la Informacion que cae dentro de un Agujero Negro
Escrito original por Sabine Hossenfelder fisica teorica especializada en gravedad cuantica y altas energias y es tambien una escritora independiente que escribe acerca de la ciencia.
De acuerdo con Google, Stephen Hawking es el físico mas famoso con vida, y su trabajo mas famoso es acerca de la paradoja de la información y los agujeros negros. Si usted sabe algo de física usted debería estar familiarizado con esto. Antes de Hawking los agujeros negros no eran paradójicos. Si usted lanza un libro en un agujero negro no hay forma de que usted pueda leerlo mas. Esto es debido a que al cruzar el horizonte de eventos todo rayo de luz queda atrapado. De esta manera ninguna información puede salir del agujero negro y así traer algo del libro de regreso; si el libro se habrá ido. Esto es desafortunado, pero nada que haga sudar a un físico. La información en el libro puede estar fuera de vista, pero no hay nada paradójico acerca de esto.
Entonces vino Stephen Hawkings. Y así en 1974 el mostró que los agujeros negros emiten radiación y esta radiación no lleva información. Esta es enteramente aleatoria, excepto por la distribución de las partículas en función de la energía, la cual es el espectro de Planck con temperatura inversamente proporcional a la masa del agujero negro -a mayor masa mas frío- . Si un agujero negro emite partículas, este pierde masa y así se encoje, y entonces se vuelve mas caliente. Luego de suficiente tiempo y suficiente emisión, el agujero negro se habrá ido completamente, sin regreso de la información que entro en el. El agujero negro se habrá evaporado, no queda nada del libro en el. De modo que a donde se habrá ido la información?
Usted podría encogerse de hombros y decir, “Que hay con eso? No todo el tiempo perdemos información? No no la perdemos. No al menos en principio. Perdemos información en la practica todo el tiempo, si. Si quemamos el libro, usted no sera capaz de leerlo mas. Sin embargo, fundamentalmente, toda la información acerca de lo que constituía el libro esta aun contenida en el humo y las cenizas.
Cualquier cosa que se queme podría arecer destruida, pero todo acerca del estado previo a quemarse es en principio, recuperable, si hacemos un seguimiento a todo lo que sale del fuego.
Esto es debido a que la leyes de la naturaleza, hasta nuestro actual entendimiento, pueden ser ejercidas en ambos sentidos – a cada estado inicial único, le corresponde un único estado final. Nunca habrá dos estados iniciales producirán un mismo estado final. La historia de su libro quemándose luce muy diferente si se hace que transcurra en reverso. Si fuéramos capaces de muy cuidadosamente ensamblar el humo y las cenizas de la forma correcta -los átomos son los mismos- usted podría desquemar el libro y reconstruirlo. Es un proceso supremamente complicado y por ello usted nunca lo vera suceder en la practica. Pero en principio podría suceder.
No sucede así con los agujeros negros. Donde quiera que lo mire el agujero negro luce igual sin importar lo que haga. Al final usted solo tiene radiación termal lo cual – para honrar su descubrimiento – es ahora llamado “radiación Hawking.” Esta es la paradoja: El proceso de evaporación del agujero negro no puede ser llevada en retroceso. Esto es, no es reversible. Y esto es lo que hace que los físicos suden debido a que esto demuestra que no entienden completamente las leyes de la naturaleza.
La perdida de información en un agujero negro es paradójica debido a que esto señala una inconsistencia interna de nuestras teorías. Cuando combinamos – como lo hizo Hawkings en sus cálculos – la teoría general de la relatividad las teorías de campo cuántico del modelo estándar, el resultado no es compatible con la teoría cuántica. En un nivel fundamental, cada interacción que implica un proceso sobre una partícula ha de ser reversible. Debido a la no reversibilidad en la evaporación de un agujero negro, Hawking demostró que las dos teorías no funcionan juntas.
El aparentemente obvio origen de esta contradicción es que la evaporación irreversible fue derivada sin tener en cuanta las propiedades cuánticas del espacio tiempo. Por lo que, necesitaríamos una teoría cuántica de la gravedad, la cual no tenemos aun. La mayoría de los físicos por ello creen que una teoría cuántica de la gravedad podría remover la paradoja – solo que no sabemos como es que esta funciona.
La dificultad con quejarse acerca de la gravedad cuántica, es sin embargo, que no hay nada interesante sucediendo en el horizonte – es un lugar donde rige muy bien la relatividad general. Esto es debido a que la fortaleza de la gravedad de relatividad cuántica depende de la curvatura del espacio tiempo, pero la curvatura del horizonte de un agujero negro es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Esto quiere decir que entre mas grande es el agujero negro, mas pequeños resultan los efectos de la gravedad cuántica en el horizonte.
Los efectos de la gravedad cuántica podrían llegar a ser advertibles solo cuando un agujero negro ha alcanzado la masa de Planck, cerca de 10 micro gramos. Cuando el agujero negro se ha encogido hasta este tamaño, la información podría ser liberada gracias a la gravedad cuántica. Pero dado que el agujeros se formo a partir de una arbitraria cantidad de información la cual podría estar apelmazada en el agujero hasta entonces. Y cuando la masa de Planck es todo lo que queda, es difícil obtener mucha información codificada de la poca energía que queda en el.
Durante los ultimos 40 años, algunas de las mentes mas brillantes del planeta han tratado de resolver este acertijo. Podria parecer extraño que los fisicos gastaran energias para resolver este problema, pero ellos tenian buenas razones ara ello. La evaporacion de los agujeros negros es la mejor caso de conjugar la teoria cuantica y la gravedad, y por ello la clave para hallar la teoria correcta de la gravedad cuantica. Resolver la paradoja seria un atajo y sin duda resultaria de un nuevo entendimiento de la naturaleza.
La mayoría de las soluciones intenta que la perdida de información caiga en una de cuatro categorías cada una de las cuales tienen sus pros y contras.
1. La información es liberada al principio. La información comienza a salir justo cuando el agujero alcanza la masa de Planck. Esta es una opción popular actualmente. Esto, no esta claro, sin embargo, como la información debería estar codificada en la radiación, y como es la conclusión de los cálculos de Hawking habían evadido.
Los beneficios de esta solución es su compatibilidad con lo que conocemos acerca de la termodinámica de los agujeros negros. La desventaja es que, para este trabajo, algún tipo de no localidad- la acción fantasma a distancia- parece inevitable. Peor aun, esto ha sido recientemente establecido, si la información es liberada temprano, entonces los agujeros negros estarán rodeados por una barrera de energía: una “pared de fuego.” Si una pared de fuego existe, esto implicaría que el principio de equivalencia, en el cual se basa la relatividad general sera violado. Esto es poco atractivo.
2. La información es guardada y liberada después. En este caso, la información permanece hasta que los efectos de la gravitación cuántica llega a ser fuerte, cuando el agujero negro alcanza la masa de Planck. La información es liberada junto con la energía remanente o solo mantenida para siempre con el remanente.
El beneficio de esta opción es que no requiere modificar ni la relatividad general o la teoría cuántica, en los dominios donde ellas rigen y donde deseamos mantenerlas. Ellas colapsan exactamente donde ellas se esperan que colapsen: cuando la curvatura del espacio tiempo llega a ser muy grande. Las desventajas que algunos argumentan es que lleva a otra paradoja, la posibilidad de producir infinitos pares de agujeros negros en trasfondo débil: por ejemplo, alrededor de nosotros. El soporte teórico para este argumento es débil pero es aun ampliamente utilizado.
3. La información es destruida. Los que apoyan esta aproximación solo aceptan que la información esta perdida cuando cae en el agujero negro. Esta opción fue aceptada aunque implica violaciones de la conservación de la energía y por ello causa otra inconsistencia. En años recientes, sin embargo, nuevos argumentos han salido a la superficie, según los cuales la energía podría ser conservada junto con la información perdida, y esta opción por ello parece poco aceptada . Aun es una solución popular.
Sin embargo, como la primera opción, solo hay que decir que no se cree que busque una solución. Y al hacer su trabajo requiriría una modificación de la teoría cuántica. Esta podría ser una modificación que no lleve a un conflicto con ninguno de nuestros experimentos que comprueban la mecánica cuántica. Esto es difícil de hacer.
4. No hay un agujero negro. Un agujero negro nunca se ha formado o la información nunca cruza el horizonte. Esta solución intenta aparecer de pronto ahora y entonces, pero nunca ha tenido aceptación. La ventaja es que evita las conclusiones de los cálculos de Hawkings. El inconveniente es que requiere grandes desviaciones de la teoría general de la relatividad en los dominios de las pequeñas curvaturas, y por ello es difícil hacerla compatible con precisión en ensayos con la gravedad.
Hay unas pocas soluciones propuestas adicionales que no caen entre esta categorías, Pero no puedo intentar revisarlas todas aquí! De hecho no existe una buena revisión acerca de este tópico – probablemente debido a que compilar una es terrible. La literatura es vasta. La información perdida en un agujero negro es sin duda la paradoja mas debatida.
Y esto tiende a permanecer así. La temperatura de los agujeros negros de lo que podemos observar es desde lejos demasiado baja para ser observable. De aquí en el futuro previsible nadie va a medir lo que sucede a la información que cruza el horizonte de eventos. Permítaseme hacer una predicción. En los siguientes diez años el problema estará sin resolver.
Escrito original por Sabine Hossenfelder fisica teorica especializada en gravedad cuantica y altas energias y es tambien una escritora independiente que escribe acerca de la ciencia.
De acuerdo con Google, Stephen Hawking es el físico mas famoso con vida, y su trabajo mas famoso es acerca de la paradoja de la información y los agujeros negros. Si usted sabe algo de física usted debería estar familiarizado con esto. Antes de Hawking los agujeros negros no eran paradójicos. Si usted lanza un libro en un agujero negro no hay forma de que usted pueda leerlo mas. Esto es debido a que al cruzar el horizonte de eventos todo rayo de luz queda atrapado. De esta manera ninguna información puede salir del agujero negro y así traer algo del libro de regreso; si el libro se habrá ido. Esto es desafortunado, pero nada que haga sudar a un físico. La información en el libro puede estar fuera de vista, pero no hay nada paradójico acerca de esto.
Entonces vino Stephen Hawkings. Y así en 1974 el mostró que los agujeros negros emiten radiación y esta radiación no lleva información. Esta es enteramente aleatoria, excepto por la distribución de las partículas en función de la energía, la cual es el espectro de Planck con temperatura inversamente proporcional a la masa del agujero negro -a mayor masa mas frío- . Si un agujero negro emite partículas, este pierde masa y así se encoje, y entonces se vuelve mas caliente. Luego de suficiente tiempo y suficiente emisión, el agujero negro se habrá ido completamente, sin regreso de la información que entro en el. El agujero negro se habrá evaporado, no queda nada del libro en el. De modo que a donde se habrá ido la información?
Usted podría encogerse de hombros y decir, “Que hay con eso? No todo el tiempo perdemos información? No no la perdemos. No al menos en principio. Perdemos información en la practica todo el tiempo, si. Si quemamos el libro, usted no sera capaz de leerlo mas. Sin embargo, fundamentalmente, toda la información acerca de lo que constituía el libro esta aun contenida en el humo y las cenizas.
Cualquier cosa que se queme podría arecer destruida, pero todo acerca del estado previo a quemarse es en principio, recuperable, si hacemos un seguimiento a todo lo que sale del fuego.
Esto es debido a que la leyes de la naturaleza, hasta nuestro actual entendimiento, pueden ser ejercidas en ambos sentidos – a cada estado inicial único, le corresponde un único estado final. Nunca habrá dos estados iniciales producirán un mismo estado final. La historia de su libro quemándose luce muy diferente si se hace que transcurra en reverso. Si fuéramos capaces de muy cuidadosamente ensamblar el humo y las cenizas de la forma correcta -los átomos son los mismos- usted podría desquemar el libro y reconstruirlo. Es un proceso supremamente complicado y por ello usted nunca lo vera suceder en la practica. Pero en principio podría suceder.
No sucede así con los agujeros negros. Donde quiera que lo mire el agujero negro luce igual sin importar lo que haga. Al final usted solo tiene radiación termal lo cual – para honrar su descubrimiento – es ahora llamado “radiación Hawking.” Esta es la paradoja: El proceso de evaporación del agujero negro no puede ser llevada en retroceso. Esto es, no es reversible. Y esto es lo que hace que los físicos suden debido a que esto demuestra que no entienden completamente las leyes de la naturaleza.
La perdida de información en un agujero negro es paradójica debido a que esto señala una inconsistencia interna de nuestras teorías. Cuando combinamos – como lo hizo Hawkings en sus cálculos – la teoría general de la relatividad las teorías de campo cuántico del modelo estándar, el resultado no es compatible con la teoría cuántica. En un nivel fundamental, cada interacción que implica un proceso sobre una partícula ha de ser reversible. Debido a la no reversibilidad en la evaporación de un agujero negro, Hawking demostró que las dos teorías no funcionan juntas.
El aparentemente obvio origen de esta contradicción es que la evaporación irreversible fue derivada sin tener en cuanta las propiedades cuánticas del espacio tiempo. Por lo que, necesitaríamos una teoría cuántica de la gravedad, la cual no tenemos aun. La mayoría de los físicos por ello creen que una teoría cuántica de la gravedad podría remover la paradoja – solo que no sabemos como es que esta funciona.
La dificultad con quejarse acerca de la gravedad cuántica, es sin embargo, que no hay nada interesante sucediendo en el horizonte – es un lugar donde rige muy bien la relatividad general. Esto es debido a que la fortaleza de la gravedad de relatividad cuántica depende de la curvatura del espacio tiempo, pero la curvatura del horizonte de un agujero negro es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Esto quiere decir que entre mas grande es el agujero negro, mas pequeños resultan los efectos de la gravedad cuántica en el horizonte.
Los efectos de la gravedad cuántica podrían llegar a ser advertibles solo cuando un agujero negro ha alcanzado la masa de Planck, cerca de 10 micro gramos. Cuando el agujero negro se ha encogido hasta este tamaño, la información podría ser liberada gracias a la gravedad cuántica. Pero dado que el agujeros se formo a partir de una arbitraria cantidad de información la cual podría estar apelmazada en el agujero hasta entonces. Y cuando la masa de Planck es todo lo que queda, es difícil obtener mucha información codificada de la poca energía que queda en el.
Durante los ultimos 40 años, algunas de las mentes mas brillantes del planeta han tratado de resolver este acertijo. Podria parecer extraño que los fisicos gastaran energias para resolver este problema, pero ellos tenian buenas razones ara ello. La evaporacion de los agujeros negros es la mejor caso de conjugar la teoria cuantica y la gravedad, y por ello la clave para hallar la teoria correcta de la gravedad cuantica. Resolver la paradoja seria un atajo y sin duda resultaria de un nuevo entendimiento de la naturaleza.
La mayoría de las soluciones intenta que la perdida de información caiga en una de cuatro categorías cada una de las cuales tienen sus pros y contras.
1. La información es liberada al principio. La información comienza a salir justo cuando el agujero alcanza la masa de Planck. Esta es una opción popular actualmente. Esto, no esta claro, sin embargo, como la información debería estar codificada en la radiación, y como es la conclusión de los cálculos de Hawking habían evadido.
Los beneficios de esta solución es su compatibilidad con lo que conocemos acerca de la termodinámica de los agujeros negros. La desventaja es que, para este trabajo, algún tipo de no localidad- la acción fantasma a distancia- parece inevitable. Peor aun, esto ha sido recientemente establecido, si la información es liberada temprano, entonces los agujeros negros estarán rodeados por una barrera de energía: una “pared de fuego.” Si una pared de fuego existe, esto implicaría que el principio de equivalencia, en el cual se basa la relatividad general sera violado. Esto es poco atractivo.
2. La información es guardada y liberada después. En este caso, la información permanece hasta que los efectos de la gravitación cuántica llega a ser fuerte, cuando el agujero negro alcanza la masa de Planck. La información es liberada junto con la energía remanente o solo mantenida para siempre con el remanente.
El beneficio de esta opción es que no requiere modificar ni la relatividad general o la teoría cuántica, en los dominios donde ellas rigen y donde deseamos mantenerlas. Ellas colapsan exactamente donde ellas se esperan que colapsen: cuando la curvatura del espacio tiempo llega a ser muy grande. Las desventajas que algunos argumentan es que lleva a otra paradoja, la posibilidad de producir infinitos pares de agujeros negros en trasfondo débil: por ejemplo, alrededor de nosotros. El soporte teórico para este argumento es débil pero es aun ampliamente utilizado.
3. La información es destruida. Los que apoyan esta aproximación solo aceptan que la información esta perdida cuando cae en el agujero negro. Esta opción fue aceptada aunque implica violaciones de la conservación de la energía y por ello causa otra inconsistencia. En años recientes, sin embargo, nuevos argumentos han salido a la superficie, según los cuales la energía podría ser conservada junto con la información perdida, y esta opción por ello parece poco aceptada . Aun es una solución popular.
Sin embargo, como la primera opción, solo hay que decir que no se cree que busque una solución. Y al hacer su trabajo requiriría una modificación de la teoría cuántica. Esta podría ser una modificación que no lleve a un conflicto con ninguno de nuestros experimentos que comprueban la mecánica cuántica. Esto es difícil de hacer.
4. No hay un agujero negro. Un agujero negro nunca se ha formado o la información nunca cruza el horizonte. Esta solución intenta aparecer de pronto ahora y entonces, pero nunca ha tenido aceptación. La ventaja es que evita las conclusiones de los cálculos de Hawkings. El inconveniente es que requiere grandes desviaciones de la teoría general de la relatividad en los dominios de las pequeñas curvaturas, y por ello es difícil hacerla compatible con precisión en ensayos con la gravedad.
Hay unas pocas soluciones propuestas adicionales que no caen entre esta categorías, Pero no puedo intentar revisarlas todas aquí! De hecho no existe una buena revisión acerca de este tópico – probablemente debido a que compilar una es terrible. La literatura es vasta. La información perdida en un agujero negro es sin duda la paradoja mas debatida.
Y esto tiende a permanecer así. La temperatura de los agujeros negros de lo que podemos observar es desde lejos demasiado baja para ser observable. De aquí en el futuro previsible nadie va a medir lo que sucede a la información que cruza el horizonte de eventos. Permítaseme hacer una predicción. En los siguientes diez años el problema estará sin resolver.