Según Polchinski, nadie evitará que el astronauta acabe frito

Dibujo20130405 Andy Potts - Nature - Will astronaut into black hole be crushed or burned

En marzo de 2012, Joseph Polchinski (famoso teórico de cuerdas del KITP, Kavli Institute for Theoretical Physics, Santa Barbara, California) se preguntó que pasaría cuando un astronauta se sumergiera dentro de un agujero negro. Obviamente, moriría, ¿pero cómo? El principio de equivalencia de la relatividad general de Einstein implica que no notaría nada al atravesar el horizonte de sucesos y que su muerte sería debida a su estiramiento en forma de espagueti (en un agujero negro supermasivo podría pasar varios días dentro del horizonte de sucesos antes de notar nada en absoluto). Pero Polchinski publicó en julio de 2012, junto a dos estudiantes Ahmed Almheiri y James Sully, y su colega Donald Marolf (UCSB, Universidad de California, Santa Barbara) que, bajo ciertas circunstancias, el astronauta acabaría frito en el horizonte de sucesos, que se comportaría como un “muro de fuego” (firewall). Nos lo cuenta Zeeya Merali, “Fire in the hole! Will an astronaut who falls into a black hole be crushed or burned to a crisp?,” Nature 496: 20-23, 4 Apr 2013.

Dibujo20130405 Nature - Information paradox - firewall - information carried out by quantum correlations

Polchinski y sus colegas han provocado una crisis en lo que sabemos sobre las leyes físicas que rigen el comportamiento de los agujeros negros. Se pensaba que se entendía muy bien cómo aplicar la mecánica cuántica a la gravedad en un régimen débil, en el que la aproximación cuasi-clásica parece razonable, sin embargo, como dice Raphael Bousso (físico de cuerdas de la Universidad de California, Berkeley), las ideas de Polchinski “socavan todo lo que sabemos sobre la física cuántica de los agujeros negros” y en especial sobre la llamada paradoja de la información cuántica.

La mécanica cuántica afirma que la información no puede desaparecer y que, en principio, toda información que se introduzca en un agujero negro debería poderse recuperar midiendo el estado cuántico de la radiación de Hawking emitida a posterior. Sin embargo, esta radiación es térmica (completamente aleatoria) y recuperar dicha información parece imposible. Una solución a esta paradoja se obtuvo hace tres lustros utilizando ideas holográficas (nacidas en el contexto de la teoría de cuerdas, aunque hoy en día se pueden considerar de forma independiente); la mecánica cuántica se salvó y no había ninguna pérdida de información. Cada nueva partícula emitida por radiación de Hawking estaba entrelazada con todas las partículas previamente emitidas, con lo que la información cuántica abandona el agujero negro en la radiación de Hawking, pero es imposible recuperarla pues se requiere “desentralazar” toda la radiación emitida hasta el momento. Muchos físicos pensaron que la paradoja había sido resuelta con éxito y por siempre jamás.

Dibujo20130405 Nature - Information paradox - disappearance when hole evaporates

Cada nueva partícula emitida por radiación de Hawking proviene de un par de partículas, siendo la otra engullida por el agujero negro. Estas partículas están entrelazadas entre sí y además lo están con toda la radiación de Hawking emitida en el pasado. Lo que han notado Polchinski y sus colegas es que este “doble” entrelazamiento viola la “monogamia” del entrelazamiento, pues se pueden realizar protocolos cuánticos entre la pareja de partículas que permiten extraer información del agujero negro. O bien la nueva partícula emitida no está entrelazada con toda la radiación ya emitida en el pasado, con lo que la paradoja de la información no ha sido resuelta, o bien la nueva partícula emitida no está entrelazada con su compañera que cae dentro del agujero negro, con lo que debe existir algo “violento” que destruya este entrelazamiento (el “muro de fuego”). El artículo de Polchinski y sus colegas no ofrecía otra posibilidad sin alterar las leyes de la mecánica cuántica y de la relatividad general.

Para muchos físicos, la idea de un “muro de fuego” en el horizonte de sucesos que destruye el entrelazamiento entre las parejas de partículas que dan como resultado la radiación de Hawking es toda una “locura” y debe ser desterrada de la física. Sobre todo porque viola el principio de equivalencia de Einstein (uno de los sacrosantos de la física).

“I’m sorry that no one has gotten rid of the firewall,” Polchinski.

Han aparecido más de 40 artículos que o bien se adhieren a la idea del “muro de fuego” o bien tratan de desterrarla con diferentes argumentos. Pero hasta el momento, todos estos argumentos son rebatibles según Polchinski.

El argumento más firme en contra del “muro de fuego” (que muchos abanderan como la solución definitiva) es del físico cuántico Daniel Harlow (Univ. Princeton, Nueva Jersey, EEUU) y del informático Patrick Hayden (Univ. McGill University, Montreal, Canadá). Está basado en la complejidad computacional del protocolo cuántico que permite extraer información del agujero negro gracias al entrelazamiento de la pareja de partículas; dicho proceso requiere un número tan grande de operaciones cuánticas que en la práctica es imposible que el astronauta que está dentro del agujero negro pueda culminar el protocolo antes de caer en la singularidad y ser destruido. Se trata de una solución adecuada para muchos físicos, pero que deja un cierto mal sabor de boca. En principio puede hacerse, pero en la práctica es imposible. Parece una solución “informática” al problema, pero no una solución “física” (obviamente, depende de lo que esto signifique).

Otras soluciones al problema de la aparición del “muro de fuego” se basan en pequeñas modificaciones de la mecánica cuántica (dentro de los agujeros negros, de tal forma que nadie las note fuera de ellos). Incluso hay quienes han llegado a afirmar que se debería aceptar que la información cuántica se pierde en el interior de los agujeros negros (reivindicando la paradoja de la información cuántica como ley).

Lo más importante de todo esto es que se están revisando las leyes cuánticas de los agujeros negros utilizando ideas del campo de la computación cuántica que están introduciendo aire fresco en un campo en el que parecía que las ideas holográficas eran la única opción razonable.

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36 pensamientos en “Según Polchinski, nadie evitará que el astronauta acabe frito

  1. Hay cosas que no entiendo, la partícula de la pareja que cae dentro del agujero negro ¿por qué reduce la masa del agujero?

    • Por que es una antiparticula, por razones que desconozco la que cae siempre es la antiparticula

      • Gerardo, no es cierto lo que dices. La energía de la partícula y de la antipartícula son positivas. Los agujeros negros emiten tanto partículas como partículas (de hecho, lo que más emiten son partículas que son idénticas a sus antipartículas, como los gravitones y los fotones).

    • Notengonpi, creo que no entiendes bien qué es la radiación de Hawking, porque la analogía partícula-antipartícula cerca del horizonte te confunde…

      La longitud de onda de la partícula emitida es comparable al diámetro del agujero negro, es decir, tan grande como el agujero nego. La idea de “caer” no es una analogía muy acertada.

      ¿Qué es un agujero negro (A:N.)? Desde el punto de vista clásico, espaciotiempo vacío y altamente curvado, tanto que produce un horizonte de sucesos. La masa/energía del agujero negro es el resultado de esta curvatura. Decir que la curvatura es resultado de la masa tiene el inconveniente de que hay que aceptar que la masa está localizada en la singularidad (donde la teoría clásica no es aplicable).

      Por tanto, un A.N. es vacío curvado. La física cuántica dice que este vacío curvado fluctúa y produce pares virtuales partícula-antipartícula con una cierta energía. Si el par virtual aparece y desaparece no afecta en nada al agujero negro (principio de incertidumbre de energía-duración). Lo que nos dice Hawking es que la física cuántica no prohíbe que por una especie de “efecto túnel” una de las partículas del par escape del A.N. (que emite tanto partículas como antipartículas). La partícula que escapa tiene una longitud de onda similar al diámetro del A.N. por lo que la analogía de un par cerca del horizonte es muy mala.

      La partícula que escapa le roba energía al vacío dentro del horizonte de sucesos (pues el par nació como fluctuación cuántica de este vacío, consumiendo energía del vacío). Esa energía perdida (la mitad de la energía necesaria para formar el par) provoca que la masa/energía (o la curvatura) del vacío dentro del horizonte se reduzca. La emisión ha reducido la masa/energía del A.N. Su temperatura crece (pues depende inversamente de la masa/energía).

      ¿Difícil de entender? Por supuesto. Pero la física cuántica nos dice que si la mitad de la energía necesaria para crear el par escapa del horizonte de sucesos, entonces la energía “promedio” del vacío dentro del horizonte (es decir, la masa/energía del A.N). debe decrecer (por el principio de conservación de la energía).

      Espero haberlo explicado bien. Estas cuestiones cuánticas son sutiles.

      Saludos
      Francis

  2. Hay una cosa que no entiendo ¿por qué la partícula del par partícula-antipartícula que cae al agujero negro reduce la masa de éste?

  3. “en un agujero negro supermasivo podría pasar varios días dentro del horizonte de sucesos antes de notar nada en absoluto”, aunque se entiende que quieres decir en esa porcion del texto, es fisicamente ambiguo, ya que medir “dias” en las proximidades del horizontes de sucesos debe ser como minimo muy dificil (hasta curioso tal vez)

    • Gerardo, ¿por qué es ambiguo usar la unidad de tiempo día = 86400 segundos? Supongo que será cuestión de gustos.

      • lo digo por que en el horizonte de sucesos el tiempo depende del observador, si le preguntas al que esta cayendo seguramente te dira que un dia es una cosa, el que esta afuera te dira que un dia es otra cosa, el que esta adentro te dirá una tercera, y lo peor es que todos tendran razon, por eso digo que seria ambiguo.

        Aclare que se entiende lo que quieres decir, no quiero hacer una critica formal al mensaje, solo digo que el comentario omite la realidad fisica del tiempo en el horizonte de sucesos, como curiosidad, nada mas.

  4. Ya se me había ocurrido, ¿pero cómo va a caer siempre la antipartícula, hombre?

    Eso no tiene sentido, ya digo, no tengo ni idea, pero es que no me cuadra, medio mundo intentado saber por qué hay más materia que antimateria y ahora resulta que la antimateria tiene tendencias suicidas en presencia de un agujero negro.

    No lo veo nada claro.

    Lo ¿lógico? es que unas veces caiga la partícula y otras la anti-partícula y el efecto total sea cero.

    También puede ser que en el vacío los pares partícula-antipartícula no aparezcan “a la vez” que aparezca uno antes que otro y por eso caiga siempre la antipartícula, o que no sean pares de partículas, que aparezcan de tres en tres o yo qué sé.

    Que alguien me dé una explicación “para tontos”, por favor.

    • Nadie dice que caiga siempre la antipartícula. De hecho la radiación de Hawking más probable son gravitones y fotones que son partículas idénticas a su antipartícula. La emisión de fermiones está exponencialmente cancelada.

    • Lo que yo entiendo de la radiación de Hawking, de esa analogía y esos dibujitos es que: si la partícula “cayese” al A.N. y la antipartícula saliera radiada, ésta última chocaría finalmente con cualquier partícula del universo y se aniquilaría. Por eso sólo se dibuja el caso en el que las antipartículas “caen”, puesto que su correspondiente partíula radiada sí que permanece en el universo y la podemos observar.
      De todas formas Francis comenta que lo que mayormente radia desde el A.N. son fotones, puesto que la emisión de fermiones está exponencialmente cancelada: ¿hay algún libro/artículo que hable de esto?.

      • Antonio, para estudiar la radiación de Hawking puedes estudiar cualquier libro sobre agujeros negros (posterior a 1980). Hay cientos y todos dicen más o menos lo mismo. Si eres un físico con una buena base, te recomiendo la “biblia” de N.D. Birrell & P.C.W. Davies, “Quantum fields in curved space,” Cambridge University Press, 1982. Pero hay muchos otros libros más recientes…

  5. He leído sobre los “muros de fuego” en varios blogs (el de Motl y el de Sean Carroll) y tu explicación es la más comprensible de largo. La verdad es que es un debate que me cuesta mucho entender, a pesar de ser licenciado en física.
    He visto que Lubos Motl parece creer que no existen los muros de fuego y que todo el asunto está basado en una comprensión poco adecuada de las leyes de la mecánica cuántica, pero para ser sincero no soy capaz de entender su argumentación.
    ¿Cuál es tu opinión al respecto?
    No suelo comentar en tu blog, pero llevo leyéndolo desde hace años. Aprovecho para darte las gracias por la gran cantidad de buenos ratos que he pasado leyendo tus artículos, especialmente los de física.

    • No soy experto en la física cuántica de los agujeros negros. En cualquier caso, mi opinión es que los “muros de fuego” no se pueden dar (la solución “computacional” a este problema me gusta y me parece razonable). Pero creo que van a surgir muchos problemas interesantes cuando se combinen “información cuántica y algoritmos cuánticos” con agujeros negros.

  6. La conexión agujeros negros/información es algo que Duff y otros han analizado desde la óptica de la información cuántica. Parece que hay algo profundo esperando a ser descubierto… Michael Duff ha estado bastante callado al respecto pese a que fue uno de los pioneros de la correspondencia entre entropía de ciertos agujeros negros en teorías de cuerdas o teoría M y ciertos estados muy conocidos en información cuántica. A Duff no le he oido una opinión todavía “sensata” sobre el firewall. Sin embargo, parece que los que defienden que no hay problema sino que está en la singularidad del interior (que nadie ha visto por el contrario jamás) están perdiendo un poco la batalla mediática…Nadie ha dado con un argumento que explique qué pasa con ese horizonte… Ni si quiera Hawking que dió por perdida su apuesta de la información hace un tiempo, lo mismo tiene que arrepentirse de haberla “concedido” tan pronto…

  7. Yo sigo insatisfecho con las explicaciones para tontos que me dais, vale, no emiten fermiones “netos”, eso casi se puede intuir, tenemos la trampa de decir que solo emite partículas de Majorana, pistonudo, una, el gravitón, que es inventada, y la otra, el fotón, que se supone que al caer dentro del agujero negro le ¿resta masa?, volvemos a las mismas, ¿por qué le resta masa a un agujero negro un fotón que cae dentro?

    Intuyo que soy tan lerdo en estos temas que la explicación que me tuvierais que dar está por encima de mi entendimiento y no hay forma de hacérmelo comprender “para tontos style”, pero es que es mosqueante.

    Yo podría aceptar milongas del estilo “el disco de acreción le resta energía cinética al agujero y como la energía equivale a masa y no todo el disco de acrección termina cayendo dentro del agujero sino que sale disparado en forma de jets, pues entonces…”

    Lo que sea, pero eso de que hay partículas mágicas que tienen “antimasa” o “antienergía” y que al caer en un agujero negro hecho de materia normal se la cargan, vamos, no entiendo nada.

    • Notengonipajoleraidea, “¿por qué le resta masa a un agujero negro un fotón que cae dentro?”

      Lo primero, ningún fotón “cae” dentro. Decir que “cae” es una chorrada como una casa. Imagina dos fotones que “están dentro” y uno de ellos “escapa” y el otro “sigue” dentro. Crear los dos fotones “dentro” requiere “consumir” energía del agujero negro. Si un fotón “abandona” el agujero negro y el otro “se queda” dentro, entonces el agujero negro “pierde” energía/masa (la mitad de la energía necesaria para crear el par dentro).

      Lo segundo, “el disco de acreción” no tiene nada que ver con la radiación de Hawking, ni con la evaporación de los agujeros negros. No mezcles churras con merinas.

      Y lo último, nadie ha dicho que haya “partículas mágicas,” sólo que “hay partículas” (cualquiera de las conocidas). No existe la “antimasa” ni la “antienergía” ni los “agujero negros [están] hechos de materia normal.” El agujero negro no está “hecho” de nada, es solamente espaciotiempo curvado, espaciotiempo vacío y muy curvado. El tensor energía-momento curva el espaciotiempo y el espaciotiempo vacío curvado equivale a un tensor energía-momento. Pero un agujero negro no está hecho de “materia” sino de espaciotiempo.

      Saludos
      Francis

      • Es pa flipar!

        Años leyendo artículos explicando q un agujero negro es la acumulación de una cantidad ingente de materia para q después salgáis diciendo q un AN está vacío O-0 Con un Par!

        Saludos

      • Tixolo, ¿dónde has leído que un agujero negro esté hecho de materia? Nunca lo he leído en ningún libro de divulgación y he leído muchísimos sobre agujeros negros. ¿No será que leías “masa” y creías leer “materia”?

      • mmmh… el disco de acreción está formado por materia, no? y esa es la q cae y va engordando al AN… eso creo es lo q he entendido

      • Tixolo, el disco de acreción y el agujero negro son dos cosas distintas. De hecho, la mayoría de los agujeros negros no tienen disco de acreción y muchos objetos compactos, que no son agujeros negros, también pueden tener disco de acreción. Eso sí, sólo podemos observar (de forma indirecta) los agujeros negros que tienen disco de acreción.

      • Entonces ¿la masa de un AN SuperMasivo como ha llegado a él? pq los AN pueden crecer en masa ¿no?

      • Exactamente, Tixolo, la masa que cae en un agujero negro incrementa la masa de dicho agujero negro. El origen de los agujeros negros supermasivos todavía es un misterio, siendo un problema de tipo quién fue primero el huevo o la gallina, relativo a quién fue primero los agujeros negros o las galaxias.

        Si primero nacieron las galaxias, algunos agujeros negros acabaron en su centro (con masas pequeñas). Los choques galácticos provocaron que los agujeros negros chocaran entre sí y se fusionaran, lo que añadido a la materia que robaban a su galaxia, les hizo crecer hasta ser supermasivos.

        Si primero nacieron los agujeros negros, fueron atrayendo materia y creciendo, para acabar formando grandes galaxias a su alrededor.

        Los agujeros negros “activos” son los que tienen un disco de acreción y por ello tienen chorros transversales. Sin embargo, la mayoría de agujeros negros se cree que están inactivos (“dormants” en inglés) y carecen de disco de acreción.

        Sgr A*, el agujero negro supermasivo de nuestra galaxia, es inactivo, aunque se cree que de vez en cuando hay materia que cae en su interior, por lo que podría tener un disco de acreción extremadamente débil para ser observado.

        https://dl.dropboxusercontent.com/u/68024270/SnowPAC2013/01_March_18_Monday/AM_Session/SnowPAC2013-Haiman.pdf

        https://dl.dropboxusercontent.com/u/68024270/SnowPAC2013/01_March_18_Monday/AM_Session/Einstein.pdf

      • Yo también estoy hecho un poco un lío con lo del espacio vacío. Siempre he leído que la singularidad se forma por la enorme distorsión del espaciotiempo provocada por una estrella supermasiva que colapsa. Sin ir más lejos, en la página web de la nasa sobre agujeros negros: http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes/
        “Don’t let the name fool you: a black hole is anything but empty space. Rather, it is a great amount of matter packed into a very small area”.

        Quizá sea porque es una explicación para el público general, pero ahora me siento terriblemente confuso al respecto. ¿Cómo pasa de ser materia hipermasiva a ser espacio vacío?

        Un saludo y enhorabuena por el blog. Si algún día me animo a empezar con la carrera de física, será por “culpa” tuya (porque no me entero ni de la mitad de entradas y es bastante frustrante saber que uno no entiende lo poco o mucho que los humanos conocer de la “realidad” fundamental).

      • Emilio, “¿cómo pasa de ser materia masiva a ser espacio vacío?” Nadie lo sabe. Se cree que una teoría cuántica de la gravedad que esté unificada con el modelo estándar de las partículas podrá explicarlo. Pero a día de hoy no conocemos esta teoría y las diferentes propuestas son muy ambiguas a la hora de contestar a esta pregunta. Por ejemplo, en teoría de cuerdas los campos (las partículas) son espaciotiempo curvado (la geometría y topología de las dimensiones extra es lo que llamamos campos y partículas); por tanto, en teoría de cuerdas la pregunta que haces es cómo el espaciotiempo curvado se aplana durante el colapso. Pero repito, por ahora es sólo una especulación pues ignoramos cuál es la teoría que unifica gravedad y campos (partículas).

      • Reformulo entonces la pregunta: ¿de dónde se deduce entonces que es un espacio vacío? Es decir: si hay una estrella hipermasiva que colapsa y produce la singularidad, ¿qué nos lleva a pensar que después está vacío, en lugar de (intuitivamente) pensar que esa materia sigue estando “al fondo” de esa brutal distorsión? ¿Es por el concepto en sí mismo de la asíntota/singularidad? ¿Tiene que ver con alguna otra teoría/medición que implique que ahí no puede haber materia alguna?

        Gracias por la(s) respuesta(s) :)

      • Emilio, “¿de dónde se deduce entonces que es un espacio vacío?” La teoría (clásica) de la gravedad (la teoría general de la relatividad de Einstein) predice la existencia de agujeros negros y predice que son espaciotiempo vacío curvado. Esta teoría no es aplicable en la singularidad, pero predice que en ella “desaparece” toda la materia y lo único que queda es espaciotiempo vacío y curvado. Por supuesto, nadie ha explorado un agujero negro en un laboratorio.

  8. O sea, que energía/materia = curbatura espacio/tiempo, es decir, ¿pensar que la energía/materia ocupa un espacio/tiempo es erróneo y lo correcto sería pensar que energía/matería es una curbatura del espaciotiempo, nada más?

    • Dan, no sabemos lo que es la energía y tampoco sabemos lo que es el espaciotiempo, pero en la teoría (clásica) de la gravitación desarrollada por Einstein la energía-momento “curva” el espaciotiempo y el espaciotiempo curvado “contiene” energía-momento, pero la teoría no nos permite saber qué fue primero el huevo o la gallina. En las teorías cuánticas de la gravedad actuales hay dos opciones bien diferenciadas: quienes consideran que la energía-momento es espaciotiempo (con dimensiones extra) curvado y quienes consideran que el espaciotiempo es un concepto emergente a partir de “entes” con energía-momento. A día de hoy nada más podemos decir.

  9. Hola,una pregunta,Einstein tiene razon,la materia dobla el espacio,en un agujero negro pasa lo mismo,
    pero que diferencia hay (en el agujero negro) entre que el espacio se doble,o que se rompa el espacio-tiempo.
    Perdonar si no se entiende mi pregunta.
    Un saludo y gracias.

    • Miguel, en la teoría de Einstein no está permitido que el espaciotiempo se “rompa” (siempre es una variedad diferenciables); la única singularidad permitida es puntual (un punto donde la curvatura sea infinita), que indica que la teoría en dicho punto no es aplicable.

      • Hola Francis,pues lo siento,pero algo esta mal,y lo mio me esta costando,
        Un saludo y gracias.

      • Miguel, ¿qué problemas tiene? Si es con el Feed ya debería estar arreglado.

  10. Francis, has visto el artículo sobre el tema de Juan Maldacena y Leonard Susskind?

    “Cool horizons for entangled black holes”
    http://arxiv.org/abs/1306.0533

    El mismo Polchinski:
    “It certainly injects new ideas. But there is a lot that still needs to be filled in”

    • Sandía, lo ví el día que apareció en ArXiv (ya hablaron Lubos Motl y John Preskill en sus blogs), Juan lo contó en Strings 2013 y he visto la charla, y Lenny también lo ha contado en otra charla disponible en vídeo (todas las tuiteé en su momento). La idea es antigua, Mark Van Raamsdonk ya publicó lo mismo en 2009 (aunque no para resolver el problema de los firewall de AMPSS) y lleva años trabajando en ello, pero claro, no tiene el nombre y la fama de Juan y Lenny. Me han pedido por Twitter que dedique una entrada, pero la idea no me acaba de gustar (por ejemplo, nadie discute la estabilidad de los puentes ER y la compara con la estabilidad EPR). Pero lo dicho, no creo que pueda esta semana… me suena que Wheeler ya contó algo parecido en los 1950. Pero la semana que viene, después de la Bienal de RSEF, lo mismo le dedico una entrada.

  11. Emilio Molina, el colapso de un objeto supermasivo implica la transformación de su materia en energía acorde a la fórmula de Einstein, E=MC2, la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Donde hay energía no hay vacío, otra cosa distinta es que en ese aparente vacío no haya materia. Una de las soluciones propuestas para explicar los agujeros negros consiste en conjeturar que los agujeros producen un desgarrón de la materia, una suerte de embudo que traga todo lo que se halla a su alrededor. Lo que hay al otro lado del embudo se desconoce, pero según la fórmula einsteniana debe de haber energía. Una de las soluciones de Alexander Friedman (o Fridman), hipotetiza que objetos como los agujeros negros atraen materia y energía con densidad y gravedad fortísimas para luego producir más materia y radiación. A este modelo se le llama cíclico, y es un modo de neutralizar la entropía que recorre el universo. Como apunta Francis, la física se mueve en un entorno especulativo a la hora de tratar este asunto.

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