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30 de Junio de 2019
Física

Los filósofos analizan un nuevo descubrimiento relativo a los «agujeros negros sónicos»

Las opiniones difieren acerca de lo que recientes experimentos con fluidos que atrapan el sonido revelan sobre los agujeros negros que atrapan la luz.

Los agujeros negros flotan en las galaxias o se alojan, con tamaños mucho mayores, en su centro mismo. Sin embargo, se pueden hacer análogos suyos en el laboratorio por medio de fluidos extremadamente fríos con propiedades cuánticas (unos condensados de Bose-Einstein). En la imagen, el núcleo activo de la galaxia Markarian 1018 (un agujero negro supermasivo que absorbe materia en cantidad suficiente para que se genere a su alrededor una inmensa cantidad de energía, lo que no tiene nada que ver con la radiación de Hawking), en luz visible (a la izquierda) y en rayos X [Rayos X: NASA/CXC/Univ. de Sydney/R.McElroy et al.; óptico: ESO/CARS Survey].

En mayo, un equipo de físicos comunicaba en Nature que un fluido que atrapa sonido, análogo a un agujero negro que atrapa luz, radia un espectro de energías genérico, sin rasgos identificativos, lo mismo que Stephen Hawking predijo para las invisibles esferas cuyo estudio le hizo famoso. Pero las opiniones difieren acerca de qué revela este análogo sónico de un agujero negro sobre los agujeros negros de verdad, como ese al que hace poco se le fotografió la silueta.

El problema está en cómo se debe interpretar la curiosa analogía entre un fluido de átomos de rubidio que está en un laboratorio de Israel y los misteriosos abismos astrofísicos que, en la mayoría de los casos, se crean cuando una estrella enorme agota su combustible y se derrumba sobre sí misma.

Algunos filósofos y algunos físicos sostienen que de los nuevos hallazgos se siguen importantes consecuencias para la paradoja de la información de los agujeros negros. Otros piensan que el experimento del fluido es una exhibición entretenida que nada dice sobre los agujeros negros o su misterio.

La paradoja deriva de una idea formulada en 1974 por Hawking: que los agujeros negros no son realmente negros. El «horizonte de sucesos», que se presenta como una zona negra esférica, señala el entorno inmediato al agujero donde la gravedad de este es tan fuerte que ni siquiera los rayos de luz pueden ya trepar y escapar. Pero Hawking argumentó que el espaciotiempo experimentaría en el horizonte de sucesos «fluctuaciones cuánticas» por las que pares de partículas y antipartículas surgirían espontáneamente en el vacío. Por lo normal, esas partículas opuestas se aniquilan y devuelven la energía que toman fugazmente del inventario del universo. Pero una partícula y una antipartícula que se materializasen a cada lado del horizonte de sucesos de un agujero negro se verían apartadas la una de la otra.

Cuando se crea permanentemente una nueva partícula se le roba energía al vacío y se radia desde el horizonte, tal y como comprendió Hawking: es la llamada «radiación de Hawking». A su pareja, en cambio, le toca caer y llevar consigo energía negativa adentro del agujero negro. En otras palabras: los agujeros negros pierden energía al radiar. Se van evaporando despacio y se encogen, hasta que al final acaban por desaparecer completamente.

El problema está en que, según los cálculos de Hawking, la radiación del agujero negro es aleatoria: su espectro de energías es «térmico», sin características propias; no lleva información sobre el agujero negro o de lo que quiera que lo formase o cayese luego en él. Significa que un agujero negro destruye información mientras se evapora, pero eso lo prohíbe la mecánica cuántica. Las matemáticas de esta se basan en la premisa de que la información no se pierde nunca. Mientras las partículas se reordenan y transforman se mantiene siempre un registro del pasado, codificado en el presente y en el futuro. En teoría, podríamos recrear un libro quemado a partir de sus cenizas si hiciésemos que el tiempo volviera sobre sus pasos.

En las décadas que han pasado desde que Hawking enunciase su predicción, la paradoja de la información ha motivado la persecución de un conocimiento más profundo de la naturaleza. Está muy extendida hoy entre los físicos la idea de que la información cuántica se preserva: que la naturaleza cuántica de la gravedad modifica de alguna forma los horizontes de sucesos (y corrige los cálculos de Hawking) de forma tal que en la radiación de Hawking emitida se encripta un registro del pasado. La cuestión es cómo sale la información cuántica.

Hace años, el físico teórico Bill Unruh sostuvo que las ideas de Hawking sobre los agujeros negros se podían aplicar a los «horizontes sónicos». Esto suscitó que se pensase en poner a prueba las matemáticas de Hawking mediante una analogía. Empezó así la carrera por crear en el laboratorio análogos de un agujero negro. El que más éxito ha tenido entre quienes se han dedicado a ello, Jeff Steinhauer, del Technion de Haifa, en Israel, genera un horizonte sónico acelerando un fluido de átomos de rubidio 87 hasta una velocidad supersónica. En 2016, Steinhauer salió en los titulares de prensa por haber detectado el análogo acústico de la radiación de Hawking. Las unidades cuánticas de sonido, los fonones, brotaban a pares a caballo del horizonte sónico; a un fonón lo arrastraba el fluido en movimiento mientras que el otro se abría paso corriente arriba y escapaba.

Ahora, tres años de mejoras del aparato han «permitido la comprobación cuantitativa de las predicciones de Hawking», dice Steinhauer. En su nuevo artículo, que firma con tres colaboradores, comunica que la radiación sónica es genérica, como la calculada por Hawking para los agujeros negros. «Este descubrimiento nos da pistas para la paradoja de la información», afirma en un mensaje de correo electrónico. «La forma térmica del espectro indica que la radiación de Hawking no lleva información. Por lo tanto, tenemos que mirar en otra parte para resolver la paradoja de la información».

La mayoría de los investigadores de la gravedad cuántica discrepan de este juicio, pero un grupo de filósofos que se ha interesado en los experimentos con análogos de agujeros negros cree que Steinhauer tiene razón.

La cuestión clave es la de si se puede considerar que el espaciotiempo es suave en el horizonte de un agujero negro. Tanto Hawking como Unruh partieron para sus estudios de los agujeros negros reales y sónicos de que las fluctuaciones cuánticas se producen sobre un fondo suave. Hawking, en sus cálculos, pasaba por encima de las propiedades cuánticas (que son desconocidas) del espaciotiempo en el horizonte de sucesos, y Unruh, igualmente, trató el fluido de un agujero negro sónico como si fuese suave, ignorando los átomos de que se compone. Es esta «aproximación suave» la que la mayoría de quienes investigan la gravedad cuántica encuentra sospechosa. Creen que las propiedades del espaciotiempo a escala atómica codifican de alguna forma la información en la radiación de Hawking.

Las nuevas mediciones de Steinhauer confirman que en el caso del fluido la aproximación suave funciona. Además, según los estudios teóricos de Unruh, fluidos con propiedades microscópicas diversas seguirán siendo suaves a escalas macroscópicas y emitirán una radiación de Hawking térmica, sin particularidades. Los filósofos mantienen que la «universalidad» de la radiación de Hawking (su robustez e insensibilidad a los detalles finos del medio) apuntan a que la aproximación suave debería valer también para el espaciotiempo.

«Sostenemos que si los supuestos del modelo no le descarrían a uno en el caso acústico, hay una buena razón, basándose en consideraciones sobre la universalidad, para creer que tampoco nos descarrían en el caso de Hawking», dice Eric Winsberg, filósofo de la ciencia de la Universidad del Sur de Florida y coautor de un estudio reciente de los experimentos con análogos de agujeros negros. En otras palabras, los nuevos resultados aumentan la probabilidad «de que en los agujeros negros reales la información ha de perderse».

Pero hay una pega grande que los filósofos han analizado en otro artículo reciente: aunque la aproximación suave valga universalmente para los fluidos, podría no valer para el espaciotiempo, que quizá sea una costura de partes microscópicas que se atenga a un patrón mucho más extraño. Quizá, como dice Winsberg, «hay más formas en las que el espaciotiempo podría desviarse de la suavidad que las que se sueña en tu filosofía».

Así, según varios experimentos mentales y ejemplos simplificados el espaciotiempo podría ser holográfico, una proyección geométrica; un poco como el universo de un videojuego emerge de un chip de ordenador. El interior de un agujero negro podría ser un holograma que se proyectase desde la información codificada en un horizonte de sucesos. Según Daniel Harlow, teórico de la gravedad cuántica y experto en agujeros negros del Instituto de Tecnología de Massachusetts, de una situación así cabe esperar que añada una sutil estructura a la radiación de Hawking. La radiación parecería térmica, pero «si se introdujese la nube entera de radiación en un ordenador cuántico y se ejecutaran algunos maravillosos algoritmos en él» aparecerían patrones con significado.

Los filósofos conceden que las exóticas posibilidades que se presentan para las propiedades del espaciotiempo a escala cuántica «amortiguan la fuerza» con la que el experimento de Steinhauer hace que la pérdida de información en los agujeros negros resulte más probable.

¿Cambiará todo esto la opinión de alguien? Diferencias en las creencias de partida, en los requisitos impuestos a las pruebas empíricas y en otros factores «pueden tener un gran efecto en los tipos de inferencia que los científicos hacen», explica Sean Gryb, físico y filósofo de la Universidad de Bristol. Los teóricos de la gravedad cuántica seguirán casi con toda certeza pensado que la información escapa de los agujeros negros aunque la minoría que cree que hay una pérdida de información se sienta con mayor confianza. Sin medir la radiación de verdaderos agujeros negros, lo que cae más allá de las posibilidades experimentales, ¿cómo se van poner los expertos alguna vez de acuerdo? «Esta es la clase de cuestiones para la que los filósofos de la ciencia llevan buscando una respuesta definitiva desde hace mucho, mucho tiempo», dice Gryb.

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Hawking radiation and analogue experiments: A Bayesian analysis», de 
Radin Dardashtia, Stephan Hartmann, Karim Thébault y Eric Winsberg en Philosophy of Science (2019); se puede leer una prepublicación en PhilSci-Archive.

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