Telaraña de agujeros de gusano podría resolver una paradoja propuesta por Stephen Hawking


Una paradoja de agujero negro aparentemente intratable propuesta por primera vez por el físico Stephen Hawking finalmente podría resolverse mediante agujeros de gusano a través del espacio-tiempo.

La «paradoja de la información del agujero negro» se refiere al hecho de que la información no se puede destruir en el universo y, sin embargo, cuando un agujero negro finalmente se evapora, cualquier información que haya sido engullida por esta aspiradora cósmica debería haber desaparecido hace mucho tiempo. El nuevo estudio propone que la paradoja podría resolverse mediante el último código de trucos de la naturaleza: agujeros de gusano o pasajes a través del espacio-tiempo.

El agujero negro Cygnus X-1 está extrayendo material de una estrella compañera azul masiva. Una vez que esas «cosas» alcanzan el horizonte de sucesos, no hay escapatoria, ¿verdad? (Crédito de la imagen: NASA/CXC)

«Un agujero de gusano conecta el interior del agujero negro y la radiación exterior, como un puente», dijo en un comunicado Kanato Goto, físico teórico del Programa Interdisciplinario de Ciencias Teóricas y Matemáticas RIKEN en Japón.

Según la teoría de Goto, aparece una segunda superficie dentro del horizonte de eventos de un agujero negro, el límite más allá del cual nada puede escapar. Los hilos de un agujero de gusano conectan esa superficie con el mundo exterior, enredando la información entre el interior del agujero negro y las fugas de radiación en sus bordes.
Paradoja de la información del agujero negro

En la década de 1970, Hawking descubrió que los agujeros negros no son exactamente negros, pero al principio no se dio cuenta del gran problema que había creado. Antes de su descubrimiento, los físicos habían asumido que los agujeros negros eran extremadamente simples. Claro, todo tipo de cosas complicadas cayeron en ellos, pero los agujeros negros encerraron toda esa información, para que nunca más se volviera a ver.

Pero Hawking descubrió que los agujeros negros liberan radiación y eventualmente pueden evaporarse por completo, en un proceso que ahora se conoce como radiación de Hawking. Pero esa radiación no transportaba ninguna información en sí misma. De hecho, no podía; por definición, el horizonte de sucesos de un agujero negro impide que la información salga. Entonces, cuando un agujero negro finalmente se evapora y desaparece del universo, ¿a dónde fue toda su información encerrada?

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Esta es la paradoja de la información del agujero negro. Una posibilidad es que la información pueda ser destruida, lo que parece violar todo lo que sabemos sobre física. (Por ejemplo, si la información se puede perder, entonces no se puede reconstruir el pasado a partir de eventos presentes ni predecir eventos futuros). agujero negro se filtre a través de la radiación de Hawking. De esa forma, cuando el agujero negro desaparezca, la información seguirá presente en el universo.

De cualquier manera, describir este proceso requiere una nueva física.

«Esto sugiere que la relatividad general y la mecánica cuántica en su estado actual son inconsistentes entre sí», dijo Goto. «Tenemos que encontrar un marco unificado para la gravedad cuántica».

Una historia de dos entropías

En 1992, el físico Don Page, un antiguo estudiante graduado de Hawking, vio el problema de la paradoja de la información de otra manera. Comenzó observando el entrelazamiento cuántico, que es cuando las partículas distantes tienen sus destinos vinculados. Este entrelazamiento actúa como la conexión mecánica cuántica entre la radiación de Hawking y el propio agujero negro. Page midió la cantidad de entrelazamiento calculando la «entropía de entrelazamiento», que es una medida de la cantidad de información contenida en la radiación de Hawking entrelazada.

En el cálculo original de Hawking, no se escapa ninguna información y la entropía de entrelazamiento siempre aumenta hasta que el agujero negro finalmente desaparece. Pero Page encontró que si los agujeros negros realmente liberan información, la entropía de entrelazamiento inicialmente crece; luego, a la mitad de la vida del agujero negro, disminuye antes de llegar finalmente a cero, cuando el agujero negro se evapora (lo que significa que toda la información dentro del agujero negro finalmente ha escapado).

Si los cálculos de Page son correctos, esto sugiere que si los agujeros negros permiten que la información se escape, entonces algo especial tiene que suceder en el punto medio de sus vidas. Si bien el trabajo de Page no resolvió la paradoja de la información, les dio a los físicos algo jugoso en lo que trabajar. Si pudieran dar a los agujeros negros una crisis de mediana edad, entonces esa solución podría resolver la paradoja.

A través del agujero de gusano

Más recientemente, varios equipos de teóricos han estado aplicando técnicas matemáticas tomadas de la teoría de cuerdas, un enfoque para unificar la relatividad de Einstein con la mecánica cuántica, para examinar este problema. Estaban examinando cómo el espacio-tiempo cerca de un horizonte de eventos podría ser más complejo de lo que los científicos pensaron inicialmente. ¿Qué tan complejo? Tan complejo como sea posible, permitiendo cualquier tipo de curvatura y flexión a escala microscópica.

Su trabajo condujo a dos características sorprendentes. Uno fue la aparición de una «superficie extrema cuántica» justo debajo del horizonte de eventos. Esta superficie interior modera la cantidad de información que sale del agujero negro. Inicialmente, no hace mucho. Pero cuando el agujero negro está en la mitad de su vida, comienza a dominar el entrelazamiento, reduciendo la cantidad de información liberada, de modo que la entropía del entrelazamiento sigue las predicciones de Page.

En segundo lugar, los cálculos revelaron la presencia de agujeros de gusano, muchos de ellos. Estos agujeros de gusano parecían conectar la superficie extrema cuántica con el exterior del agujero negro, lo que permitió que la información pasara por alto el horizonte de eventos y se liberara como radiación de Hawking.

Pero ese trabajo previo solo se aplicó a modelos de «juguete» altamente simplificados (como versiones unidimensionales de agujeros negros). Con el trabajo de Goto, ese mismo resultado ahora se ha aplicado a escenarios más realistas, un gran avance que acerca este trabajo a la explicación de la realidad.

Aún así, hay muchas preguntas. Por un lado, aún no está claro si los agujeros de gusano que aparecen en las matemáticas son los mismos agujeros de gusano que consideramos atajos en el tiempo y el espacio.

Están tan profundamente enterrados en las matemáticas que es difícil determinar su significado físico. Por un lado, podría significar que los agujeros de gusano literales entran y salen de un agujero negro que se evapora. O podría ser simplemente una señal de que el espacio-tiempo cerca de un agujero negro no es local, lo cual es un sello distintivo del entrelazamiento: dos partículas entrelazadas no necesitan estar en contacto causal para influirse entre sí.

Uno de los otros problemas importantes es que, si bien los físicos han identificado un posible mecanismo para aliviar la paradoja, no saben cómo funciona realmente. No existe un proceso conocido que realmente realice el trabajo de tomar la información que está dentro de un agujero negro y codificarla en la radiación de Hawking. En otras palabras, los físicos han construido un posible camino para resolver la paradoja de la información, pero no han encontrado ninguna forma de construir los camiones que viajan por ese camino.
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«Todavía no conocemos el mecanismo básico de cómo la radiación se lleva la información», dijo Goto. «Necesitamos una teoría de la gravedad cuántica».

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