  En este modelo, los agujeros negros están rodeados de un muro de muy alta energía que quemaría cualquier cosa que intentara caer en el mismo.  Con este procedimiento la información se conserva en el agujero negro y fin de la historia.

¿Fin de la historia?

No, este no es el fin de la historia. En el trabajo que acaba de presentar Hawking dice que eso del muro de fuego no puede ser cierto porque rompería con simetrías muy fuertes de la naturaleza y eso no puede estar permitido. (Lo que ha dicho es que un muro de fuego en un agujero negro rompería la simetría CPT en gravedad cuántica).

Y ha propuesto un nuevo modelo que esencialmente dice lo siguiente:

1.-  El muro de fuego se localiza en el horizonte de sucesos. Pero, como hemos explicado, este horizonte no está bien localizado a no ser que se conozca toda la historia del universo (cosa que es físicamente imposible, aunque teóricamente se hace sin problemas en un contexto ideal). Así que no podemos localizar el muro de fuego en primera instancia.

2.-  La radiación Hawking es suave en el horizonte (una vez localizado teóricamente).  Por lo tanto no hay fluctuaciones muy grandes y por tanto, no hay muro de fuego.

3.-  Si usamos las simetrías CPT (esa que nos dice que materia y antimateria son idénticas en propiedades físicas) aplicadas a los agujeros negros podemos decir que un colapso de radiación formando un agujero negro es una situación simétrica a un agujero negro explotando en radiación.

Todo esto implica que:

a)  No existen los horizontes de sucesos –>  Hay que usar otros horizontes más físicamente realizables.

b) No existen los muros de fuego —>  Violarían ciertas simetrías y no se podrían localizar.

c)  No quedan remanentes del agujero porque según CPT un agujero se puede formar de radiación pura y, viceversa, se puede convertir en radiación pura.

Así que Hawking lo que nos dice ahora es:

En un agujero negro la radiación es caótica. Si bien es posible en principio recuperar toda la información, hay límites para ello por el hecho de no conocer todas las condiciones del problema.

Es decir, ha convertido a un agujero negro en un mapa del tiempo.  Como sabemos las predicciones del tiempo fallan porque es un sistema caótico. Conocemos las leyes que rigen el clima y el tiempo, pero no podemos hacer predicciones fiables para cualquier tiempo, el caos se hace presente y los resultados de nuestros cálculos difieren de la realidad.

Opinión personal

En ningún momento Hawking dice que los agujeros negros no existan. Lo que dice es que no se pueden usar los horizontes de sucesos y hay que usar horizontes aparentes.  Pero esta idea no es nueva como ya hemos visto.

Y respecto a su solución del problema de la información, pues me parece que es una solución bonita, pero no deja de ser palabrería. Si sale algún trabajo donde se demuestre el carácter caótico de la radiación pues lo estudiaré con mucho gusto.

Hawking es un grande de la física y todo lo que dice levanta controversia y expectación. Pero últimamente está haciendo muchas afirmaciones poco fundamentadas. Afortunadamente somos legión y alguno seguirá esta línea y sacará conclusiones mucho más profundas para bien o para mal del señor Hawking.

Nos seguimos leyendo…

El universo no es un holograma

En los últimos días han aparecido muchos sitios que se han hecho eco de la noticia de que los cientifícos han demostrado que:

NUESTRO UNIVERSO ES UN HOLOGRAMA

Pues bien, eso no es lo que han demostrado los físicos involucrados en el trabajo que ha levantado el revuelo.

Los trabajos en cuestión son:

Quantum Near Horizon Geometry of Black 0-Brane

Holographic description of quantum black hole on a computer

Los artículos son extremadamente técnicos. Tienen cientos de ecuaciones entre los dos (literalmente). Y hacen muchas cosas chulas excepto la de demostrar que nuestro universo es un holograma.

Pero, ¿qué tienen que ver los hologramas con el universo? ¿Por qué el revuelo mediático?

En esta entrada vamos a intentar responder estas preguntas y aclarar lo que han demostrado los físicos de los que tanto se habla.

Una charla al respecto de esta entrada que di en el Bulebar (sí, con dos b’s):

http://cienciaenbulebar.wordpress.com/2013/12/18/cambio-de-planes/

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