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CIENCIA. En qué consiste la "radiación de Hawking" y la paradoja de la información

 

NDRZEJ WOJCICKI / BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA / Getty Images

La radiación de Hawking, a veces también llamada radiación de Bekenstein-Hawking, es una predicción teórica del físico británico Stephen Hawking  que explica las propiedades térmicas relacionadas con los agujeros negros .

Normalmente, se considera que un agujero negro atrae hacia él toda la materia y la energía de la región circundante, como resultado de los intensos campos gravitacionales. Sin embargo, en 1972, el físico israelí Jacob Bekenstein sugirió que los agujeros negros deberían tener una entropía bien definida e inició el desarrollo de la termodinámica de los agujeros negros, incluida la emisión de energía. 

En 1974, Hawking elaboró ​​el modelo teórico exacto de cómo un agujero negro podría emitir radiación de cuerpo negro .

La radiación de Hawking fue una de las primeras predicciones teóricas que proporcionó información sobre cómo la gravedad puede relacionarse con otras formas de energía, que es una parte necesaria de cualquier teoría de  la gravedad cuántica.


La desintegración simulada de un agujero negro no solo da como resultado la emisión de radiación, sino la desintegración de la masa en órbita central que mantiene la mayoría de los objetos estables. Los agujeros negros no son objetos estáticos, sino que cambian con el tiempo.

La única luz que hemos observado de un agujero negro no proviene del interior del agujero negro en sí, sino de la materia acelerada que interactúa en algún lugar fuera del horizonte de eventos (sucesos). Sin embargo, hay un tipo de luz muy particular que los agujeros negros deberían emitir: la radiación de Hawking, posiblemente el mayor avance de la carrera científica de Stephen Hawking.

Explicación de la teoría de la radiación de Hawking

En una versión simplificada de la explicación, Hawking predijo que las fluctuaciones de energía del vacío causan la generación de pares de partículas virtuales partícula-antipartícula cerca del horizonte de eventos del agujero negro. Una de las partículas cae al agujero negro mientras que la otra escapa antes de que tengan la oportunidad de aniquilarse entre sí. El resultado neto es que, para alguien que vea el agujero negro, parecería que se ha emitido una partícula.


Una ilustración de un espacio-tiempo muy curvado para una masa puntual, que corresponde a la física escenario de estar ubicado fuera del horizonte de eventos de un agujero negro. A medida que te acercas cada vez más a la ubicación de la masa en el espacio-tiempo, el espacio se vuelve más curvado y eventualmente conduce a una ubicación desde dentro de la cual ni siquiera la luz puede escapar: el horizonte de eventos. El radio de esa ubicación está determinado por la masa, la carga y el momento angular del agujero negro, la velocidad de la luz y las leyes de la relatividad general únicamente.


Dado que la partícula que se emite tiene energía positiva, la partícula que es absorbida por el agujero negro tiene energía negativa en relación con el universo exterior. Esto da como resultado que el agujero negro pierda energía y, por lo tanto, masa (porque E = mc 2 ).

Los agujeros negros primordiales más pequeños en realidad pueden emitir más energía de la que absorben, lo que hace que pierdan masa neta y, teóricamente, tiendan a desaparecer. Los agujeros negros más grandes , como los que son una masa solar, absorben más radiación cósmica de la que emiten a través de la radiación de Hawking.


La masa de un agujero negro es el único factor determinante del radio del horizonte de sucesos, para un agujero negro aislado, no giratorio. Durante mucho tiempo se pensó que los agujeros negros eran objetos estáticos en el espacio-tiempo del Universo, y la Relatividad General les asignó una entropía de 0. Esto, por supuesto, ya no es el caso una vez que se tiene en cuenta la física cuántica.

Los observadores en regiones del espacio con diferentes cantidades de curvatura espacial no están de acuerdo entre sí en cuanto a cuál es la energía de punto cero del vacío cuántico. La diferencia en los valores de los campos cuánticos en varios puntos en un espacio severamente curvado es lo que conduce a la producción de radiación, lo que también explica por qué la radiación se produce sobre un gran volumen que rodea al agujero negro, no solo en el horizonte de eventos.

La siguiente pregunta, que es donde Hawking hizo su trabajo más espectacular en 1974  , es responder a estas preguntas: ¿cuáles son la temperatura, el flujo y el espectro de energía de esta radiación de Hawking? La respuesta, maravillosamente, es simple: el espectro es siempre un cuerpo negro, mientras que la temperatura y el flujo están determinados únicamente por la masa. Pero, quizás irónicamente, cuanto mayor es la masa del agujero negro, menor es la temperatura y el flujo.


Ilustración artística de dos estrellas de neutrones fusionadas. Las fusiones binarias de estrellas de neutrones deberían producir el agujeros negros de masa más baja en el Universo: hasta aproximadamente 2,5 masas solares. Estos agujeros negros de menor masa emitirán la mayor cantidad de radiación de Hawking.

En otras palabras, los agujeros negros más pesados ​​emiten radiación Hawking de menor temperatura y menor energía, y menos también. La temperatura es inversamente proporcional a la masa, mientras que el flujo es inversamente proporcional a la masa al cuadrado. Ponlos juntos, y significa que los agujeros negros más masivos viven más tiempo por un factor de su masa al cubo. Si queremos saber a dónde ir para encontrar las fuentes más brillantes de radiación de Hawking, tenemos que encontrar los agujeros negros de menor masa de todos.


Paradoja de la información

No importa lo que hagas en el Universo, su entropía general siempre aumenta. Incluso cuando ponemos las cosas en orden, armando un rompecabezas, limpiando nuestras casas, incluso sin hervir las claras de huevo , solo disminuye la entropía local de ese componente aislado de nuestro sistema. La energía que tenemos que gastar para lograr estas hazañas aumenta la entropía total en una cantidad mayor de lo que el proceso de "ordenar" la disminuye y, como resultado, la entropía siempre aumenta. Desde otra perspectiva equivalente , la cantidad total de información en un sistema físico sólo puede permanecer igual o aumentar; nunca puede bajar.

Pero para los agujeros negros, ese no parece ser el caso. Si arrojas un libro a un agujero negro, ese libro contiene todo tipo de información: el orden de las páginas, el texto que contienen, las propiedades cuánticas de las partículas que componen las páginas y la portada, etc. Esa información entra en el agujero negro, añadiendo a su masa / energía. Mucho más tarde, cuando el agujero negro decae a través de la radiación de Hawking , esa energía vuelve a salir, pero se predice que la información será totalmente aleatoria: la información del libro ha sido borrada. A pesar de una afirmación reciente de que la paradoja ha llegado a su fin , todavía sigue sin resolverse.


El horizonte de sucesos de un agujero negro es una región esférica o esferoidal de la que nada, ni siquiera luz, puede escapar. Pero fuera del horizonte de eventos, se predice que el agujero negro emitirá radiación. El trabajo de Hawking de 1974 fue el primero en demostrar esto, pero ese trabajo también ha llevado a una paradoja que aún no se ha resuelto.

Cada partícula que existe en el Universo tiene una cierta cantidad de información inherente a ella. Algunas de esas propiedades son estáticas: cosas como masa, carga, momento magnético, etc. Pero otras propiedades dependen del sistema del que forma parte, así como de la historia de sus interacciones: cosas como sus propiedades de entrelazamiento cuántico, su espín y momento angular orbital, y si está ligado a otras partículas cuánticas. Si pudiéramos conocer el microestado exacto de un sistema, el estado cuántico de cada partícula incluida en él, sabríamos todo lo que se pueda saber sobre él.

Por supuesto, en realidad, eso no es físicamente posible. Tenemos propiedades que conocemos y podemos medir, como la temperatura de un gas, y luego cosas que no sabemos, como las posiciones y los momentos de cada átomo de ese gas. En lugar de pensar en la entropía como una medida de desorden, que es engañosa e incompleta, es más exacto pensar en la entropía como la cantidad de "información faltante" necesaria para determinar el microestado específico de su sistema. Esa definición de entropía es clave para dar sentido a la idea de información cuántica . 

Hawking especuló sobre la posibilidad de que la información relativa a los objetos que eran "engullidos" por un agujero negro quedaba "almacenada" en la materia entorno al horizonte de sucesos. Sin embargo, esta teoría no explicaría dónde iba a parar la información en el caso de que un agujero negro desapareciese por completo y cómo este hecho afectaría a las leyes físicas del universo.

Controversia y otras teorías sobre la radiación de los agujeros negros

Aunque la radiación de Hawking es generalmente aceptada por la comunidad científica, todavía existe cierta controversia asociada con ella. La masa mínima para un agujero negro que nuestro Universo es capaz de crear es de alrededor de 2,5 masas solares: más pesada incluso que nuestro propio Sol. Tendría una temperatura de alrededor de 25 nanokelvin, una señal virtualmente imposible de desenredar contra el ruido proporcionado por el Fondo de Microondas Cósmico, unos 100 millones de veces más caliente. A menos que existan agujeros negros de masa mucho menor, y los datos desfavorezcan fuertemente la existencia de estos agujeros negros primordiales , la radiación de Hawking debería permanecer indetectable.

Existe la preocupación de que, en última instancia, resulte en la pérdida de información, lo que desafía la creencia de que la información no se puede crear ni destruir. Esta pérdida de información sería equivalente a la no-existencia de nuestro pasado. Es lo que se conoce como "paradoja de la información", un fallo en el proceso determinista.

Alternativamente, aquellos que realmente no creen que los agujeros negros existan son igualmente reacios a aceptar que absorben partículas.

Además, los físicos desafiaron los cálculos originales de Hawking en lo que se conoció como el problema trans-Planckiano con el argumento de que las partículas cuánticas cercanas al horizonte gravitacional se comportan de manera peculiar y no se pueden observar o calcular basándose en la diferenciación espacio-temporal entre las coordenadas de observación y aquello que está siendo observado.

Como la mayoría de los elementos de la física cuántica, los experimentos observables y comprobables relacionados con la teoría de la radiación de Hawking son casi imposibles de realizar. Además, este efecto es demasiado pequeño para ser observado bajo las condiciones experimentales de la ciencia moderna, por lo que los resultados de tales experimentos aún no son concluyentes para probar esta teoría.


Fuentes:

- Jones, Andrew Zimmerman. "Black Holes and Hawking Radiation." ThoughtCo, Aug. 26, 2020.

Hawking radiation power equations for black holes. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0550321317302638

What Is Hawking Radiation?. https://www.sciencealert.com/hawking-radiation

-  Hawking Radiation. https://doi.org/10.1142/8812 | August 2018

The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End. https://www.wired.com/story/the-black-hole-information-paradox-comes-to-an-end/


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