En la década de 1970, Stephen Hawking descubrió que un agujero negro aislado emitiría radiación, pero solo considerando la mecánica cuántica. Esto se conoce como evaporación del agujero negro porque el agujero negro se encoge. Sin embargo, esto condujo a la paradoja de la información del agujero negro.
Si el agujero negro se evaporara por completo, la información física desaparecería permanentemente en un agujero negro. Sin embargo, esto viola un precepto central de física cuántica: la información no puede desaparecer del Universo.
Un nuevo estudio realizado por un cuarteto internacional de físicos sugiere que agujeros negros son más complejas de lo que se entendía originalmente. Tienen un campo gravitatorio que, a nivel cuántico, codifica información sobre cómo se formaron.
El equipo de investigación incluye al profesor Xavier Calmet de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Sussex, el profesor Roberto Casadio (INFN, Universidad de Bolonia), el profesor Stephen Hsu (Universidad Estatal de Michigan), junto con Ph.D. estudiante Folkert Kuipers (Universidad de Sussex). Su estudio mejora significativamente la comprensión de los agujeros negros y resuelve un problema que ha desconcertado a los científicos durante casi medio siglo; La paradoja de la información del agujero negro.
Los físicos han resuelto esta paradoja al mostrar que los agujeros negros tienen una propiedad que llaman «cabello cuántico».
En la década de 1960, el eminente físico John Archibald Wheeler expresó que los agujeros negros no tienen características observables más que su masa total, giro y carga, diciendo que «los agujeros negros no tienen pelo». Esto se conoce como el teorema sin pelo.
Los físicos han demostrado que los agujeros negros tienen una característica adicional llamada «cabello cuántico de la gravedad». Utilizaron métodos matemáticos específicos para realizar cálculos sobre gravedad cuántica. Al hacerlo, demostraron que la materia que cae en el agujero negro deja una huella en el campo gravitatorio del agujero negro al considerar las correcciones gravitatorias cuánticas. Esta huella se conoce como ‘pelo cuántico’.
Los científicos compararon los campos gravitatorios de dos estrellas con la misma masa total y radios, pero con diferentes composiciones. En el nivel clásico, las dos estrellas tienen el mismo potencial gravitacional, pero el potencial depende de la composición de la estrella en el nivel cuántico. Cuando las estrellas colapsan en agujeros negros, sus campos gravitatorios conservan la memoria de lo que están hechas las estrellas y llevan a la conclusión de que los agujeros negros tienen cabello después de todo.
Este ‘pelo cuántico’ proporciona un mecanismo por el cual la información se conserva durante el colapso de un agujero negro.
Al reflexionar sobre las implicaciones del cabello cuántico para la física, Xavier Calmet, profesor de física en la Universidad de Sussex, dijo: “Los agujeros negros se han considerado durante mucho tiempo el laboratorio perfecto para estudiar cómo fusionar la teoría de la relatividad general de Einstein con la mecánica cuántica. En general, se asumió dentro de la comunidad científica que resolver esta paradoja requeriría un cambio de paradigma masivo en la física, lo que obligaría a la posible reelaboración de la mecánica cuántica o la relatividad general.
“Lo que encontramos, y creo que es particularmente emocionante, es que no es necesario. Nuestra solución no requiere ideas especulativas; en cambio, nuestra investigación demuestra que las dos teorías se pueden usar para hacer cálculos consistentes para los agujeros negros y explicar cómo se almacena la información sin una nueva física radical.
“Resulta que los agujeros negros son, de hecho, buenos hijos, que guardan la memoria de las estrellas que los engendraron”.
Al explicar el descubrimiento del cabello cuántico, Roberto Casadio, profesor de Física Teórica en la Universidad de Bolonia, dijo: “Un aspecto crucial es que el colapso de objetos compactos forma agujeros negros y, por tanto, según la teoría cuántica, no existe una separación absoluta entre el interior y el exterior del agujero negro. En la teoría clásica, el horizonte actúa como una perfecta membrana unidireccional que no deja escapar nada, y por tanto el exterior es el mismo para todos los agujeros negros de una masa dada. Este es el clásico teorema sin pelo. Sin embargo, en la teoría cuántica, el estado de la materia que colapsa y forma el agujero negro continúa afectando el estado del exterior, aunque de una manera compatible con los límites experimentales actuales. Esto es lo que se conoce como cabello cuántico”.
Stephen Hsu, Profesor de Física Teórica y Profesor de Matemática Computacional, Ciencia e Ingeniería en la Universidad Estatal de Michigan agregado: “El concepto de horizonte causal es fundamental para la noción de agujero negro. Lo que está detrás del horizonte no puede, en la física clásica, influir en el exterior. Mostramos enredos intrincados entre el estado cuántico de la materia detrás del horizonte (dentro del agujero) y el estado de los gravitones afuera. Este entrelazamiento hace posible codificar información cuántica sobre el interior del agujero negro en la radiación de Hawking que se escapa al infinito”.
Referencias de revistas:
- Xavier Calmet, Roberto Casadio, Stephen DH Hsu y Folkert Kuipers. Cabello de gravedad cuántica. DUELE: 10.1103/PhysRevLett.128.111301
- Xavier Calmet, Stephen DHHsu. Cabello cuántico e información sobre agujeros negros. DUELE: 10.1016/j.physletb.2022.136995
