Agujeros negros: ¿las papeleras de reciclaje del Universo?
COSMOS
Out of the blue an into the black.
Neil Young
Am i sitting in a tin can, far above the world
Planet Earth is blue, and there´s nothing i can do.
David Bowie
Hace unos días, después de leer hasta la madrugada sobre agujeros negros, tuve un sueño muy extraño. Soñé que me encontraba prisionero en una gran nave espacial que se dirigía al centro de la Vía Láctea, específicamente al agujero negro Sagitario A*. El capitán de la nave quería charlar conmigo. Buenas noticias, pensé. Después de hablar con él, el terror se apoderó de mí. El objetivo de la nave era estudiar los efectos de la gravedad producida por agujeros negros en seres humanos vivos y, desgraciadamente, yo era el conejillo de Indias. A pesar de mis desesperados intentos por escapar, terminé siendo llevado al interior de una pequeña cápsula de titanio que sería lanzada, siguiendo una órbita en espiral. El propósito de la cápsula era mantenerme vivo y mandar todos mis signos vitales a la nave. Justo antes de ser lanzado al agujero negro, en medio de mis gritos de desesperación, desperté [1]. Respiraba agitadamente y sudaba frío.
¿Por qué tanto miedo?, tal vez alguien se lo pregunte. Los agujeros negros podrían, fácilmente, ser la representación real del negro de la nada. Estos objetos celestes son regiones del espacio y del tiempo en donde la gravedad es tan fuerte que nada, absolutamente nada, puede escapar de ellos. Si se me arrojaba a su interior, “desaparecería” para siempre. Las cosas son aún peores. Si fuese lanzado al centro del agujero negro siguiendo una órbita espiral, como planeaban hacer los verdugos en mi pesadilla, mi cuerpo sería desgarrado debido a dos fuerzas: la fuerza centrífuga, que jalaría de mí hacia fuera del centro del agujero negro, debido al movimiento en espiral, y la fuerza de gravedad del agujero negro que jalaría de mí hacia su centro. Harían de mí un espagueti, es decir, se jalarían con tal fuerza las partes del cuerpo más cercanas a él que me estiraría, literalmente, hasta quedar como la masa de una pasta y después me rasgaría en mil pedazos. Así que además de morir, lo haría dolorosamente.
La pesadilla había pasado, pero me dejó una gran curiosidad acerca de este fenómeno. En particular me preguntaba qué le sucede a la información (o, en otras palabras, a la energía) que cae dentro de los agujeros negros, y cómo se reconcilia esto con la conservación de la información (para saber más, los invito a leer mi artículo Fantasmas informáticos: olvido, memoria y ¿física?). Está claro que todo lo que cae en un agujero negro queda atrapado en él, así que la respuesta más sencilla (o la que podría deducirse) es que la información se queda almacenada en su interior. Sin embargo, a pesar de la inmensa capacidad de absorber cualquier objeto, incluidas estrellas enormes, los agujeros negros no pueden tragar tanta información ni energía como quieran. Hay un límite para la cantidad de información (o energía) que una región o volumen del espacio puede almacenar. Como los agujeros negros son regiones del espacio, si se alcanza ese límite ya no podrán tragar nada más a menos que aumenten su tamaño. Y eso es lo que pasa siempre. La información que cae queda almacenada en su interior; aun si llegara a su límite de almacenamiento, el agujero negro podría seguir devorando información siempre y cuando aumente de tamaño [2]. Entonces la información no desaparece ni nada por el estilo, sólo se encuentra atrapada y, aunque en la práctica dicha información no es accesible para nadie, teóricamente puede recuperarse. ¡Exacto, como en una papelera de reciclaje! De tal suerte se cumple el principio de la conservación de la información.
La paradoja de la información del agujero negro
Todo lo anterior explicaba lo que le sucede a la información tragada o almacenada en un agujero negro. Sin embargo, en 1974, Stephen Hawking descubrió que los agujeros negros se están evaporando. Sí, se evaporan, aunque lo hacen a un ritmo extremadamente lento, tan es así que para poder observar la evaporación total de uno de ellos tendrían que pasar millones y millones y millones de años (peor aún, a la fecha, de los muchísimos agujeros negros que existen, ninguno está reduciendo su tamaño, por el contrario, todos están creciendo; esto se debe a las grandes cantidades de energía del cosmos, la cual es absorbida por los agujeros negros a un ritmo mucho mayor al ritmo con el que la pierden). La cuestión es que las partículas que se emiten como resultado de la evaporación, parecen no tener ninguna relación con la información almacenada dentro de él, es decir, pareciera que en efecto la información es borrada completamente de la faz del universo. El problema en sí radica en el hecho de que la radiación que es emitida por el agujero negro no depende de cómo fue creado, o sea, dos agujeros negros creados en lugares y momentos muy diferentes podrían terminar emitiendo exactamente los mismos vapores. Es como si dos niños, hijos de diferentes padres, nacidos en lugares y momentos diferentes, terminarán siendo idénticos, tanto mental como biológicamente, en alguna etapa de su vida; como si de alguna forma la información relacionada a sus padres y los distintos ambientes en los que crecieron desapareciera y los dos niños terminaran siendo clones. Lo anterior, no obstante, viola el principio de conservación de la información y representa un problema muy grande para la física, pues muchas de sus teorías se basan en este principio [3] (la mecánica cuántica quizá sea una de las más conocidas, y está basada en la conservación de la información a nivel microscópico). Este problema sacudió a la comunidad científica de tal modo que se le dio el nombre de “la paradoja de la información del agujero negro” o, simplemente, “la paradoja de la información”.
A ver, la información que contiene un agujero negro, ¿es borrada completamente? Y si no, ¿a dónde va? Antes de responder, conviene aclarar lo que entendemos por información, al menos en un nivel microscópico. En la vida diaria, cuando hablamos de ella, nos referimos a las características que determinan a un objeto a simple vista, esto es, nos dice si una manzana es roja, redondeada y brillante. En física, cuando hablamos de información en un nivel microscópico, nos referimos a las propiedades y características de todos los átomos que constituyen un objeto. En el caso de la manzana, la información microscópica nos daría acceso a las propiedades –como la posición y la velocidad– de todas y cada una de las partículas que la forman [1]. Recordemos que la información no puede desaparecer simplemente, al menos no desaparece lejos de los agujeros negros, así que aunque destruyéramos la manzana (o cualquier otro objeto) quemándola o triturándola, teóricamente podemos reconstruirla pues, según las leyes conocidas de la física, no hay nada que lo impida [4]. Así, si uno lanza una manzana a un agujero negro, éste aumentará su masa, una cantidad igual a la masa de la manzana, y luego emitirá radiación, que es resultado de la evaporización del agujero negro. Si la radiación emitida contuviera de alguna manera la información de la manzana, no habría ningún problema, tendría sentido y la conservación de la información sería válida para los agujeros negros. Desafortunadamente, hasta hace muy poco, los cálculos teóricos de los científicos sugerían que dicha radiación no tenía ninguna relación con la información dentro del agujero negro. Es decir, la información de la manzana (o cualquier otro objeto) que hipotéticamente lanzamos al agujero negro sería borrada, “desaparecería” de la faz del universo, por lo que teóricamente nos es imposible reconstruirla (yo habría sufrido el mismo destino de haber terminado dentro de un agujero negro en mi sueño). Esto es muy interesante y problemático desde el punto de vista de la física, pues si fuera cierto implicaría que las leyes físicas hasta ahora conocidas no se cumplen en lugares donde la gravedad es enorme, lo que, a su vez, nos diría que hay nuevas leyes esperando a ser descubiertas.
Al tratar de responder si los agujeros negros en realidad eliminan completa e ineludiblemente la información que absorben, los científicos se dividen en dos grupos: quienes creen que la información sí fue borrada y quienes creen que no. Para saber cuál de los grupos tiene la razón, sólo se debe averiguar si la información puede o no escapar de un agujero negro. A pesar de que la pregunta parece sencilla, responderla tomó alrededor de 30 años. Después de arduos y laboriosos cálculos matemáticos[5], parece que los científicos lograron encontrar que la información sí puede escaparse de los agujeros negros, lo que demuestra que el principio de conservación de la información es correcto [2]. La conclusión fue que la información en el interior del agujero negro está conectada con la radiación y el vapor que sale de él. Esta conexión permite que la información se escape del agujero negro y se codifique –de una forma aún desconocida– a la radiación y al vapor despedidos por él [6]. Incluso algunos científicos afirman que esto es posible gracias a la existencia de agujeros de gusano que conectan el interior del agujero negro con la radiación y los vapores en el exterior, pero ésa es harina de otro costal y lo veremos en el próximo artículo. Por ahora, basta decir que si los nuevos cálculos son correctos, nos encontramos a un paso más cerca de resolver la paradoja de la información.
Papeleras de reciclaje cósmicas
Pues si la lumbre que está en ti es oscuridad, la oscuridad, ¿cuánta será?
“¿Cuánta será la oscuridad?”, José Revueltas
Aun si los cálculos fueran correctos y la información de los agujeros negros se filtrara al exterior por medio de la radiación y los vapores emitidos por éstos (o por medio de agujeros de gusano, como algunos creen), no conocemos a ciencia cierta cuál es el proceso por el que la información escapa del agujero negro. Todo lo que sabemos es que sale de él. ¿Uno podría lanzar hacia él información de la que se quiere deshacer y recuperarla cuando quisiera? Si le preguntásemos a los físicos si esto es posible responderían con confianza [2]: “Claro que es posible”. Pero si les preguntásemos cómo, seguramente contestarían: “Ni idea”.
Y bien, si hubiera caído dentro del agujero negro en mi pesadilla, no estaría completamente acabado, o no de la forma que imaginaba. En su lugar, al menos la información de lo que fui se volvería una especie de fantasma que vagaría entre el interior y el exterior del agujero negro, con la esperanza de liberarse de la oscura prisión gravitacional al paso de millones y millones y millones de años.
Referencias
[1] Hawking’s black hole paradox explained – Fabio Pacucci
[2] The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End
Para saber más
- Kip s. Thorne, Black holes and time warps. Einstein’s outrageous legacy. 1994. W. W. Norton & Company.
- Stephen Hawking
[1] El sueño está inspirado en el prólogo del libro Black holes and time warps. Einstein’s outrageous legacy de Kip S. Thorne.
[2] Esto nos hace pensar que los agujeros negros continúan creciendo sin límite indefinidamente. Contrario a lo que parece, el crecimiento de los agujeros negros sí está limitado. Esto se debe a que la cantidad de energía del universo no es inagotable, si hipotéticamente un agujero negro fuera capaz de absorber toda la energía del Universo este alcanzaría su tamaño máximo y no podría crecer más allá de ese límite pues no quedaría nada más que devorar. Además, como veremos más adelante, los agujeros negros también pierden energía al evaporarse, por lo tanto su tamaño se reduce debido a esto, aunque lo hace en cantidades extremadamente pequeñas.
[3] Esto realmente es un problema para la física, pues la física actual se basa en la suposición de que si se tiene toda la información o conocimiento de un sistema, el comportamiento del sistema en el futuro y su comportamiento en el pasado se podría conocer al resolver las ecuaciones dictadas por la teoría adecuada. Si dos agujeros negros diferentes terminaran emitiendo exactamente los mismos vapores, implicaría que lo anterior no es cierto y se necesitaría replantear toda la física conocida.
[4] Teóricamente es posible, lo que de ninguna manera garantiza que se posible en la práctica. De hecho, reconstruir un objeto a partir de su “fantasma informático” es tan absurdo como hacer que un huevo cocinado vuelva a la forma que tenía cuando estaba crudo.
[5] La teoría de campos superconformes y la supergravedad son algunos ejemplos de estas teorías matemáticas.
[6] Tenemos que decir que la complejidad de los cálculos matemáticos es tal que su interpretación es bastante difícil y, como muchos científicos creen, bien puede ser que la interpretación que resuelve la paradoja de la información sea un error. Sólo el tiempo dirá quién tiene razón.
Vórtice, enero-mayo 2021 es una publicación trimestral digital editada por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), a través de la Dirección de Publicaciones y Divulgación, Edificio 59 (Facultad de Artes), Campus Norte. Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, CP 62209, Cuernavaca, Morelos, México. Teléfono +52 777 329 7000, ext. 3815. Correo: revistavortice@uaem.mx. Editora responsable: Jade Gutiérrez Hardt. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2014-070112203700-203, ISSN 2395-8871, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor.
Responsable de la última actualización de este número: Roberto Abad, Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, CP 62209.
Vórtice está incluida en el Índice de Revistas Mexicanas de Divulgación Científica y Tecnológica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt). Publica artículos de divulgación relacionados con las ciencias y las humanidades, y textos breves que transmitan el gusto por el conocimiento científico. El contenido de los artículos es responsabilidad de cada autor. Esta revista proporciona acceso abierto inmediato a su contenido, con base en el principio de ofrecer al público un acceso libre a las investigaciones para contribuir a un mayor intercambio global de conocimientos. Se distribuye bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional License.
