¿Hemos resuelto la paradoja de la información sobre el agujero negro?

Los agujeros negros, algunos de los objetos más peculiares del universo, representan una paradoja para los físicos. Dos de nuestras mejores teorías nos dan dos imágenes diferentes, y aparentemente contradictorias, de cómo funcionan estos objetos. Muchos científicos, incluyéndome a mí, han estado tratando de conciliar estas visiones, no solo para comprender los agujeros negros en sí mismos, sino también para responder preguntas más profundas, como «¿Qué es el espacio-tiempo?» El problema persistió. Sin embargo, en el último año, desarrollé un marco que creo que aborda el problema con elegancia y nos da una idea del misterio de cómo emerge el espacio-tiempo en el nivel más fundamental.

Aquí está el problema: desde la perspectiva de la relatividad general, surgen agujeros negros si la densidad de la materia se vuelve demasiado grande y la gravedad colapsa el material hacia su punto central. Cuando esto sucede, la gravedad es tan fuerte en esta región que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. El interior del agujero negro, por lo tanto, no se puede ver desde el exterior, incluso en principio, y el límite, llamado horizonte de eventos, actúa como una membrana unidireccional: nada puede ir desde el interior hacia el exterior, pero hay no hay problema en atravesarlo desde el exterior hacia el interior.

Pero cuando consideramos el efecto de la mecánica cuántica, la teoría que gobierna las partículas elementales, obtenemos otra imagen. En 1974, Stephen Hawking presentó un cálculo que lo hizo famoso . Descubrió que, si incluimos los efectos de la mecánica cuántica, de hecho se irradia un agujero negro, aunque muy lentamente. Como resultado, pierde gradualmente su masa y finalmente se evapora. Esta conclusión ha sido verificada por múltiples métodos ahora, y su validez básica está fuera de toda duda. Sin embargo, lo extraño es que, según el cálculo de Hawking, la radiación emitida por un agujero negro no depende de cómo se creó el objeto. Esto significa que dos agujeros negros creados a partir de diferentes estados iniciales pueden terminar con la radiación final idéntica.

¿Es esto un problema? Sí lo es. La física moderna se basa en el supuesto de que si tenemos un conocimiento perfecto sobre un sistema, entonces podemos predecir su futuro e inferir su pasado resolviendo la ecuación de movimiento. El resultado de Hawking significaría que este principio básico es incorrecto . Muchos de nosotros pensamos que este problema se resolvió en 1997 cuando Juan Maldacena descubrió una nueva forma de ver la situación , que parecía demostrar que no se había perdido información.

¿Caso cerrado? No exactamente. En 2012, Ahmed Almheiri y sus colaboradores de la Universidad de California, Santa Bárbara, presentaron en su influyente documento un fuerte argumento de que si la información se conserva en el proceso de emisión de Hawking, es inconsistente con la «suavidad» del horizonte: noción de que un objeto puede pasar a través del horizonte de eventos sin verse afectado. Dado que la opción de pérdida de información está fuera de discusión, argumentaron que el horizonte del agujero negro no es, de hecho, una membrana unidireccional, sino algo así como un muro irrompible, al que llamaron firewall.

Esto confundió a los teóricos tremendamente. Por mucho que no les gustara la pérdida de información, también aborrecían los firewalls. Entre otras cosas, la idea del firewall implica que la relatividad general de Einstein es completamente errónea, al menos en el horizonte de un agujero negro. De hecho, esto es completamente contradictorio. Para un gran agujero negro, la gravedad en el horizonte es realmente muy débil porque se encuentra muy lejos del punto central, donde se encuentra toda la materia. Por lo tanto, una región cerca del horizonte se parece bastante al espacio vacío, y sin embargo, el argumento del firewall dice que el espacio debe «terminar» abruptamente en la ubicación del horizonte.

El objetivo principal de mi nuevo trabajo es darme cuenta de que hay múltiples capas de descripciones de un agujero negro, y la preservación de la información y la suavidad del horizonte se refieren a teorías en diferentes capas. En un nivel, podemos describir un agujero negro visto desde la distancia: el agujero negro se forma por el colapso de la materia, que finalmente se evapora dejando los cuantos de radiación de Hawking en el espacio. Desde esta perspectiva, el conocimiento de Maldacena se mantiene y no hay pérdida de información en el proceso. Esto se debe a que, en esta imagen, un objeto que cae hacia el agujero negro nunca entra en el horizonte, no debido a un cortafuegos sino a un retraso de tiempo entre el reloj del objeto que cae y el de un observador distante. El objeto parece estar lentamente «absorbido» en el horizonte,

Por otro lado, la imagen del interior del agujero negro emerge cuando se mira el sistema desde la perspectiva de alguien que cae en él. Aquí debemos «ignorar» los detalles finos del sistema que un observador que cae no podía ver porque él o ella solo tiene un tiempo finito hasta que llegan al punto singular en el centro del agujero negro. Esto limita la cantidad de información a la que pueden acceder, incluso en principio. El mundo que percibe el observador que cae, por lo tanto, es el «de grano grueso». Y en esta imagen, la información no necesita ser preservada porque ya desechamos alguna información incluso para llegar a esta perspectiva. Así es como la existencia del espacio-tiempo interior puede ser compatible con la preservación de la información: ¡son las propiedades de las descripciones de la naturaleza en diferentes niveles!

Para comprender mejor este concepto, la siguiente analogía podría ayudar. Imagine agua en un tanque y considere una teoría que describa las ondas en la superficie. En un nivel fundamental, el agua consiste en un montón de moléculas de agua, que se mueven, vibran y chocan entre sí. Con un conocimiento perfecto de sus propiedades, podemos describirlas de manera determinista sin pérdida de información. Esta descripción estaría completa y no habría necesidad de introducir siquiera el concepto de ondas. Por otro lado, podríamos centrarnos en las olas pasando por alto los detalles del nivel molecular y describiendo el agua como un líquido. La información a nivel atómico, sin embargo, no se conserva en esta descripción. Por ejemplo, una ola puede simplemente «desaparecer,

Este marco nos dice que la imagen del espacio-tiempo ofrecida por la relatividad general no es tan fundamental como podríamos haber pensado: es simplemente una imagen que emerge en un nivel superior en las descripciones jerárquicas de la naturaleza, al menos en relación con el interior de un agujero negro. . Se han discutido ideas similares anteriormente en diversas formas, pero el nuevo marco nos permite identificar explícitamente los grados de libertad microscópicos relevantes, en otras palabras, los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza, participando en la aparición del espacio-tiempo, que sorprendentemente involucra elementos que normalmente pensamos estar ubicado lejos de la región de interés.

Esta nueva forma de pensar sobre la paradoja también se puede aplicar a una configuración reciente ideada por Geoff Penington, Stephen H. Shenker, Douglas Stanford y Zhenbin Yang en el que el escenario de Maldacena se aplica de manera más rigurosa pero en sistemas simplificados. Esto nos permite identificar qué características de un agujero negro realista son o no capturadas por dichos análisis.