Agujeros negros y muros académicos.

Caer en un agujero negro solía ser simple: no notarías nada. ¿Pero puede aparecer un muro en tu camino?

Según Einstein, no notarías el momento de cruzar el horizonte de eventos de un agujero negro. Pero ahora los investigadores están demostrando que un muro de fuego (o ladrillo) puede aparecer en su camino. ¿Se han vuelto todos locos a la vez?



Tl; dr: Sí.

A veces es muy difícil entender por qué alguien perderá el tiempo resolviendo un problema académico como perder información en un agujero negro. Y esto lo digo, después de haber pasado la mayor parte de la década pasada pensando en los agujeros negros. ¿Los físicos no tienen nada más que hacer en un mundo que sufre guerras y enfermedades, o al menos errores gramaticales? ¿Qué motiva a estos investigadores, además de la esperanza de aparecer en los titulares gracias al rompecabezas de 40 años?



Muchos físicos de hoy están trabajando en temas como la pérdida de información en los agujeros negros que parecen divorciados de la realidad. Los agujeros negros podrán destruir la información después de la evaporación completa, y esto no sucederá en los próximos 100 mil millones de años. Lo que impulsa a estos científicos no es la aplicación práctica de sus ideas, sino la comprensión de que hoy alguien debe allanar el camino para la ciencia, que será necesaria en cien, mil o diez mil años. Y al leer los titulares de las noticias que describen el desorden que está ocurriendo, creo que la pureza sobrenatural de este argumento y la lógica inevitable que conduce a la paradoja solo le agregan peso.

Y puedo dejarme llevar con rompecabezas de alambre.



Si la pérdida de información en los agujeros negros es un detective espacial, entonces la teoría cuántica es una víctima. Stephen Hawking demostró a principios de la década de 1970 que la combinación de la teoría cuántica con la gravedad nos da radiación térmica de los agujeros negros. Esta "radiación de Hawking" consiste en partículas que no contienen ninguna otra información que no sea la temperatura. Y cuando el agujero negro se evapora por completo, toda la información sobre lo que cayó en él se destruye. Pero tal destrucción de información es incompatible con la teoría cuántica misma, utilizada para probar esta conclusión. En la teoría cuántica, todos los procesos son reversibles en el tiempo, pero la evaporación de un agujero negro, aparentemente, es irreversible.

Y este es un rompecabezas serio para los físicos, porque muestra que la gravedad y la teoría cuántica no quieren combinarse. Explicar el problema, apelando a la teoría desconocida de la gravedad cuántica, también falló. La radiación de Hawking no es un proceso gravitacional cuántico, y aunque la gravedad cuántica en algún momento se vuelve importante en las etapas finales de la evaporación del agujero negro, se argumenta que para entonces es demasiado tarde para extraer toda la información.



La situación cambió dramáticamente a fines de la década de 1990, cuando Maldacena sugirió que ciertas teorías de la gravedad son equivalentes a las teorías de calibre. Esta famosa "correspondencia de calibre y gravedad" se descubrió en la teoría de cuerdas, y aunque no se ha demostrado matemáticamente, elimina el problema de la pérdida de información en un agujero negro, porque no importa lo que ocurra durante la evaporación de un agujero negro, se describe de manera equivalente en la teoría del calibre. Una teoría de indicadores no mata información y, por lo tanto, no hay problema.

Aunque la conformidad de la calibración y la gravedad convenció a muchos, incluido el propio Stephen Hawking, de que los agujeros negros no destruyen la información, no arrojó luz sobre cómo escapa exactamente la información de un agujero negro. La investigación continuó, pero la complacencia se extendió entre los físicos teóricos. La teoría de cuerdas parece haber resuelto la paradoja, y solo es cuestión de tiempo antes de que comprendamos sus detalles.



Pero todo salió mal. En cambio, en 2012, un grupo de físicos, Almheiri, Marolf, Polchinski y Sally (Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully - AMPS) mostraron que esta "decisión" era contradictoria. Mostraron que los cuatro supuestos, cuya exactitud creen la mayoría de los teóricos de cuerdas, no pueden cumplirse simultáneamente. Estos son los supuestos:

1. Los agujeros negros no destruyen la información.
2. .
3. , , .
4. , , .

La segunda suposición reformula la afirmación de que la radiación de Hawking no es el efecto de la gravedad cuántica. Tercero, la derivación de microestados de agujeros negros en la teoría de cuerdas a partir de cálculos. Cuarto: el principio de equivalencia de Einstein. En resumen, AMPS dice que uno de estos supuestos es incorrecto. Uno de los testigos está mintiendo, pero ¿quién exactamente?

En su trabajo, AMPS sugirió, quizás no muy en serio, abandonar la suposición menos disputada: la cuarta. Si abandonas el número 4, los otros tres conducirán al hecho de que un observador que cae en un agujero negro tropieza con un "muro de fuego" y se quema al infierno. Sin embargo, el principio de equivalencia es el dogma de la relatividad general, y solo puede abandonarse como último recurso.



Para un observador no iniciado, parece obvio que el tercer testigo está mintiendo. A diferencia de otros supuestos que se derivan de teorías ya conocidas y con gran precisión, el número 3 se sigue de no verificado. Entonces, si desechamos una de las suposiciones, entonces quizás esta sea la suposición de que la teoría de cuerdas es correcta sobre el contenido de los agujeros negros. Pero esta posibilidad, por supuesto, no es muy popular entre los teóricos de cuerdas.

En unos pocos meses, la sección arxiv de la física teórica de alta energía estaba repleta de intentos de conciliar estos supuestos. Se propusieron absolutamente todas las soluciones, desde la adopción de la teoría del muro de fuego hasta los experimentos de pensamiento multiverso y complejo, demostrando que un observador que cae en un agujero negro no se daría cuenta de que ardería. Sí, aquí tienes física moderna.

También contribuí a esta discusión. Encontré a todos los testigos convincentes, ninguno de ellos dio la impresión de ser un mentiroso. Al aceptar esto, me di cuenta de que su aparente incompatibilidad provenía de la quinta suposición no anunciada utilizada en la prueba. Así como los testimonios aparentemente contradictorios pueden tener sentido de repente cuando te das cuenta de que la víctima no fue asesinada donde encontraste el cuerpo, estas cuatro declaraciones tienen sentido cuando no necesitas guardar información de una manera determinada (de modo que sea final la condición no será "típica"). En cambio, el requisito de conservación de energía local cerca del horizonte de eventos hace que el muro de fuego sea imposible, y al mismo tiempo muestra cómo exactamente la evaporación de un agujero negro sigue siendo compatible con la teoría cuántica.



Me parece que a nadie le gustó mi trabajo. Quizás debido al hecho de que tiene una imagen incomprensible. O debido a la conclusión de que en algún lugar cerca del horizonte de eventos hay un límite que cambia la teoría cuántica, y que es invisible para cualquier observador que esté cerca de un agujero negro. Los efectos producidos por este límite se pueden medir, pero solo a una gran distancia.

Y aunque mi suposición resolvió el rompecabezas con un muro cortafuegos, no resolvió el problema de la pérdida de información en un agujero negro. Mencioné en una nota que, en principio, puede usar este límite para transmitir información a la radiación saliente, pero aún así no explicaría cómo la información alcanza este límite en absoluto.

Después de la publicación del trabajo, nuevamente prometí no pensar más en la evaporación del agujero negro. Pero la semana pasada apareció una preimpresión de 't Hooft en arxiv. Esta es una de las primeras personas en jugar con la termodinámica de un agujero negro, y en su nuevo trabajo, 't Hooft sugiere que el horizonte de eventos del agujero negro funciona como un borde que refleja información: una “pared de ladrillos” como lo describe New Scientist. La idea se inspiró en la reciente suposición de Steven Hawking de que la mayor parte de la información que cae en un agujero negro se almacena en el horizonte. Si es así, y puede darle al horizonte la oportunidad de trabajar, entonces la información nuevamente podrá salir del agujero negro.

Por supuesto, no creo que los ladrillos sean una gran mejora sobre el fuego, y estoy seguro de que esta idea no despegará. Pero después de toda esta confusión, puede ayudarnos a comprender mejor cómo interactúa exactamente el horizonte con la radiación de Hawking y cómo logra codificar la información en él.

Avance rápido mil años. Allí estamos esperando la teoría de la gravedad cuántica, que nos permite comprender el comportamiento del espacio y el tiempo a las distancias más cortas y, como muchos esperan, la fuente de la teoría cuántica, o incluso la materia. El progreso es pequeños pasos, y a veces la historia nos lleva en círculos, pero los físicos están respaldados por el conocimiento de que las soluciones deben existir y que se atrapará un asesino de información. No hay ningún truco en leer la última página del libro, aún no se ha escrito.

Source: https://habr.com/ru/post/es397067/