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Leonard Susskind , un pionero de la teoría de cuerdas , el principio holográfico y otras grandes ideas de física que abarcan el último medio siglo, ha propuesto una solución a un importante rompecabezas sobre los agujeros negros . El problema es que a pesar de que estas misteriosas esferas invisibles parecen tener un tamaño constante como se ve desde el exterior, sus interiores siguen creciendo en volumen esencialmente para siempre. ¿Cómo es esto posible?

En una serie de trabajos y charlas recientes, el profesor de 78 años de la Universidad de Stanford y sus colaboradores conjeturan que los agujeros negros crecen en volumen porque aumentan su complejidad, una idea que, aunque no está probada, está alimentando nuevas ideas sobre el cuanto Naturaleza de la gravedad dentro de los agujeros negros.

Los agujeros negros son regiones esféricas de tal gravedad extrema que ni siquiera la luz puede escapar. Descubiertos por primera vez hace un siglo como soluciones impactantes a las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, desde entonces se han detectado en todo el universo. (Normalmente se forman a partir del colapso gravitacional interno de las estrellas muertas). La teoría de Einstein compara la fuerza de la gravedad con las curvas en el espacio-tiempo, el tejido cuatridimensional del universo, pero la gravedad se vuelve tan fuerte en los agujeros negros que el espacio-tiempo la tela se inclina hacia su punto de ruptura: la “singularidad” infinitamente densa en el centro del agujero negro.

Según la relatividad general, el colapso gravitacional hacia adentro nunca se detiene. Aunque, desde el exterior, el agujero negro parece tener un tamaño constante, expandiéndose ligeramente solo cuando caen cosas nuevas en él, su volumen interior crece cada vez más a medida que el espacio se extiende hacia el punto central. Para obtener una imagen simplificada de este crecimiento eterno, imagine un agujero negro como un embudo que se extiende hacia abajo desde una hoja bidimensional que representa el tejido del espacio-tiempo. El embudo se vuelve más y más profundo, de modo que las cosas infalentes nunca alcanzan la singularidad misteriosa del fondo. En realidad, un agujero negro es un embudo que se extiende hacia adentro desde las tres direcciones espaciales. Un límite esférico lo rodea, denominado “horizonte de eventos”, que marca el punto de no retorno.

Desde al menos la década de 1970, los físicos han reconocido que los agujeros negros deben ser realmente sistemas cuánticos de algún tipo, como todo lo demás en el universo. Lo que la teoría de Einstein describe como distorsionado espacio-tiempo en el interior es, presumiblemente, un estado colectivo de grandes cantidades de partículas de gravedad llamadas “gravitones”, descritas por la verdadera teoría cuántica de la gravedad . En ese caso, todas las propiedades conocidas de un agujero negro deben rastrear las propiedades de este sistema cuántico.

De hecho, en 1972, el físico israelí Jacob Bekenstein descubrió que el área del horizonte de eventos esféricos de un agujero negro corresponde a su “entropía”. Este es el número de diferentes arreglos microscópicos posibles de todas las partículas dentro del agujero negro, o Como lo describirían los teóricos modernos, la capacidad de almacenamiento de información del agujero negro.

La percepción de Bekenstein llevó a Stephen Hawking a darse cuenta, dos años después, de que los agujeros negros tienen temperaturas y que, por lo tanto, irradian calor. Esta radiación hace que los agujeros negros se evaporen lentamente, dando lugar a la muy discutida ” paradoja de información de los agujeros negros “, que pregunta qué sucede con la información que cae en los agujeros negros. La mecánica cuántica dice que el universo conserva toda la información sobre el pasado. Pero, ¿cómo se evapora la información acerca de cosas infalentes, que parece deslizarse para siempre hacia la singularidad central?

La relación entre el área de la superficie de un agujero negro y su contenido de información ha mantenido ocupados a los investigadores de la gravedad cuántica durante décadas. Pero también podría preguntarse: ¿a qué corresponde el volumen creciente de su interior, en términos cuánticos? “Por la razón que sea, nadie, incluyéndome a mí mismo durante varios años, realmente pensó mucho en lo que eso significa”, dijo Susskind.“¿Qué es lo que está creciendo? Ese debería haber sido uno de los principales rompecabezas de la física de los agujeros negros “.

En los últimos años, con el aumento de la computación cuántica, los físicos han estado adquiriendo nuevos conocimientos sobre sistemas físicos como los agujeros negros al estudiar sus capacidades de procesamiento de información, como si fueran computadoras cuánticas. Este ángulo llevó a Susskind y sus colaboradores a identificar un candidato para la propiedad cuántica en evolución de los agujeros negros que subyace a su creciente volumen. Lo que está cambiando, dicen los teóricos, es la “complejidad” del agujero negro, aproximadamente una medida de la cantidad de cálculos que se necesitarían para recuperar el estado cuántico inicial del agujero negro, en el momento en que se formó.Después de su formación, a medida que las partículas dentro del agujero negro interactúan entre sí, la información sobre su estado inicial se vuelve cada vez más codificada. En consecuencia, su complejidad crece continuamente.

Usando modelos de juguetes que representan agujeros negros como hologramas , Susskind y sus colaboradores han demostrado que la complejidad y el volumen de los agujeros negros crecen al mismo ritmo, apoyando la idea de que uno podría subyacer en el otro. Y, mientras Bekenstein calculó que los agujeros negros almacenan la mayor cantidad posible de información dada su área de superficie, los hallazgos de Susskind sugieren que también crecen en complejidad a la velocidad más rápida posible permitida por las leyes físicas.

John Preskill , un físico teórico del Instituto de Tecnología de California que también estudia los agujeros negros utilizando la teoría de la información cuántica, encuentra que la idea de Susskind es muy interesante. “Es realmente genial que esta noción de complejidad computacional, que es mucho más que un informático podría pensar, y no forme parte de la habitual bolsa de trucos de los físicos”, dijo Preskill, “podría corresponder a algo que es muy natural para alguien”. quién sabe qué pensar de la relatividad general “, es decir, el crecimiento de los interiores de los agujeros negros.

Los investigadores aún están desconcertados sobre las implicaciones de la tesis de Susskind. Aron Wall , un teórico de Stanford (que pronto se mudó a la Universidad de Cambridge), dijo: “La propuesta, aunque es emocionante, es todavía bastante especulativa y puede no ser correcta”. Un desafío es definir la complejidad en el contexto de los agujeros negros, Wall dicho, con el fin de aclarar cómo la complejidad de las interacciones cuánticas podría dar lugar al volumen espacial.

Una posible lección, según Douglas Stanford , un especialista en agujeros negros en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, es que los agujeros negros tienen un tipo de reloj interno que mantiene el tiempo durante mucho tiempo. Para un sistema cuántico ordinario “, dijo,” esta es la complejidad del estado. Para un agujero negro, es el tamaño de la región detrás del horizonte “.

Si la complejidad subyace en el volumen espacial en los agujeros negros, Susskind prevé consecuencias para nuestra comprensión de la cosmología en general. “No solo los interiores de agujeros negros crecen con el tiempo. El espacio de la cosmología crece con el tiempo ”, dijo. “Creo que es una pregunta muy, muy interesante si el crecimiento cosmológico del espacio está conectado al crecimiento de algún tipo de complejidad. Y si el reloj cósmico, la evolución del universo, está conectado con la evolución de la complejidad. Ahí, no sé la respuesta.

Este post aparece cortesía de la revista Quanta .

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