En la década de 1970, Stephen Hawking descubrió algo increíblemente erróneo sobre los agujeros negros: era matemáticamente posible que se encogieran o incluso desaparecieran. Si un agujero negro desapareciera, eso significaría que todo lo que había absorbido también desaparecería. Y en física, las cosas no están destinadas a desaparecer, pueden cambiar de forma, pero su información subatómica aún debe existir en el universo. En otras palabras, los agujeros negros, por su propia existencia, son capaces de destruir información sobre partículas subatómicas que (según la física cuántica) no deberían poder ser destruidas. Este problema, denominado paradoja de la información del agujero negro, ha afectado a la física durante décadas. Pero el físico teórico Samir Mathur ha propuesto una solución: cambiamos nuestra idea de los agujeros negros y pensamos en ellos como «bolas de pelusa».

Basado en la imagen tradicional transmitida por personas como Einstein, «si tienes un agujero negro, se viola la mecánica cuántica», dice Mathur, profesor de la Universidad Estatal de Ohio que se especializa en física de agujeros negros. «Cuando estás en una situación como esta, realmente ya no tienes una teoría de la física. Es tarea del físico, dice, la teoría general de la relatividad, que explica el comportamiento de las cosas grandes, y la mecánica cuántica, que trabaja para las cosas extremadamente pequeñas, para reconciliar. Mathur cree que la teoría de la bola de pelos podría hacer precisamente eso.

La imagen tradicional de los agujeros negros.

La paradoja de la información, y las bolas de pelusa que podrían resolverla, depende de la estructura y el comportamiento de los propios agujeros negros. Los agujeros negros deben su existencia a la atracción de la gravedad. «Cuando tienes mucha masa en alguna parte, todo en esa masa atrae a todo lo demás», dice Mathur. «Si es una estrella, cada punto de la estrella atrae a todos los demás puntos de la estrella. Así que trata de encogerlo”.

Esta reducción da como resultado una región superdensa del espacio-tiempo que engulle todo lo que encuentra (incluso la luz) llamada agujero negro. Pero no dejes que el miedo a ser absorbido por un agujero negro te mantenga despierto por la noche, dice Lia Medeiros, becaria postdoctoral de la Fundación Nacional de Ciencias en el Instituto de Estudios Avanzados; tienes que estar muy cerca para eso. Desde la distancia, un agujero negro se comporta como cualquier otro objeto con mucha gravedad, como una estrella. Pero si te acercas demasiado a un agujero negro, llegarás a un punto de no retorno llamado horizonte de sucesos, «la distancia desde el agujero negro de donde no puedes escapar, incluso moviéndote a la velocidad de la luz», explica Medeiros.

Y más allá de ese horizonte de eventos, según el pensamiento tradicional, hay un montón de espacio vacío, con todo el material que el agujero negro ha comprimido en un pequeño punto en el medio. Llamamos a este punto de compresión la singularidad.

problemas y paradojas

Dos problemas surgen de este modelo tradicional de un agujero negro, dice Fabio Pacucci, astrofísico de la Universidad de Harvard. Una es que la idea de una singularidad, un punto de densidad infinita y gravedad infinita, no encaja bien con el mundo natural. Pacucci recuerda que un profesor de física de secundaria le dijo: «Cuando encuentras un infinito, eso no es física, es matemática». La naturaleza no intercambia infinitos, dice. “Nunca encontrarás un árbol infinitamente alto o un planeta infinitamente masivo.” Si bien es posible que los agujeros negros sean lo único en la naturaleza con propiedades infinitas, tiene sentido ser escéptico.

Así que la singularidad es un problema. Y resulta que también lo es parte del comportamiento que observamos en el horizonte de eventos de un agujero negro. Stephen Hawking y sus colegas demostraron que los agujeros negros emiten energía. Esto no es un problema en sí mismo, pero conlleva mucho bagaje matemático. El proceso, conocido como radiación de Hawking, involucra la aparición de un par de partículas y antipartículas cerca del horizonte de eventos de un agujero negro.

Es posible que uno de ellos (digamos la partícula, pero funciona en ambos sentidos) pueda interactuar con el horizonte de eventos y luego girar de regreso al espacio sin recoger ninguna información del agujero negro para llevársela. Sin embargo, su gemelo de antipartículas podría ser absorbido por el agujero negro. Una vez que esa antipartícula solitaria esté en el agujero negro, podría encontrarse con una partícula solitaria, lo que haría que las dos, en palabras de Pacucci, «se aniquilen entre sí».

«Para un observador externo, parece que el agujero negro en realidad está perdiendo masa, partícula por partícula», dice Pacucci. Eso haría que el agujero negro perdiera una pequeña parte de la información asociada con esa partícula, y la información debe conservarse para siempre. Ahí radica la paradoja. También vale la pena señalar que este escenario solo podría ocurrir en una escala muy pequeña porque no hay suficientes antipartículas que floten libremente para que ocurran en masa. Pero incluso una pequeña pérdida de información es un gran problema. Con suficiente tiempo, este proceso muy lento podría eventualmente conducir a la desaparición de un agujero negro completo.

En esencia, la paradoja de la información surge porque los agujeros negros abarcan dos mundos: pueden ser masivos y, por lo tanto, deben obedecer las reglas de la relatividad general, pero también se reducen a un punto diminuto, lo que los convierte en territorio cuántico. Los físicos han estado tratando de reconciliar su imagen de los agujeros negros con la mecánica cuántica durante décadas. La solución fuzzball propuesta por el físico teórico Mathur implica la creación de una imagen completamente nueva.

Una solución difusa

Como muchos físicos, Mathur estuvo desconcertado por las paradojas de los agujeros negros durante muchos años y simplemente no pudo resolverlo. Pero luego él y sus colegas recurrieron a la teoría de cuerdas, que establece que todo en el universo está formado por hilos diminutos que vibran. Modelaron matemáticamente cómo se vería un agujero negro hecho de filamentos. «Sentimos que no se parecía en nada a la imagen tradicional», dice Mathur. «En lugar de reducirse a un punto y dejar todo el espacio vacío a su alrededor, en realidad se hinchó en algo que llamamos fuzzball». Mathur propuso por primera vez la hipótesis de la fuzzball en 1997. Desde entonces, ha continuado refinando y defendiendo la teoría.

La teoría de Fuzzball elimina el concepto de horizonte de eventos y singularidad. En cambio, permite que la información consumida por el agujero negro se extienda por la región como una bola de hilo desordenada. Al eliminar el horizonte de sucesos, una partícula o antipartícula perdida que cae en un agujero negro no provoca la destrucción de la información. más bien, esta nueva información simplemente se agrega al fuzzball. Todavía tienes tu agujero negro siempre hambriento, pero no tienes que preocuparte de que se encoja y se lleve información consigo.

«Una bola de pelusa es tan increíblemente densa que dejas caer algo y se queda allí, pero se necesita una cantidad de tiempo increíble para que salga», dice Nicholas Warner, físico de la Universidad del Sur de California. En este sentido, un fuzzball imita el modelo tradicional de agujero negro. Sin embargo, según Warner, una bola de pelusa se comporta más como una estrella muy densa, como una enana blanca, que como el agujero negro descrito por la relatividad general. Eso es porque todavía podemos recuperar información del interior de una enana blanca. «Con una enana blanca, no hay problema de información», dice Warner. “Estos son estados de materia muy densos, pero en principio puedes medirlos y ver qué le sucede al estado a medida que evoluciona. Mientras que un agujero negro, una vez que cae por debajo del horizonte, no puede ver nada en su interior. Una bola de pelusa es simplemente un estado increíblemente exótico de la materia”.

¿Secreto revelado?

Algunos físicos han adoptado fuzzballs en lugar de la imagen tradicional del agujero negro; Warner las ha utilizado en su trabajo durante veinte años. Pero la teoría de fuzzball no es la única solución posible a la paradoja de la información, ni la única manera de reconciliar la relatividad general y la mecánica cuántica. Otros científicos han sugerido que la respuesta podría estar en islas, cortafuegos, hologramas o agujeros de gusano. Todas estas teorías intentan dar cuenta de la información «faltante» o corrupta que Hawking notó por primera vez.

Si bien los cálculos que rodean la teoría de las bolas de pelusa funcionan en papel (o en programas de computadora), las bolas de pelusa y los agujeros negros no se comportan de manera lo suficientemente diferente como para que los investigadores prueben su existencia en la naturaleza. «Quiero que se prueben las cosas», dice Medeiros, quien coordina el grupo de trabajo de física gravitacional del Event Horizon Telescope, la red global de telescopios que capturó la primera imagen de un agujero negro en 2019. «Y eso hace que sea muy difícil probar la teoría de cuerdas».

Algunos investigadores evitan tomar partido cuando se trata de las diversas soluciones propuestas a la paradoja de la información. “Me gusta ver las cosas de una manera más plural. No creo que deba haber un enfoque único», dice AW Peet, físico de la Universidad de Toronto que usó fuzzballs en su trabajo sobre la paradoja de la información. Más recientemente, sin embargo, están siguiendo el principio holográfico, que trata a los agujeros negros como pantallas bidimensionales en lugar de objetos 3D, conservando la información obsoleta en el horizonte de sucesos. «Creo que los enfrentamientos entre personas con diferentes enfoques han producido algunos resultados muy fructíferos», señala Peet, pero «creo que tal vez sea la necesidad de encontrar una ‘respuesta verdadera’ a una pregunta y el hecho de que diferentes enfoques la rechacen puede no ser lo más fructífero camino a seguir”.

Madeiros dice que tampoco está casada con una teoría. No obstante, señala que los científicos están en los albores de una nueva era en la astrofísica de agujeros negros. «Creo que este es el comienzo de lo que, con suerte, será una nueva área muy fructífera en la que finalmente podamos unir la astrofísica y la teoría de alta energía».

Mientras tanto, el trabajo de Mathur no se detiene en fuzzballs. Ahora está aplicando sus hallazgos al resto del universo, ya que su expansión es casi una imagen especular de la contracción de un agujero negro. «Cualquier cosa que puedas entender sobre el cielo, primero tienes que entender la magia de los agujeros negros», dice Mathur. «La gravedad cuántica ha cambiado toda la estructura del agujero negro. Entonces, la pregunta ahora es: «¿Qué hace por la estructura general de toda la cosmología?» Creo que ha cambiado”.



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