La teoría de la información cuántica es nuestra mejor baza para entender qué sucede dentro de un agujero negro
Los agujeros negros son misteriosos. Fascinantes. Y no lo son solo para los aficionados a la ciencia; también ejercen una atracción irresistible sobre muchos astrofísicos. Los cosmólogos ya son capaces de entender con razonable precisión cómo se desencadena el colapso de una estrella con las características apropiadas para "romper" el continuo espacio-tiempo y provocar el nacimiento de un agujero negro. Sin embargo, lo que sucede en su interior es un auténtico enigma.
A muchos cinéfilos y entusiastas de la ciencia ficción nos encanta 'Interstellar', la película que estrenó Christopher Nolan en 2014, por el rigor con el que aborda la física. Es fácil percibir el asesoramiento de Kip Thorne, sobre todo si nos ceñimos a la recreación de Gargantúa, el agujero negro que aparece en la película. En mayo de 2022 tuve la oportunidad de hablar con José Luis F. Barbón acerca de la física de los viajes en el tiempo, y no dejé escapar la oportunidad de preguntar a este físico teórico del CSIC experto en teoría cuántica de campos, gravedad cuántica y agujeros negros su opinión acerca de esta aclamada película de Nolan.
"Hay muchas partes de la película que están muy bien calculadas, aunque otras no tanto, como, por ejemplo, las fuerzas de marea que actúan sobre el planeta que está sometido al intenso campo gravitacional del agujero negro [...] Todo lo que sucede en la parte final, cuando el protagonista entra en el interior del agujero negro, es una pura elucubración. No obstante, utiliza un lenguaje que no es del todo trivial gracias en gran medida al asesoramiento de Kip Thorne", me explicó Barbón.
La reflexión de este reputado físico teórico español nos invita a reparar en una idea muy interesante: en el interior de un agujero negro las leyes de la física tal y como las conocemos se resquebrajan. De lo contrario probablemente la relatividad general y la mecánica cuántica permitirían a los físicos indagar con cierta precisión en los fenómenos que tienen lugar cuando la materia y la luz se adentran más allá del horizonte de sucesos. Y no es así. Al menos por ahora. No obstante, nuestro limitado conocimiento no ha impedido a los físicos teóricos percatarse de la existencia de una paradoja vinculada a la pérdida de información en el interior de los agujeros negros.
La física de la información cuántica ha acudido para rescatarnos (con suerte)
A mediados de la década de los 70 los físicos teóricos Stephen Hawking y Jacob D. Bekenstein utilizaron las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad general para demostrar que los agujeros negros emiten una forma de radiación conocida desde entonces como 'radiación de Hawking'. Casi medio siglo más tarde el eco de esta observación perdura debido a las consecuencias de este fenómeno. En su trabajo Hawking sostuvo que esta radiación es independiente del estado inicial del agujero negro, por lo que depende solo de su masa, momento angular y carga eléctrica. No obstante, hay algo más: si los agujeros negros emiten radiación pierden masa y energía, y, por tanto, están condenados a evaporarse.
Un horizonte cosmológico es una medida del tamaño y la escala del universo observable que describe la distancia desde la que es posible recuperar información
Esta observación acarrea un problema muy serio. Para entender con precisión por qué lo hace deberíamos indagar en varios teoremas y leyes físicas que complicarían este artículo más allá de lo asumible. Por esta razón merece la pena que sacrifiquemos un poco de precisión con el propósito de que su contenido sea razonablemente asequible. A grandes ragos la paradoja a la que se enfrentan los físicos desde mediados de los 70 consiste en que la emisión de la radiación de Hawking conlleva la pérdida de la información asociada al estado cuántico original de la materia que ha atravesado el horizonte de sucesos. Y este fenómeno viola el principio de la mecánica cuántica que defiende que la información debería conservarse.
Dos décadas más tarde, a mediados de los 90, los físicos Gerard 't Hooft primero y Leonard Susskind poco después propusieron el principio holográfico como una herramienta de la teoría de cuerdas que sugiere que las tres dimensiones espaciales que podemos observar en el universo y con las que estamos familiarizados son solo una representación de una estructura de dos dimensiones proyectada sobre un horizonte cosmológico. De ahí la idea de que el universo que percibimos en cierto sentido puede ser considerado un holograma. Un pequeño apunte: un horizonte cosmológico es una medida del tamaño y la escala del universo observable que describe la distancia desde la que es posible recuperar información.
El problema es que por el momento el principio holográfico no goza de una aceptación generalizada en el seno de la comunidad científica, y ninguna de las otras soluciones propuestas por los físicos para resolver la paradoja de la pérdida de información cuenta con un apoyo total. Afortunadamente, el panorama parece estar a punto de cambiar. Y es que los fenómenos vinculados a los agujeros negros de los que apenas sabemos nada están espoleando a una generación de físicos, muchos de ellos jóvenes, que están decididos a elaborar la teoría necesaria para entender mucho mejor la naturaleza de estos objetos.
La teoría de la información cuántica es una herramienta muy valiosa que puede ayudarnos a entender mejor la naturaleza de los agujeros negros
Daniel Harlow, del MIT (Massachusetts Institute of Technology); Tom Hartman, de la Universidad Cornell (Nueva York); Geoff Penington, de la Universidad de California en Berkeley; u Oliver DeWolfe, de la Universidad de Colorado en Boulder, entre otros físicos teóricos, están utilizado la teoría de la información cuántica para proponer soluciones ingeniosas y originales que aspiran a ampliar nuestro conocimiento acerca de los fenómenos que tienen lugar tanto en las proximidades de los agujeros negros como en su interior.
Una de las áreas de trabajo más interesantes en las que están indagando estos investigadores toma como punto de partida la idea que propuso Stephen Hawking acerca de la posibilidad de que el continuo espacio-tiempo perdure en el interior de los agujeros negros. También están elaborando soluciones nuevas que persiguen resolver de una forma satisfactoria la paradoja de la pérdida de información en el interior de estos objetos.
Al fin y al cabo la teoría de la información cuántica se erige sobre la física cuántica, las matemáticas y la informática para ayudar a los físicos a entender mejor cuál es la naturaleza de la información cuántica y cómo se transmite. Emocionante, ¿verdad? Quién sabe, quizá no tengamos que esperar mucho para conocer la respuesta a algunos de los enigmas con los que hemos coqueteado en este artículo.
Imagen de portada: NASA
Más información: QuantaMagazine
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Fuente: Xataka
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