La censura cuántica podría ocultar la aterradora verdad de lo que hay dentro de un agujero negro: Alerta Científica

La censura cuántica podría ocultar la aterradora verdad de lo que hay dentro de un agujero negro: Alerta Científica

La teoría de la gravedad de Albert Einstein, la relatividad general, es famosa por estar incompleta. Como lo demostró el Premio Nobel de Física Roger Penrose, cuando la materia colapsa bajo su propia gravedad, el resultado es una «singularidad», un punto de densidad o curvatura infinita.


En aislamiento, el espacio, el tiempo y la materia se fragmentan y crecen hasta llegar a la inexistencia. Las leyes de la física tal como las conocemos están en completo desorden.


Si pudiéramos observar la singularidad, nuestras teorías físicas no podrían usarse para predecir el futuro a partir del pasado. En otras palabras, la ciencia se volverá imposible.


Penrose también se dio cuenta de que la naturaleza podría tener una cura para este destino: los agujeros negros.


Una característica definitoria de un agujero negro es su horizonte de sucesos, una membrana unidimensional en el espacio-tiempo. Los objetos, incluida la luz, que cruzan el horizonte de sucesos nunca podrán abandonar la increíblemente fuerte atracción gravitacional del agujero negro.


Todas las descripciones matemáticas conocidas de los agujeros negros tienen un núcleo común.


Penrose postuló que todas las unidades de colapso gravitacional son la «tela» del horizonte de sucesos de los agujeros negros, lo que significa que es posible que nunca observemos uno. Con singularidades dentro del horizonte de sucesos, la física en el resto del universo sigue como de costumbre.


La suposición de Penrose de que no existen singularidades «desnudas» se llama censura cósmica.


Medio siglo después, sigue sin demostrarse y sigue siendo uno de los problemas abiertos más importantes de la física matemática. Al mismo tiempo, ha resultado igualmente difícil encontrar ejemplos en los que la conjetura no se cumple.


En un trabajo reciente, publicado carta de revisión físicamostramos que la mecánica cuántica, que gobierna los microcosmos de partículas y átomos, apoya la censura cósmica.

La primera imagen de un agujero negro
La primera imagen de un agujero negro. (Telescopio Event Horizon/Wiki Commons, CC BY-SA)

agujero negro

Los agujeros negros se ven afectados en cierta medida por la mecánica cuántica, pero los físicos generalmente ignoran este efecto. Por ejemplo, Penrose excluyó estos efectos en su trabajo, como la teoría que permitió a los científicos medir ondas en el espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales, de los agujeros negros.


Cuando se suman, los científicos llaman a los agujeros negros «agujeros negros cuánticos». Durante mucho tiempo han proporcionado un misterio adicional, ya que no sabemos cómo funciona la aproximación de Penrose en el ámbito cuántico.


Un modelo en el que tanto la materia como el espacio-tiempo obedecen a la mecánica cuántica suele considerarse la explicación fundamental de la naturaleza. Esta podría ser la «teoría del todo» o la teoría de la «gravedad cuántica».


A pesar del tremendo esfuerzo, aún es difícil lograr una teoría de la gravedad cuántica verificada experimentalmente.


Se espera ampliamente que cualquier teoría viable de la gravedad cuántica deba resolver las singularidades de la teoría clásica, lo que posiblemente indique que son sólo un modelo de explicación incompleta. Por lo tanto, es razonable esperar que los efectos cuánticos no planteen la cuestión de si alguna vez podremos ver una singularidad peor.


Esta es la razón por la cual el teorema de singularidad de Penrose hace ciertas suposiciones sobre la naturaleza de la materia, es decir, la materia en el universo siempre tiene energía positiva.


Sin embargo, tales suposiciones pueden romperse mediante la mecánica cuántica: sabemos que la energía negativa puede existir en pequeñas cantidades en el reino cuántico (llamado efecto Casimir).


Sin una teoría completa de la gravedad cuántica, estas cuestiones son difíciles de resolver. Pero se puede avanzar considerando la gravedad «semiclásica» o «parcialmente cuántica», donde el espacio-tiempo obedece a una relajación general pero la materia se describe mediante la mecánica cuántica.


Aunque se conocen las ecuaciones que describen la gravedad semiclásica, resolverlas es otra historia. En comparación con el caso clásico, nuestra comprensión de los agujeros negros cuánticos es mucho menos completa.


Por lo que sabemos sobre los agujeros negros cuánticos, también producen el mismo efecto. Pero esperamos que exista una generalización adecuada de la censura cósmica clásica, es decir, la censura cósmica cuántica, en la gravedad semiclásica.


Desarrollando la censura cósmica cuántica

Hasta el momento no existe una formulación establecida de la censura cósmica cuántica, aunque hay algunos indicios.


En algunos casos, una simple singularidad puede transformarse mediante efectos cuánticos para encubrir singularidades; Se han convertido en desgaste cuántico. Por eso la mecánica cuántica desempeña un papel en los horizontes de sucesos.


El primer ejemplo de este tipo fue presentado en 2002 por los físicos Roberto Empran, Alessandro Fabri y Nemanja Klopper. Ahora, todas las estructuras conocidas de agujeros negros cuánticos comparten esta característica, lo que sugiere que existe una formulación más rigurosa de la censura cósmica cuántica.


Estrechamente relacionada con la censura cósmica está la desigualdad de Penrose. Se trata de una relación matemática que, asumiendo una excentricidad cosmológica, establece que la masa o energía del espacio-tiempo es proporcional al área del horizonte del agujero negro en su interior.


En consecuencia, una violación de la desigualdad de Penrose sugeriría fuertemente una violación de la censura cósmica.


Por tanto, la desigualdad cuántica de Penrose puede utilizarse para construir rigurosamente una censura cósmica cuántica. Un equipo de investigadores propuso tal desigualdad en 2019. Aunque prometedora, su propuesta hace muy difícil probar agujeros negros cuánticos en regímenes donde los efectos cuánticos son fuertes.


En nuestro trabajo, descubrimos una desigualdad cuántica de Penrose que se aplica a todos los ejemplos conocidos de agujeros negros cuánticos, incluso en presencia de fuertes efectos cuánticos.


La desigualdad cuántica de Penrose limita la energía del espacio-tiempo en términos de entropía total –una medida estadística del desorden de un sistema–
Contiene agujeros negros y materia cuántica. Este aumento de la entropía cuántica garantiza que la desigualdad cuántica se mantenga incluso si la versión clásica falla (a escala cuántica).


Que la energía total de este sistema no puede ser menor que la entropía total también es natural desde el punto de vista de la termodinámica. para evitar la violación de la segunda ley de la termodinámica: que la entropía total nunca disminuye.


Cuando se introduce materia cuántica, su entropía se añade al agujero negro, obedeciendo una segunda ley general. En otras palabras, la desigualdad de Penrose también puede considerarse como un límite del tropismo: más allá de este límite se desarrolla la singularidad del espacio-tiempo.


Desde un punto de vista lógico, no estaba claro que todos los agujeros negros cuánticos conocidos satisficieran la misma desigualdad universal, pero demostramos que así es.


Nuestro resultado no es una prueba de la desigualdad cuántica de Penrose. Pero esto sitúa tal resultado tanto en el dominio cuántico como en el clásico.

Si bien el espacio y el tiempo pueden terminar al mismo tiempo, la mecánica cuántica nos oculta este destino.hablar

Andres SveskoInvestigador asociado de Física Teórica, King’s College London; Antonia Micol Frassino, investigadora, Escuela Internacional de Estudios Avanzados; Juan F. Pederza, investigador del Instituto Física Teórica UAM/CSIC, Universidad Autónoma de Madrid, y Robie Hennigar, Wilmore Fellow of Mathematical Physics, Universidad de Durham

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

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