[ Esta publicación es una traducción de un artículo de Sabina Hossenfelder ]La
"Breve historia del tiempo" de Stephen Hawking fue uno de los primeros libros de no ficción que leí, y lo odié. Lo odiaba porque no lo entendía. La frustración de este libro se convirtió en una de las principales razones por las que me convertí en físico, bueno, al menos sé a quién culpar.
Nota traducción: Agregué enlaces y algunas ilustraciones, y también eliminé una parte del texto que no era particularmente relevante para el caso (el lugar se anota en el texto).
La publicación original no puede presumir de una estructura narrativa ideal que no cambié. Pero el problema es muy importante y relevante, y por su discusión y explicación a Sabina uno puede perdonar los errores de estilo.
La publicación puede considerarse un comentario extenso sobre la publicación reciente de la traducción de Ethan.
Dejé de odiar este libro; debo admitir que, con la sugerencia de Hawking, se encendió el interés del público en general en los problemas fundamentales de la física (relacionados con los agujeros negros). Pero de vez en cuando todavía quiero llegar al maldito libro. No porque no la entienda, sino porque ella ha convencido a tanta gente de que la entienden.
En este libro, Hawking pintó una imagen elegante de la evaporación de los agujeros negros, que ahora se usa en todas partes. En su opinión, los agujeros negros se evaporan, porque los pares de partículas virtuales que surgen cerca del horizonte son desgarrados por las fuerzas de marea. Una de las partículas aparece más allá del horizonte de eventos, cae en un agujero negro y la segunda sale volando. Como resultado, un agujero negro emite constantemente partículas en el horizonte de eventos. Es simple, es intuitivo y es completamente falso.
Tal explicación es una ilustración simple, no más. En realidad, no te sorprenderá, la situación es más complicada.
Los pares de partículas, en la medida en que tiene sentido hablar de partículas en física cuántica, no están localizados en el espacio. Están "manchados" sobre una región del espacio comparable al radio de un agujero negro (
aprox. Trans. Similar a cómo un electrón no se mueve en una órbita específica alrededor del núcleo de un átomo, estando en algún punto sobre él, sino que está "manchado" alrededor del núcleo ). Los pares de partículas no aparecen como puntos, sino como nubes, borrosas en todas partes alrededor del agujero negro, y solo se separan a distancias comparables al radio del agujero negro. La imagen que Hawking pintó para no especialistas no es compatible con ninguna matemática. Hay un elemento de verdad en él, pero no debe tomarse demasiado en serio: puede convertirse en una fuente de muchos conceptos erróneos.
El hecho de que la explicación de Hawking no sea precisa no es nuevo: desde principios de los años 70 se sabe que la radiación de Hawking no se produce en el horizonte. Ya en el
libro de texto de Birrell y Davis (1984) está claramente escrito que si asumimos la ocurrencia de radiación en el horizonte y consideramos el proceso de radiación en la dirección opuesta en el tiempo: rastrear partículas que se acercan al horizonte de eventos desde lejos y aumentar la frecuencia ("
desplazamiento azul "), Esto no dará una descripción correcta del área cerca del horizonte de eventos. El enfoque correcto sería diferente: las partículas del par de Hawking al nacer están "manchadas" y mezcladas entre sí, de modo que podemos hablar de ellas como "partículas" solo en el sentido local (
nos referimos al sistema de coordenadas local desde el punto de vista de GR, aprox. . ). Además, uno debe considerar honestamente las cantidades observables, como el tensor momento-momento.
La suposición de la aparición de pares a una cierta distancia del horizonte de eventos fue necesaria para resolver el enigma de que los físicos quedaron perplejos en los años 70-80. La temperatura de radiación de un agujero negro es muy baja cuando se ve desde la distancia. Pero para que esta radiación escape de la atracción del agujero negro, inicialmente debe poseer una enorme energía cerca del horizonte. Y luego, un observador que cayera en un agujero negro se convertiría en cenizas, atravesando un área con tanta energía. Esto a su vez viola el
principio de equivalencia , según el cual un observador que cae en un agujero negro no debería notar nada inusual al cruzar el horizonte.
Para resolver este problema, se debe tener en cuenta que no se puede considerar que la radiación provenga del horizonte mismo. Si calculamos honestamente
el tensor de energía-momento cerca del horizonte, resulta que es lo suficientemente pequeño y lo sigue siendo cuando se cruza el horizonte. De hecho, es tan pequeño que un observador que cae puede notar la diferencia con el espacio plano solo a distancias comparables al radio de un agujero negro (que también es el tamaño de la curvatura espacio-tiempo). Entonces todo converge, y no surge ninguna violación del principio de equivalencia.
[Sé que todo esto suena como el
problema del
firewall que
discutí anteriormente, pero este es un efecto ligeramente diferente.
(Nota: el problema del cortafuegos surge si consideramos el enredo entre la partícula emitida y la que cayó en un agujero negro. Para satisfacer los principios de la mecánica cuántica, estas correlaciones deben destruirse. Cuando se destruyen las correlaciones, se libera una gran energía que crea una "pared de fuego" en el horizonte). Esto causa varios problemas cuando se computa cerca del horizonte. La idea de un cortafuegos puede criticarse sobre la base de que el tensor de impulso de energía no se calculó en el
artículo original sobre un cortafuegos . A diferencia de
otros, no creo que el problema sea este.]
La verdadera razón, respaldada por los cálculos, es que las partículas son emitidas por los agujeros negros porque el concepto de una partícula es diferente para diferentes observadores.
Estamos acostumbrados al hecho de que la partícula se encuentra con nosotros o no. Sin embargo, esto es cierto siempre que nos movamos uniformemente uno con respecto al otro. Si el observador (nosotros) acelera, la definición misma de una partícula para él cambia. Lo que parece un vacío vacío para un observador con movimiento uniforme se llena de partículas durante la aceleración.
Este efecto lleva el nombre de
Bill Unruh , quien lo propuso casi simultáneamente con la hipótesis de Hawking de la radiación del agujero negro. El efecto en sí es demasiado pequeño para nuestras aceleraciones habituales, y nunca lo notamos.
El efecto Unruh está estrechamente relacionado con el efecto de evaporación del agujero negro de Hawking. Cuando surgen los agujeros negros, la materia que se colapsa en un agujero negro crea un espacio-tiempo dinámico, lo que conduce a una aceleración entre los observadores en el pasado y en el futuro. Como resultado, el espacio-tiempo alrededor del colapso de la materia, que no contenía partículas antes de la aparición del agujero negro, se llena de radiación térmica en las últimas etapas del colapso. Es decir, la radiación de Hawking es el mismo vacío que originalmente rodeaba la sustancia colapsante (
aproximadamente. Exactamente como en el efecto Unruh, el vacío se llena de radiación cuando el observador acelera ).
Esta es la fuente de radiación del agujero negro: la definición misma de una partícula depende del observador. No es tan simple como una imagen de Hawking, pero es mucho más precisa.
La imagen de Hawking de pares de partículas-antipartículas en el horizonte se ha vuelto tan increíblemente popular que incluso algunos físicos ahora creen que esto es exactamente lo que sucede (
Nota : por la
publicación de Sabina, yo mismo lo pensé para mi vergüenza ). El hecho de que el cambio azul de la radiación cuando se considera su propagación en el tiempo desde el infinito hasta el horizonte proporciona tanta energía en el horizonte se ha perdido en la literatura. Desafortunadamente, el malentendido de la conexión entre el flujo de partículas de Hawking lejos del BH y cerca del horizonte de eventos lleva a la conclusión incorrecta de que este flujo es mucho más fuerte de lo que realmente es. Por ejemplo, esto
llevó a Mersini-Houghton a errores al obtener evidencia de que los agujeros negros no existen en absoluto.
(
Nota. Además, el artículo se acorta para facilitar su lectura, la publicación original discute el libro "Acción espeluznante a distancia" y los cálculos donde se calcula la distancia exacta a la que surge la radiación de Hawking - a varios radios BH - y se discute en detalle la fuente del efecto )
Si el libro de Hawking me enseñó una cosa, es que las metáforas visuales adhesivas pueden ser tanto una maldición como una bendición.
