Algunos agujeros negros borran tu pasado y te dan futuros ilimitados


Imagina, por un momento, que nuestra especie ha perfeccionado el viaje espacial interestelar y que podemos visitar cualquier lugar que deseemos en el universo. Habrá muchos lugares interesantes para visitar y fenómenos astrofísicos por investigar, pero viajar a un agujero negro seguramente estará en el número uno de nuestro itinerario. ¿Por qué alguien querría visitar un lugar del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar? Sobre todo porque los físicos han debatido durante décadas qué pasaría si alguien ingresara a uno.

Una advertencia aquí: la mayoría de los físicos tienen pocas dudas de que quedarías hecho pedazos mucho antes de llegar incluso a los agujeros negros más pequeños (el término técnico es “espaguetizado”, cuando las intensas fuerzas gravitacionales te convierten en una cadena de átomos). Pero —pero— una nueva investigación de un equipo internacional de matemáticos sugiere que puede haber ciertos agujeros negros que son teóricamente accesibles para un observador, aunque con consecuencias extrañas.

Como se detalla en un informe publicado la semana pasada en Physical Review Letters, los observadores que entraran en ciertos tipos de agujeros negros teóricos no necesariamente tendrían que desintegrarse, o al menos no en la manera que probablemente estés imaginando. Más bien, la entrada de un observador en estos agujeros negros destruiría su pasado y potencialmente abriría un número infinito de futuros. Nunca saldría del agujero negro para contar su historia, pero eso en realidad no importa; no tendría a nadie de su pasado con quien volver.

INTRODUCCIÓN A LOS AGUJEROS NEGROS

Hay mucho que desentrañar aquí, así que comencemos con algunos antecedentes. Es posible que hayas oído hablar de un tipo llamado Albert Einstein que, entre otras cosas, cambió fundamentalmente la forma en que pensamos acerca del tiempo y el espacio cuando publicó su teoría general de la relatividad hace un siglo.

La teoría general de la relatividad de Einstein describe a la gravedad como una propiedad del espacio-tiempo, un andamiaje tetradimensional que es omnipresente en el universo. Más específicamente, la teoría describió la curvatura del espacio-tiempo como una función de la masa, la energía y el movimiento de la materia. Esta curvatura del espacio-tiempo en los objetos en movimiento es lo que se conoce como gravedad.

Uno de los fenómenos predichos por la teoría general es la existencia de singularidades espaciotemporales en los agujeros negros, una masa tan densa que nada puede escapar de sus efectos gravitacionales, ni siquiera la luz. Para nuestros propósitos, podrías imaginar un agujero negro como un embudo cuyo parte más angosta se estrecha hasta un punto de densidad infinita conocido como singularidad.


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La estructura de estas singularidades es un tema de disputa entre los físicos. No podemos verlos porque el horizonte de eventos de un agujero negro actúa efectivamente como una barrera entre estas densidades infinitas y el resto del universo. Esto es bueno porque si pudiéramos ver las singularidades en el corazón de un agujero negro, lo que se conoce como singularidad “desnuda”, este hecho destruiría el determinismo que es fundamental para la física.

La razón por la cual la física puede usarse para predecir cosas en la naturaleza es porque el universo es determinista. Esto significa que si conocieras las condiciones iniciales exactas del universo, teóricamente podrías predecir con exactitud cómo se desarrollaría el universo a lo largo del tiempo a partir de esas condiciones iniciales. Esto también incluiría tus pensamientos y acciones ya que, como han argumentado científicos cognitivos como Dan Dennett, la conciencia está determinada por las interacciones materiales entre las neuronas. Lo importante aquí es que el determinismo significa que el pasado determina exactamente un futuro.

Entonces los físicos se encuentran ante un problema: las singularidades deben existir como consecuencia de la teoría de la relatividad general, pero observar estas singularidades parece ser imposible. Para explicar esta discrepancia, los físicos se basan en dos conjeturas relacionadas, pero lógicamente distintas, ambas desarrolladas originalmente por el físico Roger Penrose hace casi 50 años: las hipótesis de censura cósmica fuerte y débil.

La hipótesis de censura cósmica fuerte establece que hay un límite dentro del horizonte de sucesos de los agujeros negros conocido como el horizonte de Cauchy, que es el límite para la aplicación de la teoría de la relatividad general. Más allá del horizonte de Cauchy, el mundo físico determinista se convierte en indeterminación. Una consecuencia de esto es que es imposible para un observador trascender el horizonte de Cauchy sin ser destruido (más adelante seguiremos con este tema).

La hipótesis de censura cósmica débil, por otro lado, sugiere que las singularidades desnudas no existen en el universo, aparte del Big Bang. Hoy en día, la hipótesis de censura cósmica débil de Penrose es considerada por los físicos como una condición necesaria del universo, aunque su validez sigue siendo una pregunta abierta.

La hipótesis de censura cósmica fuerte es mucho más polémica, y la nueva investigación publicada esta semana ofrece la refutación más contundente de su validez. El artículo del postdoctorado de UC Berkeley Peter Hintz y sus colegas sugiere que hay algunos tipos de agujeros negros en el universo que permitirían al observador acceder al universo indeterminista que está al otro lado del horizonte de Cauchy en un agujero negro.

AGUJEROS NEGROS Y EL HORIZONTE DE CAUCHY

Durante el último siglo, la teoría de la relatividad de Einstein ha logrado predecir los resultados de cada prueba a la que la han sometido. Quizás su validación más sólida ocurrió en 2016, cuando los físicos del Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) lograron medir por primera vez las ondas gravitacionales producidas por dos agujeros negros en colisión, exactamente como lo predijo la teoría de Einstein. Sin embargo, la capacidad de la relatividad general para describir la gravedad se tambalea en el umbral de las singularidades, donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita.

Imaginemos que somos exploradores del espacio de nuevo y que nos estamos aproximando al tipo de agujero negro teórico estudiado por Hintz y sus colegas: Un agujero negro no giratorio con una carga eléctrica conocido como agujero negro Reissner-Nordström-de Sitter. De acuerdo con la teoría general, a medida que nos acercáramos al agujero negro, el tiempo comenzaría a ralentizarse debido a la fuerza creciente del campo gravitacional. A medida que cayéramos en el agujero negro, también veríamos caer toda la luz y la materia. En algún punto llegaríamos al horizonte de Cauchy, un objeto dentro del horizonte de eventos encontrados en este tipo de agujeros negros.

Se puede pensar en el horizonte de Cauchy como la barrera entre el universo determinista y el no determinista. Después de que un observador cruza este umbral, el pasado ya no determina el futuro. Un observador que cruce este umbral verá, como resultado, toda la energía que el agujero negro encontrará en toda la existencia del universo golpear su horizonte de Cauchy al mismo tiempo. Esta es la razón por la cual la hipótesis de censura cósmica fuerte establece que es imposible que un observador pase el horizonte de Cauchy: sería completamente aniquilado por toda esa energía.

Sin embargo, Hintz y sus colegas se dieron cuenta de que este no era necesariamente el caso, ya que el universo también se está expandiendo a un ritmo acelerado. Esto significa que mientras el espacio-tiempo se condensa a un punto infinito dentro de un agujero negro, también se está desgarrando o extendiendo por la expansión del universo. Entonces, en lugar de que toda la energía del universo golpee el horizonte de Cauchy al mismo tiempo, sólo una porción relativamente pequeña de la energía del universo llega al agujero negro porque esa energía no puede viajar desde los rincones más lejanos del universo hasta el agujero negro más rápido que la velocidad de la luz.

Según detallaron Hintz y sus colegas, la cantidad de energía que cae en el agujero negro es sólo la cantidad de energía contenida dentro del horizonte observable desde la perspectiva del agujero negro. Este horizonte observable es ‘más pequeño’ que todo el universo porque el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado.

Para ver por qué este sí es el caso, considera nuestra perspectiva en la Tierra. Aunque podemos ver 13.8 mil millones de años en el pasado, nuestro horizonte observable es en realidad de alrededor de 46 mil millones de años luz, ya que incluye todo lo que veremos en el futuro. Nunca podremos ver “más allá” de eso porque el universo se está expandiendo a una velocidad superior a la velocidad de la luz, por lo que la luz de los objetos que están más allá de ese horizonte cosmológico nunca nos alcanzará y los objetos en el ‘borde’ de ese horizonte finalmente se desvanecerán y desaparecerán de nuestra perspectiva.


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Lo mismo se aplica al teórico agujero negro Reissner-Nordström-de Sitter que estamos visitando. La expansión acelerada del universo esencialmente “cancela” la dilatación temporal experimentada al caer en el agujero negro bajo ciertas condiciones. Esto, en teoría, permitiría que un observador atravesara el horizonte de Cauchy y existiera en un mundo no determinista donde su pasado ya no determinara su futuro. Para todos los efectos, cruzar este umbral borraría el pasado del observador al abrir un número infinito de futuros posibles.

“Hay algunas soluciones exactas de las ecuaciones de Einstein que son perfectamente lineales, sin dobleces, sin fuerzas de marea que van al infinito, donde todo se comporta perfectamente bien hasta este horizonte de Cauchy y más allá”, dijo Hintz. “Después de eso, todo es impredecible; en algunos casos, uno puede evitar la singularidad central por completo y vivir para siempre en un universo desconocido”.

Todo esto es teórico, por supuesto. Hintz y sus colegas no están sugiriendo que un físico alguna vez viajará al interior de uno de esos tipos de agujeros negros. De hecho, dijo Hintz, esos agujeros negros cargados de energía que se usan en el modelo podrían no existir. La razón es que los agujeros negros cargados de energía atraerían materia cargada opuestamente y eventualmente se volverían neutrales. Aún así, el modelo matemático es útil como una forma de estudiar los agujeros negros giratorios, los cuales Hintz dijo que probablemente sean la norma.

“Ningún físico va a viajar a un agujero negro y medirlo”, dijo Hintz. “Este es un asunto que en realidad sólo se puede estudiar matemáticamente, pero tiene implicaciones físicas, y casi filosóficas. Desde ese punto de vista, esto hace que las ecuaciones de Einstein sean matemáticamente más interesantes”.

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