La entropía del agujero negro y el cabello suave se completaron en los días previos a la muerte del físico en marzo

El último artículo científico de Stephen Hawking ha sido publicado por físicos que trabajaron con el difunto cosmólogo en su esfuerzo a lo largo de su carrera para comprender qué sucede con la información cuando los objetos caen en agujeros negros.

El trabajo, que aborda lo que los físicos teóricos llaman “la paradoja de la información”, se completó en los días previos a la muerte de Hawking en marzo . Ahora ha sido escrito por sus colegas en las universidades de Cambridge y Harvard y publicado en línea .

Malcolm Perry, profesor de física teórica en Cambridge y coautor del artículo, Black Hole Entropy y Soft Hair, dijo que la paradoja de la información estaba “en el centro de la vida de Hawking” durante más de 40 años.

Los orígenes del rompecabezas se remontan a Albert Einstein. En 1915, Einstein publicó su teoría de la relatividad general, un recorrido de fuerza que describía cómo la gravedad surge de los efectos de la materia en el espacio-tiempo, y por qué los planetas giran alrededor del sol. Pero la teoría de Einstein también hizo importantes predicciones sobre los agujeros negros, en particular que un agujero negro puede definirse completamente con solo tres características: su masa, carga y giro.

Casi 60 años después, Hawking añadió a la imagen. Argumentó que los agujeros negros también tienen temperatura. Y como los objetos calientes pierden calor en el espacio, el destino final de un agujero negro es evaporarse de la existencia. Pero esto plantea un problema. Las reglas del mundo cuántico exigen que la información nunca se pierda. Entonces, ¿qué sucede con toda la información contenida en un objeto, la naturaleza de los átomos de una luna, por ejemplo, cuando cae en un agujero negro?

“La dificultad es que si arrojas algo en un agujero negro, parece que desaparece”, dijo Perry. “¿Cómo podría recuperarse la información en ese objeto si el agujero negro desaparece por sí mismo?”

En el último artículo, Hawking y sus colegas muestran cómo, por lo menos, se puede conservar cierta información. Lanzar un objeto en un agujero negro y la temperatura del agujero negro debe cambiar. También lo hará una propiedad llamada entropía, una medida del desorden interno de un objeto, que aumenta cuanto más se calienta.

Los físicos, incluyendo a Sasha Haco en Cambridge y Andrew Strominger en Harvard, muestran que la entropía de un agujero negro puede ser registrada por fotones que rodean el horizonte de eventos del agujero negro, el punto en el que la luz no puede escapar de la intensa atracción gravitacional. Llaman a este brillo de fotones “cabello suave”.

“Lo que hace este documento es mostrar que ‘cabello suave’ puede explicar la entropía”, dijo Perry. “Te está diciendo que el cabello suave realmente está haciendo lo correcto”.

Sin embargo, no es el final de la paradoja de la información. “No sabemos que la entropía de Hawking explica todo lo que podrías lanzar en un agujero negro, por lo que este es realmente un paso en el camino”, dijo Perry. “Creemos que es un buen paso, pero hay mucho más trabajo por hacer”.

Días antes de que Hawking muriera, Perry estaba en Harvard trabajando en el papel con Strominger. No sabía qué tan enfermo estaba Hawking y llamó para darle una actualización al físico. Pudo haber sido el último intercambio científico que tuvo Hawking. “Fue muy difícil para Stephen comunicarse y me pusieron un altavoz para explicar dónde habíamos llegado. Cuando lo expliqué, él simplemente produjo una enorme sonrisa. Le dije que teníamos un lugar. Él sabía el resultado final “.

Entre las incógnitas que Perry y sus colegas deben explorar ahora están cómo la información asociada con la entropía se almacena físicamente en un cabello suave y cómo esa información sale de un agujero negro cuando se evapora.

“Si tiro algo, ¿toda la información sobre lo que está almacenado en el horizonte del agujero negro?”, Dijo Perry. “Eso es lo que se requiere para resolver la paradoja de la información. Si solo es la mitad, o el 99%, eso no es suficiente, no ha resuelto el problema de la paradoja de la información.

“Es un paso en el camino, pero definitivamente no es la respuesta completa. Tenemos un poco menos de rompecabezas que antes, pero definitivamente quedan algunos problemas desconcertantes “.

Marika Taylor, profesora de física teórica en la Universidad de Southampton y ex alumna de Hawking, dijo: “Comprender el origen microscópico de esta entropía: ¿cuáles son los estados cuánticos subyacentes que cuentan para la entropía? – Ha sido uno de los grandes retos de los últimos 40 años.

“Este artículo propone una manera de entender la entropía para los agujeros negros astrofísicos basados ​​en simetrías del horizonte de eventos. Los autores tienen que hacer varias suposiciones no triviales, por lo que los próximos pasos serán para demostrar que estas suposiciones son válidas “.

Juan Maldacena, físico teórico en el alma mater de Einstein, el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, dijo: “Hawking descubrió que los agujeros negros tienen una temperatura. Para objetos comunes entendemos que la temperatura se debe al movimiento de los componentes microscópicos del sistema. Por ejemplo, la temperatura del aire se debe al movimiento de las moléculas: cuanto más rápido se mueven, más calor hace.

“Para los agujeros negros, no está claro qué son esos constituyentes y si se pueden asociar al horizonte de un agujero negro. En algunos sistemas físicos que tienen simetrías especiales, las propiedades térmicas se pueden calcular en términos de estas simetrías. Este documento muestra que cerca del horizonte del agujero negro tenemos una de estas simetrías especiales “.