jueves, 6 de febrero de 2014

Agujeros negros, entropía, horizontes y demás cacaos mentales


No me acaba de quedar claro todo este rollo de los agujeros negros.
De un tiempo a esta parte la visión tradicional que tenía sobre los agujeros negros se está trastocando.

Agujeros negros y relatividad general
Desde que me leí "Historia del Tiempo" de Stephen Hawking hace ya una pila de años, mi visión de los agujeros negros ha sido siempre más o menos la misma: Objetos masivos supercompactos con una gravedad tan intensa que ni los rayos de luz pueden escapar. El concepto de "horizonte de sucesos" era bastante fácil de comprender: "el tamaño de la estrella en colapso justo en el momento en que los rayos de luz quedan atrapados". Es decir, marca el área que delimita la región desde la cual los rayos de luz no pueden escapar al exterior y que estaría formado por los rayos de luz que siempre se mantienen a esa distancia de la singularidad.
Luego, con la Relatividad General, lo que sucedía en el horizonte de sucesos se complicaba. Puesto que el paso del tiempo se dilata en presencia de un campo gravitatorio, justo en el horizonte de sucesos el tiempo debe detenerse (el tiempo medido desde un sistema de referencia externo). Esto se ilustraba con el clásico ejemplo de dos astronautas, uno de los cuales se acerca hacia el agujero negro mientras manda información (por ejemplo ondas de radio) hacia el otro compañero.
A medida que el astronauta se aproximaba al horizonte emitiendo ondas, el compañero que las recibe va notando que llegan cada vez con menor frecuencia. La frecuencia siempre irá disminuyendo a medida que el astronauta se acerca al horizonte de sucesos. Finalmente, el compañero receptor deja de registrar ondas cuando el astronauta alcanza el horizonte. El paso del tiempo para el astronauta que cae, medido desde el astronauta que permanece lejos del horizonte, parece haberse detenido.
Sin embargo, el astronauta que cae no nota nada (dejando a un lado los efectos de las fuerzas de marea, que en agujeros negros supermasivos estas fuerzas pueden ser lo suficientemente pequeñas como para que un astronauta no note nada al atravesar el horizonte). Él simplemente sigue emitiendo ondas con la frecuencia normal mientras atraviesa el horizonte.
Esta aparente paradoja no es más que un ejemplo, llevado al extremo, de la relatividad del tiempo medido en diferentes sistemas de referencia. Algo que no tiene nada de extraño desde la aparición de la Teoría de la Relatividad Especial en 1905.

Agujeros negros y mecánica cuántica
Dejando a un lado esto, más tarde, Hawking nos contó que, para preservar la integridad de las leyes de la termodinámica,  un agujero negro debía tener una temperatura y que, por lo tanto, debía emitir radiación. Así que se puso a trabajar combinando aspectos de la física cuántica con la Relatividad General de los agujeros negros concluyendo que el horizonte de sucesos debería emitir una especie de radiación parecida a la radiación térmica, la famosa Radiación de Hawking.
Aquí la cosa ya se me sale un poco de madre.
Según se explica, esta radiación procede de un efecto cuántico que sucede en el horizonte de sucesos. Según parece, debido a fluctuaciones cuánticas del vacío (el vacío en física cuántica no está vacío del todo, sino que está lleno de campos como el gravitatorio, el electromagnético, etc, que hace que espontáneamente se formen pares de partículas y antipartículas virtuales que roban energía momentáneamente de este vacío para luego aniquilarse mutuamente devolviéndola) justo en el borde del horizonte de sucesos pueden formarse pares de partículas y antipartículas virtuales con uno de los compañeros de la pareja dentro del horizonte y otro fuera. El compañero que cae dentro no puede escapar mientras que el que cae fuera adquiere energía por el enorme potencial gravitatorio y se convierte en una partícula real. El efecto resultante es una capa de partículas y antipartículas reales en el exterior del horizonte que se aniquilan entre sí produciendo estos fotones de la radiación de Hawking.
Dado que la energía de las partículas de la radiación de Hawking procede del potencial gravitatorio del agujero negro, éste debe perder masa a medida que emite partículas.
De este modo, se podía explicar que los agujeros negros no fueran sumideros de entropía que ponían entre las cuerdas a la 2ª ley de la termodinámica (ya que harían que la entropía total del universo disminuyese). Ahora, el horizonte de sucesos tiene una temperatura y la entropía del agujero está relacionada con el área del horizonte (que, a su vez, es directamente proporcional a la masa del agujero negro). Cuando algo cae en el agujero, el horizonte de sucesos crece, por lo que su entropía aumenta y la 2ª ley queda a salvo.

Por ahora bien.

Pérdida de información, complementariedad y principio holográfico
Hasta que no empecé a leerme "La guerra de los agujeros negros" de Leonard Susskind, ni siquiera se me pasó por la cabeza preguntarme qué ocurría con la información que cae dentro del agujero.
¿Se pierde para siempre esta información?
Dado que nada puede escapar del agujero negro, y este acaba evaporándose por radiación de Hawking y desapareciendo, la información debería perderse irremediablemente.
Pero recordemos, que el horizonte de sucesos del agujero negro hace que el tiempo medido en sistemas de referencia distintos fluya a ritmos muy diferentes. Desde todos los sistemas de referencia externos al agujero negro, todos los sucesos parecen haberse detenido en el horizonte, es decir, toda la materia-energía que caiga hacia el horizonte se detiene justo antes de atravesarlo, por lo que la información no se pierde, ya que nunca atraviesa el horizonte. Aquí es donde surge el principio holográfico, ya que toda la materia-energía que cae en el agujero queda codificada en la superficie bidimensional del horizonte de sucesos. O, lo que es lo mismo: Toda la información que está dentro del agujero ha quedado codificada en el horizonte de sucesos.
Susskind propuso la idea de "complementariedad" en la que las historias de la materia-energía vistas tanto desde sistemas de referencia fuera y dentro del horizonte de sucesos no son diferentes sino complementarias e igualmente válidas, de forma parecida a que en la famosa dualidad onda-corpúsculo de la mecánica cuántica, ambas visiones de la luz como onda y como partícula no son visiones contrapuestas sino complementarias.
Por otro lado, desde todos los sistemas de referencia situados dentro del horizonte, toda la materia-energía fluye hacia el interior acumulándose en la singularidad (dejaremos de lado lo que ocurre en la singularidad en sí misma).
¿Qué ocurre cuando el agujero negro se evapora?
Visto desde fuera del horizonte, no ocurre nada puesto que el tiempo en el horizonte está detenido desde que se formó el agujero negro y toda la información está codificada en la superficie del horizonte. Pero visto desde dentro, la singularidad está cediendo masa de alguna forma a los fotones que se emiten en la radiación de Hawking, por lo que la información, de alguna manera, se recicla y se manda fuera.
Sé que la descripción es bastante ambigua y no tengo manera de deshacerme de los "de alguna manera", hasta ahora no he podido encontrar ninguna información más esclarecedora. De todos modos parece que los físicos tampoco se ponían de acuerdo y algunos decían que la información se perdía y otros decían que no. Aunque Hawking, que era el principal defensor de que la información se perdía, parece que finalmente recula y admite que la información se conserva.

Muros de fuego, horizontes aparentes, diagramas de Penrose, etc
Hasta ahora parecía que la idea que tenía de los agujeros negros era bastante clara y hasta tenía su lógica, pero últimamente no entiendo nada de lo que se habla de agujeros negros.

Aparece la idea del "muro de fuego", es decir, una capa de partículas de alta energía situada justo por encima del horizonte de sucesos que desintegraría cualquier cosa que cayese a través del horizonte (osea que, visto desde el sistema de referencia de un astronauta que cae, pasar por el horizonte no es una historia tan feliz como antes). Este muro de fuego, por lo visto resolvería la paradoja de la pérdida de información, aunque no tengo ni pajolera idea de cómo.

Luego surgen los conceptos de horizontes que son parecidos al horizonte de sucesos pero que cada uno tiene sus sutilezas: horizontes aparentes, superficies atrapadas, horizontes dinámicos, etc.
He leído las diferentes entradas del blog Cuentos Cuánticos y hasta he intentado leer la referencia de Arxiv de Ivan Booth, pero he de reconocer que no entiendo nada de nada.
Se utilizan muy a menudo los famosos diagramas de Penrose-Carter. El enlace de la wiki tampoco es que diga mucho, en Cuéntos Cuánticos se habla un poco más claro sobre ellos aquí y aquí. Aunque entiendo más o menos cómo se representan, en cuanto aparecen los diferentes tipos de superficies ya la cosa se sale de madre.

Y, finalmente, aparece de nuevo Hawking diciendo...bueno ya no se qué es lo que se decía exactamente, pero que inicialmente la prensa interpretó como que Hawking decía que los agujeros negros no existen y que, tras escarbar un poco, lo que parece que dice es que lo que antes llamábamos horizonte de sucesos ahora debemos llamarlo horizonte aparente.

A fin de cuentas
Total, que después de todo este rollo, la imagen del agujero negro sigue siendo tan enigmática como antes. Yo sigo sin saber qué le ocurre realmente a la información cuando cae a través del horizonte de suc... de la cosa esa, y, me temo, no me enteraré del tema hasta que surja una buena reconciliación entre mecánica cuántica y relatividad general, algo que igual no veo antes de que la palme.
Mientras espero esta reconciliación, seguiré mirando hacia esos curiosos objetos astronómicos oscuros y de masas increíbles que pululan por los núcleos de galaxias expulsando jets de materia a velocidades relativistas y formando discos de acrecimiento que emiten rayos x, pensando en qué narices pasa allí arriba.

1 comentario:

fernando alvarez dijo...

buen articulo, mucho mas claro que wikipedia. saludos desde chile