La esencia del problema que formuló Hawking es la siguiente: durante la formación y posterior descomposición de los agujeros negros, se pierde información sobre su composición detallada.

Desplazamiento infrarrojo

Para explicar la esencia de la paradoja, considere las ondas electromagnéticas. Vienen en diferentes frecuencias, y las frecuencias más bajas corresponden a ondas de radio. Si aumenta la frecuencia, ya será radiación infrarroja. Luego obtenemos las ondas del espectro visible (luz). Más allá del espectro visible habrá radiación ultravioleta, ondas de rayos X y, finalmente, radiación gamma.

Si colocamos una fuente de radiación a cierta distancia de cualquier objeto espacial masivo y monitoreamos la luz emitida por él a una gran distancia del centro de gravedad, entonces veremos el llamado desplazamiento infrarrojo. La frecuencia de radiación observada lejos del cuerpo gravitante será ligeramente menor que la emitida en sus proximidades. Esto se debe a que la energía de los fotones (ondas electromagnéticas) es directamente proporcional a su frecuencia. El fotón, al superar la atracción gravitacional, hace el trabajo, respectivamente, pierde energía, por lo que su frecuencia disminuye.

Para un cuerpo como la Tierra, este efecto es bastante débil, pero medible. Sin embargo, por ejemplo, para una estrella de neutrones, la magnitud del desplazamiento infrarrojo puede ser bastante grande. A su vez, para un agujero negro, este fenómeno alcanza su extremo en el siguiente sentido. El hecho es que un agujero negro tiene un llamado horizonte de eventos: la superficie desde la cual cualquier radiación sufre un cambio infrarrojo infinito. Es decir, si la fuente de radiación se encuentra directamente en el horizonte, entonces verá que el campo creado por él no cambia en el tiempo: no hay radiación, sin importar qué tan lejos esté del horizonte. El horizonte es solo esa superficie desde la cual la luz (o cualquier onda) no puede volar.

"La ausencia de teorema del cabello"

Los agujeros negros están dispuestos de modo que crean campos exclusivamente estacionarios, incluso si giran alrededor de su eje (siempre que su centro de masa esté en reposo). Los campos gravitacionales y electromagnéticos creados por ellos no cambiarán con el tiempo. Esta declaración se llama el teorema de la pérdida del cabello del agujero negro. Para las estrellas, esto no es así: pueden crear a su alrededor, por ejemplo, campos magnéticos que varían en el tiempo, incluso si su centro de gravedad está en reposo. Esto se debe al hecho de que las cargas dentro de la estrella hacen varios movimientos, creando radiación. Pero un agujero negro no crea nada de este tipo, incluso si se produce un terrible movimiento de cargas bajo su horizonte.

Pongamos un experimento mental: digamos, tenemos dos nubes de partículas, una consiste únicamente en protones y antiprotones, y la segunda consiste en neutrones. Algo comenzó en algún momento a comprimir estas nubes. Si sus masas y momentos de rotación fueran los mismos, entonces como resultado obtenemos dos agujeros negros que son absolutamente indistinguibles entre sí.

Radiación Hawking

Stephen Hawking a principios de la década de 1970 demostró que un agujero negro debería emitir radiación, pero tiene una naturaleza fundamentalmente diferente en comparación con la radiación clásica de la que hablamos anteriormente. La radiación discutida anteriormente tiene fuentes, a saber, cargas móviles y masas. Y la radiación de Hawking, se podría decir, no tiene fuente: no es el resultado de ningún movimiento de cargas. Esta radiación surge como resultado de cambios en las propiedades del vacío (amplificación / amplificación de vibraciones de punto cero) debido al colapso de la materia en un agujero negro. Además, si las cargas y las masas dan lugar solo a ondas electromagnéticas y gravitacionales, como resultado de la radiación cuántica de Hawking, puede nacer electrones, positrones, protones y otras partículas.

Entonces, los agujeros negros comienzan a dar lugar a varias partículas en su vecindario. Esta radiación tiene una serie de propiedades características. En primer lugar, es estacionario, es decir, cambia muy lentamente en el tiempo si el agujero negro es lo suficientemente pesado y pierde lentamente su masa, dando lugar a partículas. Además, la radiación de Hawking tiene un espectro térmico. Es decir, un agujero negro se irradia como una fuente regular calentada a cierta temperatura; la forma de dicho espectro se caracteriza exclusivamente por el valor de la temperatura.

Una característica importante del espectro de temperatura es que todas las características de las partículas, excepto la masa y la carga, se emiten con la misma probabilidad. En términos generales, por ejemplo, cualquier partícula neutra y fotón con la misma energía se emiten con la misma probabilidad.

Paradoja

Ahora estamos listos para formular cuál es la paradoja de la información. Imagine que tiene dos nubes que nos son familiares, una de las cuales consiste en protones y antiprotones, y la otra de neutrones. Imagine que algo se formó a partir de ellas dos estrellas: protones y neutrones. Y luego, estas estrellas, como resultado de su quema, irradiaron una parte de su masa, y algo permaneció en forma de una bola fría. Teóricamente, a partir de los restos de la evolución de las estrellas, podemos rastrear la historia de cada partícula elemental que era parte de las nubes. Por supuesto, técnicamente esta es una tarea increíblemente difícil, pero esto es solo una cuestión de posibilidad de principio. La diferencia en el caso de los agujeros negros es que, en primer lugar, parece que no podemos distinguir entre dos agujeros negros: protones y neutrones, como se explicó anteriormente. En segundo lugarLa radiación térmica sin fuentes no contiene información detallada sobre la composición del agujero negro. Por lo tanto, de acuerdo con los restos de la evolución de los agujeros negros, incluso si su masa se ha convertido completamente en radiación, parecería, en principio, incapaz de restaurar su origen.

¿Por qué es esto paradójico? El hecho es que el poder de la ciencia reside en su poder predictivo. La ciencia puede predecir que si lo haces así, obtendrás tal y tal resultado con tal y tal probabilidad y tal y tal precisión, y expresarás esta afirmación cuantitativamente. Y cualquier otro científico puede verificar este o aquel experimento. Resulta que si se pierde información, entonces, en presencia de un agujero negro, todo esto resulta ser incorrecto. Matemáticamente, esto se expresa en el hecho de que la probabilidad total de algunos procesos puede resultar desigual a la unidad, incluso mayor que la unidad.

Crítica de la paradoja

Sin embargo, todo lo anterior se basó en algún tipo de razonamiento cualitativo. Todos ellos requieren confirmación computacional formal. Estas confirmaciones computacionales de la paradoja se formulan con un grado de gravedad tan bajo y con tantos supuestos crudos que con el mismo grado de severidad puede ser refutada. Otra cosa es que muchos detalles de los diferentes procesos que ocurren en presencia de agujeros negros siguen sin estar claros. Y para esa parte de la comunidad científica que cree que hay una paradoja, su solución es una luz guía para comprender la naturaleza de los agujeros negros. A menudo sucede en la ciencia que hay diferentes puntos de vista con respecto a un tema aún poco comprendido.

Emil Akhmedov, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, Investigador líder en el Instituto de Física Teórica y Experimental A. I. Alikhanov, Profesor Asociado, Departamento de Física Teórica, Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Profesor Asociado, Departamento de Matemáticas, Escuela Superior de Economía.

La paradoja de Hawking

Desplazamiento infrarrojo

"La ausencia de teorema del cabello"

Radiación Hawking

Paradoja

Crítica de la paradoja

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