Agujeros Negros

Todavía no se ha apagado el eco causó un gran revuelo, el pasado 25 de agosto por Stephen Hawking durante la conferencia de la radiación de Hawking , celebrado en el Instituto Real de Tecnología KTH de Estocolmo, 24 de agosto al 29, 2015.Stephen Hawking y alrededor de una cuarenta de los más influyentes física del mundo se reunieron en el campus de la KTH para buscar una solución a un rompecabezas que ha desconcertado a la ciencia desde hace años: si las singularidades existen realmente en los negros agujeros y si la radiación de Hawking tiene alguna relevancia en su la existencia. Ya el año pasado, Hawking había sorprendido a la comunidad científica por lo que sugiere que " no hay agujeros negros, en el sentido de los regímenes de la cual la luz no puede escapar al infinito. " Con esta declaración significa que el horizonte de sucesos es en realidad un " aparente horizonte " más benigno que se suponía anteriormente, en el sentido de que pellizca la materia y la energía sólo temporalmente antes de liberarlos de forma permanente, aunque en una forma enmarañada. El 25 de agosto, 2015, en Estocolmo , a continuación, un año más tarde, se le ocurrió durante un discurso de ocho minutos con la siguiente afirmación: " La propuesta de que la información no se almacena en el interior del agujero negro como uno podría esperar, pero en su límite, el horizonte de sucesos ", o lo que sugiere que la información no se presenta dentro del agujero negro, como era de esperar, pero en su límite, el horizonte de sucesos.

En última instancia, Hawking realmente ha resuelto el problema de la pérdida de información sobre la materia que termina en un agujero negro? Varios físicos no creen, al menos por el momento, no tener un documento técnico sujeto a la revisión por pares , que debería publicarse a finales de septiembre. Voy a tratar, ahora, para enmarcar el tema con más detalle, y el estado de las cosas para el beneficio de aquellos que querían no sólo más sino también simplemente para entender la situación. Vamos a empezar por los negros agujeros : ¿qué son? (Sin entrar en detalles técnicos incomprensibles para el lector promedio) ► AGUJEROS BLACKSagujeros negros son, en teoría, los objetos que se pueden formar con relativa facilidad. Es suficiente con que usted se concentra una gran masa (o su equivalente energético, basado en la fórmula usada en exceso E = mc ^ 2 ) en una región del espacio lo suficientemente pequeño ... para conseguir nuestro hermoso agujero negro! Esto normalmente se realiza cuando el núcleo de una estrella masiva (masa igual a por lo menos ocho, y no más de 40-50 masas solares) implosiona, al final de su ciclo de vida, porque ya no puede auto-sostenible debido al colapso gravitacional.La presión que soporta una estrella deriva, de hecho, el calor producido por las reacciones termonucleares que se producen en su núcleo. Cuando este último cese de producción de energía, y como resultado, que el lugar ya no, la estrella se dirige hacia el colapso gravitacional .

Las fases del colapso gravitacional del núcleo de una estrella masiva. En la fuente , hay una explicación de las diferentes etapas.

En una estrella de masa pequeña o masa media * , el colapso puede ser detenido por la presión de degeneración de Fermi electrones y la estrella se convierte en unaenana blanca .

En las estrellas masivas, con masas tan alta que 8 masas solares, el colapso no se puede detener, el saldo de la estrella se rompe y se lleva a cabo, como consecuencia, una violenta explosión que crea una supernova de tipo II . La explosión de la supernova dejará un degenerado residuo, que, dependiendo de la masa inicial de la estrella progenitora, puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro .

Según los datos científicos corroborados, en el primer caso la estrella progenitora tiene una masa de generalmente menos de 20 masas solares, mientras que en el caso de que el agujero negro tiene una masa generalmente superior a 20 masas solares.

Más en detalle, si la masa del residuo degenerado es entre 1,4 y 3,8 masas solares (límite de Chandrasekhar ), se colapsa más en una estrella de neutrones: los electrones se combinan con los protones de acuerdo con el siguiente esquema, donde el neutrino se emite desde el núcleo, dejando a los neutrones: protón electrón + neutrón → + neutrino Si la masa del núcleo degenerado excede 3,8 masas solares (límite de Oppenheimer-Volkoff) o bien la presión generada por los neutrones puede detener el colapso, que trae la estrella para formar un agujero negro. En este caso, la enorme materia residual es "aspirado" en un solo punto ( singularidad gravitacional , llamarlo física): la densidad de la materia se convierte teóricamente infinito, espacio y tiempo distorsionado tan severamente que el mismo tejido de la espacio-tiempo se debate. La gravedad llega a ser tan extrema que ni siquiera la luz puede escapar, y termina el tiempo mismo. Se forma el agujero negro .

El colapso de un agujero negro y la estrella en la formación de un estallido de rayos gamma de chorros relativistas.

fuente

Con el tiempo, los negros agujeros pueden engullir la materia circundante o fusionarse con otros objetos u otros agujeros negros, cada vez más y más masivo. Algunas galaxias, como la Vía Láctea, contienen su centro de negros agujeros en masa de millones de masas solares; el más grande en magnitud, llegar a miles o decenas de miles de masas solares. Se puso tan lejos? ► AGUJEROS NEGROS SON evitar dudas, lo digo de inmediato la existencia de los agujeros negros, aunque es esencialmente imposible de observar directamente, debido a su propia naturaleza! Sabemos que hay diferentes observaciones indirectas: - sabemos, desde diferentes órbitas de las estrellas (un clúster de aproximadamente 100 estrellas, conocidas como S-cluster ), hay un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia. - Sabemos que hay sistemas formados por dos agujeros negros. -Encontramos el infrarrojo "firma" de más de un millón de negros supermasivos agujeros , gracias a los datos del telescopio espacial WISE . - Sabemos que hayagujeros negros estelares y los agujeros negros de masa intermedia . - También se observó una nube de gas trizas por un agujero negro. - Y hemos capturadoimágenes de los negros agujeros como lo que ves en la imagen en el centro de lagalaxia elíptica NGC 4261 .

Galaxy NGC4261. A la derecha, el "cierre" imagen de las regiones nucleares. Tenga en cuenta la forma de una "rosquilla" del disco de gas y polvo, que crece alrededor del agujero negro central (Créditos: NASA / ESA STScI)..

Aclarado este punto, procedemos. ► Las paradojas nos dimos cuenta de que los negros agujeros son objetos difíciles de tratar. Como se ha descrito hasta ahora pertenece al enfoque proporcionado por la teoría de la relatividad general , que teorizó la existencia. La característica distintiva de un agujero negro es su horizonte de sucesos , un límite espacio-tiempo ideal, que puede ser cruzado sólo desde el exterior, lo que significa que va más allá de cualquier cosa, incluyendo la luz, no puede volver porque es atraído inexorablemente hacia la singularidad gravitacional. Para ver, de alguna manera, el horizonte de sucesos, se puede imaginar como una especie demembrana unidireccional : la materia y la luz puede entrar pero nada puede salir.Históricamente , el horizonte de sucesos es la solución de la " ecuación de Einstein .Esta solución representa un campo gravitatorio estático y la simetría esférica. Sin entrar en detalles técnicos y la historia de los estudios científicos han desarrollado en este sentido, podemos decir con buena aproximación que el horizonte de sucesos puede ser pensado como una superficie aproximadamente esférica.

imagen de origen

Si se produce un evento dentro de sus fronteras, la información que le concierne no puede llegar a un observador externo, por lo que es imposible determinar si el evento ocurrió realmente. De acuerdo con la relatividad general, de hecho, la presencia de una masa se deforma la estructura de espacio-tiempo de tal manera que los caminos seguidos por las partículas curva hacia la masa del agujero, se concentró en su singularidad. En el horizonte de eventos, esta deformación se vuelve tan fuerte que no hay caminos para escapar del agujero negro. En la teoría de la relatividad general, y en la astrofísica, el teorema de no - el pelo o la esencialidad postula que uno puede discernir sólo tres parámetros observables externamente de un agujero negro: masa, carga eléctrica, el momento angular . Cualquier otra información relativa a la cuestión de la cual se formó un agujero negro o la materia que cae dentro de "desaparecer" detrás de su horizonte de sucesos y por lo tanto están permanentemente inaccesible para los observadores externos. La información perdida incluye cada cantidad que no se puede medir de distancia desde el horizonte del agujero negro, incluyendonúmeros cuánticos aproximadamente conservados , como el número total debaryon y lepton . La paradoja de la información Y aquí está el primer dilema, conocido como la paradoja de la pérdida de información o paradoja del agujero negro información . Esta paradoja plantea una pregunta crucial: la información realmente puede ser destruido? En general se cree que la información no puede ser destruido a causa de algunos principios básicos que son las piedras angulares de la física. El primero es un principio conocido como el determinismo , según la cual, en todo el universo, si usted tiene una descripción precisa de lo que está sucediendo en este momento, siempre se puede predecir lo que sucederá después. El futuro está determinado por esto. El segundo principio es conocido como la reversibilidad .En pocas palabras, la observación del universo hoy en día, sabemos lo que ocurrió hace mil millones de años. Esto es determinado por el pasado. Estos dos principios nos dicen que el " mundo es predecible , sino también que la información debe ser preservado. Si, de hecho, el estado actual del universo está determinado por el pasado, esto necesariamente tuvo que contener toda esta información. Del mismo modo, si el futuro está determinado por esto, entonces esto debe contener toda la información que el futuro del universo. Pero ... no hemos visto que los negros agujeros destruyen información? A primera vista parecería que sí, y luego los negros agujeros violaría las leyes básicas de la física, la generación de la paradoja de la información del agujero negro. Pero, en realidad, el problema es más sutil. De acuerdo con la teoría de la relatividad general, cuando se ha formado un agujero negro, existirá siempre, accrescendosi en el tiempo como ingurgiterà otro asunto. Entonces, si el agujero negro está todavía allí, de hecho, la información no es irremediablemente destruido, mientras que queda en el interior inaccesible. Y aquí las cosas se complican aún más ... con la radiación de Hawking. # Primer escenario: La radiación deHawking En los años setenta , se desarrolló una nueva rama: la termodinámica de los agujeros negros a la que Stephen Hawking ha hecho una gran contribución. La radiación Hawking, también conocido como Bekenstein-Hawking , es una radiación térmica que se cree que es emitida por los agujeros negros debido a los efectos cuánticos. En 1974 , que en teoría ha demostrado su existencia, pero aún no han surgido evidencia experimental respecto. Se deriva de la aplicación de los principios de la mecánica cuántica cerca del horizonte de sucesos.

De acuerdo con la concepción clásica , los negros agujeros ejercen una atracción gravitatoria tan intenso como para no permitir que la luz escape. Sin embargo, lejos del horizonte de eventos, los efectos gravitacionales podrían considerarse tan débil como para justificar la intervención de la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvado. Hawking ha demostrado cómo los efectos cuánticos permiten negros agujeros para emitir radiación de una cuerpo negro , con la solución exacta correspondiente a la media de la radiación térmica emitida por una fuente térmica idealizada.

No estoy aquí para describir en detalle cómo la información es físicamente proceso de no complicar aún más el artículo. Baste decir que la radiación no viene desde el agujero negro, pero es el resultado de partículas virtuales, que aparecen en pares partícula-antipartícula en cerca del horizonte de sucesos, que se vuelven reales, debido a que el agujero negro de la gravedad. De hecho, los pares de partícula-antipartícula se aniquilan instantáneamente en el espacio vacío, pero de acuerdo conHawking en el mundo cuántico espacio "vacío" no es realmente vacía.

Así que cuando un par partícula-antipartícula aparece justo fuera del horizonte de un agujero negro, de acuerdo con Hawking uno puede caer en el agujero negro antes de los dos aniquiladora recombinan, permitiendo que el compañero sobreviviente de escapar hacia el exterior en la forma de La radiación térmica . La partícula condenados, que tiene que tener la energía negativa (con respecto a un observador que está muy lejos del agujero negro), equilibraría (guardando el principio de conservación de la energía en general) la ' energía positiva de la partícula de salida, con lo que la energía negativa hacia 'interior, que está permitido por las reglas cuánticas. A través de este proceso, el agujero negro, sin embargo, podría perder masa y para un observador externo podría parecer que el agujero en sí acaba de emitir una partícula. El agujero negro se reduciría inevitablemente ... hasta "evaporar " por completo.

Y la información? Se pierde o no? La mecánica cuántica dice que la información no puede ser destruida. En principio, se puede recuperar la información acerca de lo que cae en un agujero negro, que mide el estado cuántico de la radiación de salida. Sin embargo, Hawking ha demostrado que no es tan fácil de hacer porque la radiación saliente es totalmente al azar. Tal aleatoriedad sería irremediablemente perderá la información! La paradoja se mantiene como un monolito inamovible ! Como se acaba de describir es un escenario que intenta explicar lo que ocurre con la información contenida en la materia, cuando cae en un agujero negro. El análisis original Hawkingya se ha perfeccionado y ampliado por muchos investigadores, y su conclusión por ahora casi universalmente aceptado. Pero la ' evaporación de un agujero negro lleva a una paradoja que desafía a la teoría cuántica, un tema que ha dividido en dos la comunidad de la física. # Segundo escenario: la paradoja del cortafuegos La presencia de la radiación de Hawking por lo tanto crea situaciones paradójicas : por un lado, con la relatividad general, que los negros agujeros no pueden evaporarse pero sólo tragar masa y crecer, el otro con la teoría cuántica que quiere guardar la información de la materia que cae en el agujero negro. Los físicos han enrocado en dos posiciones , la de Hawking (que tiene un fondo en la física gravitacional) en el que se perdió la información, y la de John Preskill , un físico cuántico en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena (teniendo así un fondo de física de partículas elementales), según el cual la información tuvo que ser recuperada, incluso si no podía entender cómo hacerlo sin nuevos y más profundos conocimientos sobre la física de los procesos, en los que son tan importantes como los efectos cuánticos que las gravitacionales. El enfrentamiento continuó durante más de veinte años y en1997 culminó con la famosa apuesta entre Hawkin gy Preskill . Pero aún así , en 1997 , un descubrimiento de Juan Martìn Maldacena , un joven físico en el tiempo de profesor asociado en la Universidad de Harvard en Cambridge, se rompió el estancamiento de larga data. La intuición de Maldacenza se construyó sobre una propuesta anterior a Leonard Susskind , teórico de cuerdas en la Universidad de Stanford en California. Según la propuesta, cualquier región tridimensional de nuestro universo puede ser descrito por la información codificada en su frontera bidimensional, casi de la misma manera que la luz láser puede codificar una escena 3D en un holograma 2D. En resumen , Maldacenza propuso una formulación matemática concreta de la idea de holograma , que hizo uso del contenido típico de la teoría de las supercuerdas . Su modelo proporciona un universo tridimensional que contiene cadenas y negros agujeros que se rigen sólo por la gravedad, definidos por una superficie de dos dimensiones, en el que las partículas elementales y campos obedecen las leyes de la gravedad cuántica no ordinario. hipotéticos habitantes de un espacio tridimensional nunca verían esta frontera tan infinitamente lejos. Pero esto no sería un problema: no importa lo que sucede en el universo 3D podría describirse igualmente bien a partir de ecuaciones universo 2D y viceversa. Esto significa que incluso la evaporación de un agujero negro en tres dimensiones podría describirse en el mundo de dos dimensiones, donde no hay gravedad, donde reinante leyes cuánticas y donde la información no pueda perderse. Y si la información se almacena allí, entonces también debe ser mantenido en el mundo tridimensional. De alguna manera, la 'información debe escapar de los agujeros negros, salvarse a sí mismos . Unos años más tarde, Marolf demostró que todos los modelos de la gravedad cuántica obedece a las mismas normas, sean o no construido por la teoría de cuerdas. En 2004 , Hawking admitió públicamente que estaba equivocado, y dio Preskill una enciclopedia de béisbol a la altura de su apuesta. La paradoja de la información fue así finalmente resuelto? La mayoría de los físicos creían que era, a pesar de que hasta ahora nadie había explicado cómo la radiación de Hawking podría robar la información del agujero negro. Probablemente, se suponía que habría una respuesta directa y concreta. Pero no lo hizo. Cuando Polchinski y su equipo formado por físicos Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski, James Sully , conocido por el acrónimo AMPS (en la que el p corresponde a la citada Polchinski), decidieron aportar claridad a esta última pregunta de principios de 2012, pronto se encontró con otro gran problema: la paradoja cortafuegos !

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Hawking se había demostrado que el estado cuántico de todo tipo de escape de partículas de un agujero negro es totalmente al azar y, por esta razón, no se puede realizar ninguna información útil. Sin embargo, a mediados de los años 90 , Susskindy otros científicos habían acordado que la información puede ser codificada en el estado cuántico de la radiación en su conjunto, si los estados de las partículas podrían ser algo "por lo entlangled ", o tan estrechamente relacionados entre sí que la medición llevada a cabo en uno de los pares influencia inmediatamente partícula su "gemelo", independientemente de la distancia entre los dos. Pero, ¿cómo pudo suceder esto, pidieron a los físicos del equipo Polchinski ? Una partícula emitida, debe ser " enredada " con su gemelo sacrificó el agujero negro. Y si Susskind y sus colegas estaban en lo cierto, la partícula tendría que ser " enredarse" con toda la radiación de Hawking , emitido antes de la propia partícula! Siendo una consecuencia rigurosa de la mecánica cuántica, llamados " monogamia dell ' enredo " , establece que un sistema cuántico no puede ser completamente interrelacionado con dos sistemas independientes de forma simultánea. Para escapar de esta paradoja, Polchinski y sus colaboradores de acuerdo en que uno de los dos enredo tuvieron que ser roto. Reacios a abandonar lo que se necesita para codificar la información en la radiación de Hawking , decidieron romper el enlace entre la partícula Hawking en la carrera y su hermana caer en el agujero. Pero había un cargo para esta opción porque el proceso necesario para romper el ' entrelazamiento cuántico de la pareja, es violenta energía y libera como sucede cuando se rompen los enlaces moleculares. La energía liberada como resultado de la interrupción de la correlación dentro de numerosos pares partícula-antipartícula sería enorme . El horizonte de sucesos, literalmente, se convertiría en un muro de fuego que incenerirebbe instante cualquiera que intentara cruzarlo. La existencia del servidor de seguridad , a su vez, viola el principio de equivalencia de la relatividad general y su supuesto de que la caída libre debe ser visto como la fluctuación en el espacio vacío, lo cual es imposible cuando se incinera la primera partícula del par. Por lo tanto, el grupo AMPSpublicado en una arXiv papel , lo que plantea físicos enfrenta a una elección difícil: o bien aceptar la existencia del servidor de seguridad y con esto el colapso de la relatividad general, o aceptar que la información se pierde en los agujeros negros y que la mecánica cuántica es incorrecto. Para el grupo de AMPS, la elección de la pared de fuego que parecía ser la opción menos loco, pero otro curso física no estuvo de acuerdo en absoluto. Imagínese lo que podría significar que usted elija para anular la relatividad general !!! En el documento se sacudió profundamente la comunidad de físicos obviamente. Desde entonces, más de 40 documentos han sido publicados en arXiv sobre ello, pero hasta ahora nadie ha encontrado un fallo en la lógica del grupo AMPS, aunque se han ofrecido una serie de soluciones creativas. De acuerdo conSusskind , si AMPS es un error, es una manera muy interesante, lo que dará un nuevo impulso a la física, es de esperar hacia una teoría sólida de la gravedad cuántica. Los agujeros negros son objetos interesantes para los físicos, después de todo, ya que se pueden aplicar tanto a la relatividad general que la mecánica cuántica, a diferencia del resto del universo, en el que los objetos se rigen por la mecánica cuántica en la escala subatómica y la relatividad general en la macroescala. Ambos funcionan bien en sus respectivas áreas, pero los físicos les gustaría combinarlos con el fin de arrojar luz sobre las anomalías, como los negros agujeros y, por extensión, sobre los orígenes del universo. Una cosa es cierta: el problema no se resuelve todavía . Es en este punto de la historia que coloca a la propuesta presentada porHawking 25 de de agosto de, 2015, en Estocolmo, en la que la información puede ser en realidad nunca se debe entrar en el agujero negro, pero podría ser almacenado en la superficie horizonte. " La propuesta de que la información no se almacena en el interior del agujero negro como era de esperar, pero en su límite, el horizonte de sucesos , ...", dijo a la conferencia a menudo citado 25 de agosto pasado, en Estocolmo. Pero, ¿cómo no habría ser preservado? Hawking ha planteado la hipótesis de que la información reside en el horizonte de eventos, en los llamados "supertranslations " (super traducciones), que son "huellas dactilares" que causarían un cambio en la posición o en el tiempo (distribución del tiempo) de las partículas emitidas por la radiación Hawking . " Se almacena en el horizonte en forma de supertranslations, que puede hacer un pequeño retardo para la emisión de partículas Hawking. Lo cual, presumiblemente, puede codificar información en la radiación. "Estas supertranslations estarían formados por las partículas de estrella muerta, y de otro material, cae cuando el agujero negro por primera vez cruzó el horizonte de sucesos. Durante la conferencia, Hawking dijo que las traducciones súper son un holograma de partículas entrantes en el agujero negro. Como se puede leer en el artículo de The Economist , la inspiración vendría a Hawking escuchar, en una conferencia en abril, un informe sobre los llamados traducciones súper, los elementos matemáticos (quizás transformaciones físicas preferiría decir en lugar de elementos) incluido en la teoría grupos . Hawking cree que las partículas entrantes quitan su información como un manto, que pasan en un agujero negro, dejándolo tendido en el horizonte de los eventos en sí. El Super traducciones matemáticamente describen cómo una corriente de información entrante de este tipo puede oscilar ligeramente espacio de la tela del horizonte, a su vez, se mueve cuándo y cómo el agujero negro emite radiación. Hawking también ha admitido que la información no sería fácilmente recuperable, pero eso no debe ser destruida habría resuelto la paradoja . " La información sobre las partículas entrante se devuelve pero en una forma caótica inútil", dijo, y " Para todos los efectos prácticos se pierde la información ." Es decir " La información sobre las partículas, que entra en el agujero negro, que se devuelve en un inútil caóticamente forma " y " Para todos los efectos prácticos se pierde la información ." Así, sin saber qué hacer con la información recuperada no es una perspectiva reconfortante, pero para la especulación teórica es fundamental haber resuelto la paradoja ... con el tiempo . Por lo que es. Sin embargo, la conferencia deHawking fue breve y no ofreció otros elementos de clarificación. Por lo tanto, para averiguar si su idea de verdad representa un paso hacia una solución al dilema, es necesario esperar a la publicación del libro blanco. Referencias - Termodinámica de los agujeros negros y la radiación Hawking - Agujeros negros no cuentan cuentos. O hacen? - Stephen Hawking no ha resuelto el Agujero Negro paradoja por el momento -En la oscuridad de los negros agujeros - Radiación de Hawking - Fuego en el agujero!- Los agujeros negros y los muros académicos - Agujeros negros: Complementariedad o cortafuegos? - En la concesión de Hawking - Los agujeros negros e información: Una crisis de la física cuántica - Memoria gravitacional, BMS Supertranslations y teoremas Soft - Un mundo como un holograma - El límite de N grande de las teorías Superconformal de campo y Supergravity - unitaridad y la holografía en la física gravitatoria - Alice y Bob Conoce el Muro de Fuego - Hawking propone nueva idea de cómo la información puede escapar de un agujero negro