Archivo de la categoría: gravedad cuántica

Sí hubo Big Bang

Los titulares con los que nos hemos levantado estos dos días en este reducido mundo de la divulgación de la física se pueden resumir en:

No hubo Big Bang porque lo dice una ecuación cuántica.

Que a mí me suena a:

Dios es amor, la biblia lo dice.

El caso es que todo esto se basa en el artículo:

Cosmology from quantum potential

Pues bien, los titulares están equivocados y el artículo solo es una artimaña matemática.  Pasemos a explicar esta última afirmación.

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La guerra de los viajes en el tiempo

366702Los viajes en el tiempo ha sido uno de los sueños recurrentes en la ciencia ficción.  Sin embargo, la física también se ha preocupado por estos viajes por varios motivos.  Podríamos dar una larga lista de las razones por la que los físicos se han interesado en los viajes en el tiempo pero nos vamos a quedar con estas:

  • Entender la posibilidad o imposibilidad de los viajes en el tiempo nos ayuda a entender la esencia el espaciotiempo.
  • Comprender los límites en los que los viajes en el tiempo son físicamente posibles nos ayuda a  delimitar nuestro conocimiento más íntimo sobre las leyes de la naturaleza que estamos empezando a vislumbrar.

No vamos a hablar en esta entrada de abuelos que sucumben ante la locura de nietos viajeros en el tiempo, ni libros copiados en el futuro y publicados en el pasado ni ninguna otra de las conocidas paradojas temporales.  Nos limitaremos a exponer el tema y a proporcionar referencias para el disfrute de los lectores.

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El bosón de Higgs, de la partícula de Dios al engendro de Satanás

Tal vez quieras leer esta entrada, Campos, partículas, mínimos, masa y Higgs, antes de empezar (se solventan algunas cosas que es mejor tener claras desde un principio).

NOTA PARA LOS QUE NO VAN A LEER LA ENTRADA PERO VAN A COMENTAR EN MENEAME:

descargaYa sé, y lo he dicho aquí muchas veces, que lo de la “partícula de dios” es un mal nombre.  Pero no me digáis que el autor, el profesor Lederman, es un pobre que se dejó llevar por su editor que fue el que le puso el nombre en contra de su voluntad.  Principalmente porque Lederman ha escrito hace poco otro libro cuya portada está a la derecha. De nada.

Imagen 162

Hoy están saliendo nuevas noticias de un tema que lleva sonando por ahí algún tiempo.  El asunto en cuestión es el relacionado con que el Higgs, esa partícula tan buscada y al fin hallada, plantea problemas bastante peliagudos en relación a la existencia del universo y su persistente empeño por existir.

Antes de entrar en el meollo de la cuestión que hoy vamos a discutir permitidme unas palabras sobre el título de esta entrada:

El bosón de Higgs, de la partícula de Dios al engendro de Satanas

Este título no es más que un chiste, no hay ninguna connotación religiosa en lo que sigue. Es un título oportunista aprovechando el tema de que al bosón de Higgs se le ha denominado en los mentideros – La partícula de Dios – y ahora parece ser que dicha partícula podría generar el armagedón.  Pero todo lo que vamos a hablar aquí es puramente científico. Si buscas algo teológico, este no es el lugar adecuado.

Una vez dicho esto… Vayamos al lío.

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El universo saca Bicep2

Hoy ha habido una gran noticia acerca del universo. Así que es de recibo explicar por qué tal excitación.

Sin duda, el día de hoy pasará a la historia de la ciencia aunque no sea una confirmación definitiva ni la última del tema que vamos a tratar.

Nos vamos a plantear aquí el objetivo de hacer lo más entendible posible de qué va todo esto de la medida de los modos B de la radiación cósmica de fondo. Dado que el tema es muy importante y que me parece que todo el mundo tiene el derecho de saber, al menos un poco, de que trata todo esto, procuraré ser lo más conciso, simple y directo que pueda.

Espero que pueda transmitir por qué todo esto es tan importante.

El tema

Hoy se han hecho públicos los resultados del experimento BICEP2, que trataba de medir, entre otras cosas, la polarización de la radiación cósmica de fondo, especialmente los modos B.

Lo sé, todo esto no dice mucho y no deja ver por qué todo el mundo está tan excitado al respecto. Pero, permítanme hacer una lista sobre por qué pienso yo que la cosa tiene cierta relevancia.

  1. El resultado de hoy nos dice que el universo pasó por una expansión brutal, muy rápida al inicio de su existencia.
  2. También nos obliga a aceptar que no hubo una explosión de un huevo cósmico que lo contenía todo. Más bien el tema es que el universo surgió desde el vacío (cuántico) y que ese fenómeno dejó huellas en una radiación que nos llega hoy en día en forma de microondas.
  3. Además es una confirmación indirecta de la existencia de ondas gravitacionales.  Pero lo que es más, estas ondas gravitacionales surgieron por fluctuaciones cuánticas gravitatorias en los primerísimos instantes del universo.  Así pues, puede ser que estemos en la puerta de poder constreñir nuestras teorías de gravedad cuántica a través de observaciones sobre el fondo cósmico de microondas.

En esta entrada vamos a comentar todo esto de la forma más simple posible para que todos podamos disfrutar de las consecuencias del descubrimiento anunciado hoy.  Para una explicación más técnica os recomiendo la entrada de Francis:  BICEP2 obtiene la primera prueba directa de la inflación cósmica.  (Ahí podéis encontrar el artículo técnico relacionado:

La inflación cósmica. Expasión, vacío, existencia, multiverso

Se nos ha contado una y otra vez que el universo empezó en una gran explosión, el famoso Big Bang, la idea que nos lleva a esto es simple:

Si sabemos que el universo se está expandiendo, en el pasado todo estaría más cerca y más caliente  y tuvo que haber un tiempo en el que todo estaría contenido en un punto.  Este punto “estalló” dando lugar al universo que vemos que se ha expandido desde entonces.

Esta es la imagen que hemos acumulado por mucho tiempo, sin embargo, hay muchos problemas asociados con esta imagen:

a)  ¿Por qué todo estaba contenido en un punto? ¿Toda la materia? ¿Toda la radiación? ¿Todo?

b)  ¿Por qué tuvo que explotar?

c)  ¿Qué significa explotar si no podemos hablar ni de espacio ni de tiempo en esa situación? ¿Dónde explotó?

La imagen del big bang es muy sugestiva pero errónea. Si bien es cierto que nuestro universo se está expandiendo y que eso implica que antes estaba más comprimido y la materia y energía más caliente no podemos decir que todo estaba contenido en un punto. Eso no tiene sentido.  La materia que vemos ahora no se puede matener a partir de determinada temperatura, así que si todo estaba cada vez más cerca estaría cada vez más caliente y la materia/radiación que existiría no sería ni parecida a los que nos rodea hoy en día.

El modelo del big bang no es más que el nombre que recibe la teoría que explica como evoluciona el universo conforme se expande, pero no dice nada sobre su origen en sí mismo.  Para repasar: La historia caliente del universo.

Permitidme un resumen muy sesgado e incompleto sobre las que en mi opinión, son las ideas esenciales y comunes a la mayoría de los modelos cosmológicos actuales que tratan con el origen del universo.  Todos ellos se pueden enmarcar con el nombre de modelos inflacionarios.

Voy a itemizar y novelizar al tiempo 😉

1.-  Al principio fue el vacío.  Pero este vacío presenta unas características sorprendentes, sus propiedades exigen que este vacío se expanda de una forma brutal (expansión exponencial).  Si intentas pensar en la expansión de este vacío no tendrás ninguna experiencia al respecto, es decir, este vacío lo ocupa todo, así que… ¿Dónde se expande?  Pues en sí mismo, no hay nada fuera de él. Cuando hablamos de expansión nos referimos a que si tomamos tres puntos cualesquiera en dicho vacío observaremos como la distancia entre todos ellos aumentan con el tiempo, y aumenta  de forma exponencial (muy muy rápido). Una explicación análoga, aplicada a la expansión del universo, la tenéis aquí.

El universo está repleto de un vacío que se expande como loco. Está bajo un proceso inflacionario continuo.

El universo está repleto de un vacío que se expande como loco. Está bajo un proceso inflacionario continuo.

2.-  De vez en cuando, aquí y allá, en el seno de ese vacío, la inflación se aburre, se para, y hay regiones que dejan de expandirse tan brutalmente.  Debido a que en ese proceso se libera mucha energía, esta se transforma en materia.  Esas burbujas en las que la inflación se ha parado se siguen expandiendo a un ritmo mucho más lento que el vacío del que procede y en el que están inmersas.

Hay regiones que espontáneamente dejan de expandirse aceleradamente y pasan a una expansión más moderada. La energía del "freno" de la inflación se invierte en llenar esa burbuja de materia y radiación.

Hay regiones que espontáneamente dejan de expandirse aceleradamente y pasan a una expansión más moderada. La energía del “freno” de la inflación se invierte en llenar esa burbuja de materia y radiación.

3.-  Podemos considerar que nuestro universo es una burbuja que se rebeló contra el vacío, dejó de expandirse de forma exponencial y se llenó por esto de materia y radiación (incluyendo aquí energías y materias oscuras).  Este proceso se puede seguir dando y por lo tanto estos modelos se dicen que generan de forma natural multiversos, entendiendo aquí regiones que han dejado de ser inflacionarias. Esas burbujas, inmersas aún en un vacío que se expande inflacionariamente, no se sabe si pueden coincidir o no, lo natural es que no puedan tener contacto unas con otras.  Más aún, las leyes de la física no tienen, ni deben, de ser las mismas en distintas burbujas de este tipo. Las cargas, las masas, etc, de los campos y partículas pueden diferir de una burbuja (universo) a otra.

Este proceso de frenado de la inflación se puede seguir produciendo en el vacío circundante y generar más burbujas (universos) con diferentes conjuntos de leyes y magnitudes físicas.

Este proceso de frenado de la inflación se puede seguir produciendo en el vacío circundante y generar más burbujas (universos) con diferentes conjuntos de leyes y magnitudes físicas.

Así pues, nuestro universo sería una de estas burbujas que se han rebelado contra el vacío.

Centrándonos en nuestro universo

Vale, nuestro universo se generó así, espontáneamente de un vacío, frenando una expansión exponencial y generando así materia y radiación. ¿Podemos comprobar esto?

La respuesta es, sin lugar a dudas, sí.

Estos modelos predicen que la radiación cósmica de fondo ha de tener determinadas características generadas por este proceso.

Esta es la imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por la misión PLANCK.

Esta es la imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por la misión PLANCK.

Esta radiación cósmica de fondo se generó unos 300.000 años después del inicio de nuestro universo/burbuja. Son fotones que nos llegan desde todas las direcciones del cielo con una temperatura de alrededor de 2.7 Kelvins. (Bastante frío).  Y los modelos cosmológicos nos dicen que tienen que existir pequeñas, pequeñísimas variaciones de temperatura en esa radiación.  Esas pequeñas variaciones de temperatura son las diferencias de colores en los puntos de la radiación cósmica de fondo, diferencias muy pequeñas  muy difíciles de medir.  A lo largo del tiempo hemos ido midiendo mejor las propiedades de la radiación cósmica de fondo:

PIA16874-CobeWmapPlanckComparison-20130321Pero estos fotones de la radiación cósmica de fondo tienen otras características además de su energía/temperatura.  Los fotones se pueden asimilar a cosas ondulantes, y las ondas pueden ser polarizadas.   Que sean polarizadas significan que en su movimiento de propagación se mueven de una determinada manera, en un plano dado.

Aquí vemos el campo eléctrico (naranja) que está en el plano vertical. Y el campo magnético (azul) que está en el plano horizontal. Esta onda está polarizada.

También podemos tener polarizaciones llamadas circulares, estas polarizaciones hacen que las ondas vayan rotando alrededor de un eje.

Luz polarizada circularmente

Aquí hay que contestar a la siguiente pregunta, ¿cómo y por qué se polariza la radiación cósmica de fondo?

Pues hay que retrotraerse hasta el mismo inicio del universo. Cuando la inflación se frena el exceso de energía se transforma en “materia”.  Es decir, aparecen los campos físicos, las partículas, etc. Por supuesto no aparecen de la forma en las que las tenemos ahora, las actuales son las herederas de las primigenias.  Sin embargo, en ese proceso de transformación de la energía sobrante de la expansión inflacionaria frenada en la burbuja en “materia” se producen fluctuaciones, en unas zonas hay más creación de materia que en otras. Esas fluctuaciones no son muy grandes, pero son importantísimas.  Y lo son porque esos procesos hacen que el propio espaciotiempo oscile y se creen ondas gravitatorias.  Dichas ondas son ondulaciones del espaciotiempo que se traslada por el mismo.

Un universo surcado por ondas gravitacionales primigenias.

Un universo surcado por ondas gravitacionales primigenias.

Estas ondas gravitacionales se denominan primigenias ya que se originaron al principio del universo por fenómenos puramente cuánticos que involucran la gravedad. Actualmente se pueden generar en sistemas estelares binarios y otros fenómenos astrofísicos. Estas ondas gravitacionales astrofísicas aún no han sido detectadas de forma directa aunque sí de forma indirecta.

¿Cómo se relacionan la inflación, las ondas gravitatorias primigenias y la polarización de la radiación cósmica de fondo?

Esta es la madre del cordero, (Querido lector, aquí uso cordero sin ninguna connotación religiosa), así que procuraré responderlo del mejor modo posible.

Interacción entre fotones y materia

Los fotones son los cuantos de la radiación electromagnética. Y el electromagnetismo se lleva bien con las cargas eléctricas, interactúan con ellas. Un fotón llega a un electrón, el electrón lo absorbe vibra y emite un fotón con una determinada polarización.

Aquí un fotón llega a un electrón, este lo absorbe, vibra en un determinada forma y emite un fotón que también vibra en la dirección definida por la oscilación del electrón. Resulta una radiación polarizada.

Cuando el universo tenía algo menos de 300.000 años de antigüedad, la temperatura era tan alta que los protones y electrones formados estaban  danzando por ahí como locos. La interacción eléctrica no podía generar átomos neutros. Por lo tanto, los fotones estaban “encarcelados” colisionando una y otra vez con los electrones libres.  Esto fue así hasta que el universo se expandió lo suficiente, y se enfrió por tanto, para que la energía del medio permitiera la formación de átomos neutros y los fotones salieron de allí en línea recta.  Esa es la radiación que hoy día vemos en el fondo cósmico de microondas.

Ahora bien, dado que teníamos por ahí ondas gravitacionales, estas estaban ondulando el espaciotiempo, y por tanto los electrones estaban sujetos a esas ondulaciones, y por lo tanto estaban transmitiendo esa vibración a los fotones que interactuaban con ellos polarizándolos de una determinada manera. (Manera que es predicha por los modelos inflacionarios).

De hecho, se conocen dos tipos de polarizaciones, la denominada E y la denominada B. La polarización de tipo E puede ser generada por otro tipos de procesos asociados a la materia presente en el universo además de las ondas gravitatoria. Sin embargo, la polarización de tipo B solo puede ser generada por dichas ondas gravitatorias.

Hay dos tipos de polarizaciones posibles, el tipo E y el tipo B. El tipo E puede ser generado por ondas gravitatorias y otros fenómenos asociados a la materia presente en el universo. La polarización de tipo B solo es generada por las ondas gravitacionales primigenias.  Encontrar esta polarización es, consecuentemente, una prueba de la existencia de estas ondas gravitatorias que a su vez están predichas por efectos cuánticos del universo en su origen.

Hay dos tipos de polarizaciones posibles, el tipo E y el tipo B. El tipo E puede ser generado por ondas gravitatorias y otros fenómenos asociados a la materia presente en el universo. La polarización de tipo B solo es generada por las ondas gravitacionales primigenias. Encontrar esta polarización es, consecuentemente, una prueba de la existencia de estas ondas gravitatorias que a su vez están predichas por efectos cuánticos del universo en su origen.

¿Qué quiere decir eso?

a)  Si medimos los modos B estamos midiendo una polarización de la luz del fondo cósmico que fue heredada de lo que sentían los electrones libres que estaban en el universo debido a las ondas gravitacionales primigenias.

b)  Dichas ondas gravitacionales primigenias son producto del proceso de fluctuación del espaciotiempo en el proceso inflacionario.  Los modelos inflacionarios predicen las características de dichas ondas gravitatorias que al final se traducen en características de los modos de polarización B del fondo cósmico de microondas.

Así podemos decir:

Al haber encontrado la polarización en modos B de la radiación cósmica de fondo hemos podido confirmar dos cosas:  a)  La existencia de ondas gravitatorias primigenias.  b) El mecanismo que predice esas ondas, la inflación (además de poder discernir entre distintos modelos inflacionarios que predicen distintos espectros de polarización en modos B)..

¿Qué podemos esperar?

1.-  Que los autores originales de la teoría inflacionaria, Andrei Linde y Alan Guth, ganen algún premio 🙂

2.-  Que aprendamos más cosas de la tan buscada teoría de la gravedad cuántica ya que hasta la fecha no teníamos ninguna evidencia experimental que ayudara en su definición y su búsqueda. Ahora tenemos la oportunidad de que las teorías de la gravedad cuántica puedan testearse con su capacidad para producir inflación y predecir el correcto espectro de polarización en modos B.

3.-  Se necesitan más y mejores datos sobre estos modos B y seguro que en breve la misión europea PLANCK confirmará y mejorará los resultados hoy presentados.

4.-  Hemos aprendido un poco más sobre el origen mismo del universo, cada vez es más claro que nuestro universo, y todos los posibles universos, son préstamos que nos hace el vacío.

Espero haber podido transmitir un poco la importancia de este hallazgo. No me cabe la menor duda, de que nos esperan tiempos espectaculares en física en un futuro muy cercano.

Permitidme terminar con esta reflexión

Nos seguimos leyendo…

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…