La teoría de la evaporación de los agujeros negros de Stephen Hawking choca con las leyes de la mecánica cuántica. Un nuevo artículo encuentra una forma de sortear esta paradoja, siempre que el universo tenga siete dimensiones.
Una impresión artística del espaciotiempo alrededor de un agujero negro. Una nueva investigación teórica sugiere que tres dimensiones ocultas del cosmos podrían evitar que los agujeros negros desaparezcan por completo. (Crédito de la imagen: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY vía Getty Images) Suscríbete a nuestro boletín
Un nuevo estudio teórico sugiere que los agujeros negros podrían no evaporarse por completo, lo que contradice una famosa teoría de Stephen Hawking que parece violar las leyes fundamentales de la mecánica cuántica. En cambio, los agujeros negros podrían dejar atrás remanentes diminutos y estables que almacenan toda la información que alguna vez consumieron, según sugiere el estudio.
Pero hay un giro, literalmente. Para que la teoría funcione, el universo debe tener tres dimensiones extra ocultas que los humanos no podemos percibir, lo que hace que el espaciotiempo sea de siete dimensiones. A medida que estas dimensiones ocultas se pliegan y retuercen, crean una fuerza repulsiva que evita que los agujeros negros se evaporen por completo.
Una paradoja que desafía los cimientos de la física
Los agujeros negros a menudo se consideran trampas cósmicas de las que nada escapa. Sin embargo, desde la década de 1970, los físicos saben que estos gigantes cósmicos no son completamente negros. El famoso físico teórico Stephen Hawking propuso que los agujeros negros emiten radiación y se evaporan lentamente con el tiempo, lo que lleva a una preocupante contradicción conocida como la paradoja de la pérdida de información.
“Imagina que arrojas un libro al fuego”, dijo a Live Science por correo electrónico Richard Pinčák, coautor del estudio e investigador principal del Instituto de Física Experimental de la Academia Eslovaca de Ciencias. “El libro se destruye, pero en principio podrías reconstruir cada palabra a partir del humo, las cenizas y el calor; la información se mezcla, no se pierde”.
Pero cuando un agujero negro se evapora por completo, la información sobre todo lo que cayó en él parece desaparecer, violando un principio fundamental de la mecánica cuántica.
Durante décadas, los físicos han luchado por resolver esta paradoja. Ahora, el nuevo estudio, publicado el 19 de marzo en la revista General Relativity and Gravitation, sugiere que la respuesta podría residir en la estructura oculta del propio espaciotiempo.
Dimensiones extra y la estructura oculta del espaciotiempo
Una ilustración de un nudo de torsión de 7 dimensiones, que se teoriza que ejerce una fuerza repulsiva que podría evitar la evaporación de los agujeros negros. (Crédito de la imagen: Instituto de Física Experimental de la Academia Eslovaca de Ciencias)
La nueva investigación explora un universo con más dimensiones que las cuatro familiares. En este marco, el cosmos contiene siete dimensiones, tres de las cuales son compactas e invisibles a escalas cotidianas.
“Experimentamos tres dimensiones espaciales y una temporal, cuatro dimensiones en total”, dijo Pinčák. “Nuestro modelo propone que el universo tiene en realidad siete dimensiones: las cuatro que conocemos, más tres dimensiones extra diminutas enrolladas tan apretadamente que no podemos percibirlas directamente”.
Estas dimensiones extra están organizadas en una estructura altamente simétrica conocida como geometría G₂. Este marco matemático, a menudo explorado en teorías avanzadas como una versión de la teoría de cuerdas conocida como M-teoría, determina cómo se “pliegan” las dimensiones ocultas.
“Piensa en ello como origami”, dijo Pinčák. “La forma en que doblas el papel determina lo que la forma final puede hacer”.
En el nuevo modelo, esta estructura geométrica produce un efecto físico llamado torsión, que puede considerarse como una retorcedura del espaciotiempo. Este campo de torsión resulta jugar un papel crucial en la física de los agujeros negros.
Torsión y el nacimiento de remanentes estables de agujeros negros
El estudio muestra que la torsión genera una fuerza repulsiva que se vuelve importante en escalas extremadamente pequeñas, cerca del final de la vida de un agujero negro. A medida que el agujero negro se encoge a través de la radiación de Hawking, esta fuerza eventualmente contrarresta un mayor colapso.
“Esta fuerza repulsiva actúa como un freno, deteniendo la evaporación antes de que el agujero negro desaparezca por completo”, dijo Pinčák.
En lugar de desaparecer, el agujero negro se estabiliza en un remanente diminuto. Según el modelo, este objeto remanente tiene una masa de aproximadamente 9 × 10⁻¹ kg — unas 10 mil millones de veces más pequeño que un electrón.
Crucialmente, este remanente puede almacenar la información que cayó en el agujero negro, evitando cualquier violación de la mecánica cuántica. La información está codificada en sutiles oscilaciones conocidas como modos cuasinormales, que actúan como portadores de los datos perdidos.
Una ilustración de un remanente de agujero negro estabilizado por torsión. La torsión geométrica produce una fuerza repulsiva (flechas de colores) a densidades de Planck, deteniendo la etapa final de la evaporación de Hawking y produciendo un remanente microscópico. El recuadro superior derecho muestra el potencial efectivo Veff(M) con un mínimo en la masa del remanente. El recuadro inferior derecho ilustra la geometría subyacente de la variedad G₂. (Crédito de la imagen: Instituto de Física Experimental de la Academia Eslovaca de Ciencias)
El modelo también revela una conexión inesperada con la física de partículas: la existencia de tres dimensiones ocultas, junto con la presencia de torsión, produce el patrón de interacciones de partículas responsable del mecanismo de Higgs, el fenómeno que otorga masa a las partículas elementales como los electrones y los quarks.
“El mismo campo de torsión… genera un paisaje de energía potencial que es idéntico en forma al responsable de dar masa a los bosones W y Z, los portadores de la fuerza nuclear débil”, dijo Pinčák.
Este vínculo conecta el comportamiento de los agujeros negros con la escala electrodébil, una escala de energía bien conocida en la física de partículas.
Donde la nueva teoría alcanza sus límites
A pesar de su atractivo, el modelo se enfrenta a desafíos importantes. La descripción estándar de la evaporación de los agujeros negros se basa en una aproximación semiclásica, que se espera que falle en escalas extremadamente pequeñas cerca de la masa de Planck — aproximadamente 10⁻⁵ gramos. Esta es la escala de masa en la que los efectos de la gravedad cuántica se vuelven fuertes y no se pueden ignorar.
“A medida que el agujero negro se reduce hacia la escala de Planck, todos los modelos existentes — incluido el nuestro — deben finalmente enfrentarse a la transición al régimen de gravedad cuántica profunda”, señaló Pinčák.
En este régimen, se requiere una teoría completa de la gravedad cuántica, pero dicha teoría sigue incompleta. El nuevo trabajo no afirma resolver este problema por completo. En cambio, proporciona un mecanismo concreto sobre cómo podría surgir nueva física en la etapa final de la evaporación.
“Lo que distingue nuestro enfoque es que no afirmamos que la evaporación semiclásica opere hasta la masa del remanente”, dijo Pinčák. “En ese punto, un nuevo efecto físico… toma el control y estabiliza la configuración”.
Probar la teoría directamente será extremadamente difícil; las escalas de energía relevantes están muy lejos del alcance de los aceleradores de partículas actuales. Sin embargo, el modelo hace predicciones claras que, en principio, podrían ser probadas.
Por ejemplo, predice que las hipotéticas partículas de Kaluza-Klein asociadas con dimensiones extra deberían tener masas de alrededor de 10¹⁰ giga-electronvoltios — unos 14 órdenes de magnitud más pesadas que el quark top, la partícula elemental más masiva conocida. La detección de versiones más ligeras de estas partículas con aceleradores actuales o futuros descartaría el modelo.
Otra posibilidad implica la observación de las etapas finales de la evaporación de los agujeros negros, especialmente para los agujeros negros primordiales. Futuros telescopios de rayos gamma o detectores de ondas gravitacionales podrían proporcionar evidencia indirecta de remanentes estables.
“El punto importante es que las predicciones son concretas: el modelo puede estar equivocado, lo cual es lo que lo hace científico”, dijo Pinčák.
Mirando hacia el futuro, los investigadores pretenden conectar su marco más directamente con teorías fundamentales como la M-teoría y comprender mejor cómo se almacena la información en los remanentes. Si se confirma, la idea de que los agujeros negros dejan atrás remanentes diminutos y ricos en información podría remodelar nuestra comprensión de la gravedad, la mecánica cuántica y la estructura fundamental del universo.
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