¿Por qué Hawking dijo que los agujeros negros no existen? ¿Cuál es la paradoja de la pérdida de información?
Hoy hablaremos sobre algunas preguntas comunes sobre los agujeros negros, desde los más superficiales hasta los más profundos. Espero que este artículo pueda ayudarte a leer y comprender los agujeros negros. ¿Qué es un agujero negro?
Nuestra definición de agujero negro es en realidad muy simple al principio. Se refiere principalmente a una región del espacio de la que ninguna materia, ni siquiera la luz, puede escapar. Esta región del espacio es un agujero negro. ¿Y el borde de esta región se llama? Horizonte de sucesos. Cualquier materia o información que caiga en el horizonte de sucesos caerá en el centro del agujero negro y nunca podrá escapar. El horizonte está completamente desconectado y no podemos saber lo que sucede en el interior, el contenido del interior nunca puede salir.
Sin embargo, Hawking propuso la teoría de la radiación de los agujeros negros basada en fluctuaciones cuánticas en el vacío. Creía que los agujeros negros liberan lentamente energía hacia el exterior y pierden masa. Entonces, cuando un agujero negro desaparece por completo, entonces ocurre lo que sucede. antes ha caído en Toda la información material en el agujero negro se perderá. Esta es la paradoja de la pérdida de información del agujero negro, que es inconsistente con la conservación de la información considerada por la mecánica cuántica.
Hawking propuso inmediatamente (ésta era su suposición, pero no ha sido confirmada) que el agujero negro sólo está brevemente desconectado del mundo exterior, lo que se denomina "horizonte aparente". Ahora el futuro desaparecerá y la información previamente atrapada en el agujero negro no se perderá y regresará al universo. Sin embargo, este aislamiento temporal puede no ser más largo que la edad del universo, lo que significa que está completamente desconectado. y desconectado temporalmente. No se puede observar la diferencia. ¡Personalmente creo que Hawking está diciendo tonterías! ¿Qué tamaño tiene un agujero negro?
Podemos imaginar un agujero negro como una esfera, y su diámetro es proporcional a la masa del agujero negro, es decir, cuanta más masa tenga el agujero negro inicialmente o la masa que luego caiga en él. agujero negro, más grande será el agujero negro. Pero en comparación con los cuerpos celestes de la misma masa, los agujeros negros siguen siendo muy pequeños. Esto se debe a que el agujero negro ha comprimido su masa a un volumen muy pequeño bajo la enorme gravedad. Por ejemplo, un agujero negro con una masa igual a la de la Tierra tiene un radio de sólo unos pocos milímetros, mientras que el radio de la Tierra. es aproximadamente 10 veces mayor que la de un agujero negro de la misma masa.
El radio de un agujero negro se llama radio de Schwarzschild, en honor a Karl Schwarzschild. Porque Karl Schwarzschild fue el primero en proponer los agujeros negros como solución a la teoría general de la relatividad de Einstein. Pero no olvide que hay agujeros negros con decenas de miles de millones de masas solares en el universo, y estos agujeros negros siguen siendo muy grandes. ¿Qué sucede cuando cae en la interfaz visual?
Cuando estemos cerca de un agujero negro, veremos que la luz de las estrellas de fondo está muy distorsionada. Sin embargo, si el área de fondo donde se encuentra el agujero negro no tiene luz de las estrellas, entonces no estaremos. capaz de acercarte al agujero negro o incluso cruzar el horizonte verás cualquier cambio en el entorno circundante y ni siquiera sabrás que estás cayendo, acelerando o siendo afectado por la gravedad. Esto se debe a un corolario del principio de equivalencia de Einstein.
No podemos distinguir la diferencia entre la aceleración en el espacio plano y el campo gravitacional que causa la curvatura del espacio. Dado que el fondo del agujero negro no tiene luz de estrellas y está completamente oscuro, ni siquiera podemos encontrar un sistema de referencia. . Puede decirnos dónde estamos acelerando.
Sin embargo, un observador alejado del agujero negro que vea a alguien caer en el agujero negro notará que la persona se mueve más lento cuanto más cerca esté del horizonte de sucesos. Porque el tiempo cerca del horizonte de sucesos del agujero negro es mucho más lento que el tiempo lejos del horizonte de sucesos del agujero negro. Pero una persona que cayera en un agujero negro atravesaría el horizonte de sucesos en muy poco tiempo.
Otro punto es que la experiencia de una persona al caer en un agujero negro en el horizonte depende de la magnitud de la fuerza de marea del campo gravitacional. La fuerza de marea en el horizonte es inversamente proporcional al cuadrado de la masa del agujero negro. Es decir, cuanto mayor es la masa del agujero negro, menor es la fuerza de marea. Si la masa del agujero negro es lo suficientemente grande, no tendrá ningún impacto sobre nosotros y podremos atravesar con seguridad la interfaz del evento. Si la fuerza de marea es lo suficientemente grande, nuestra cabeza y nuestros pies sentirán una enorme diferencia gravitacional y. nuestros cuerpos se estirarán, el término técnico en física es "espaguetización". ¿Qué hay dentro de un agujero negro?
Nadie sabe esta pregunta, pero es casi seguro que lo que hay dentro del agujero negro definitivamente no es ninguna forma de materia que hayamos visto.
Según el lenguaje de la relatividad general, hay una singularidad dentro de un agujero negro, un punto donde la gravedad se vuelve infinita. Una vez que cualquier objeto cruza el horizonte, rápidamente golpeará la singularidad. Sin embargo, la relatividad general no puede decirnos cuál es la singularidad. , y la relatividad general no colapsa en una singularidad significa que no es aplicable y comprende tal problema.
Lo que necesitamos es una teoría de la gravedad cuántica, que generalmente se cree que reemplaza las singularidades con algo más. ¿Cómo se forman los agujeros negros?
Sabemos que los agujeros negros se pueden formar de cuatro maneras diferentes. El más fácil de entender es el agujero negro del colapso estelar. Una estrella con suficiente masa colapsará para formar un agujero negro después de que se detenga la fusión nuclear, porque cuando la presión de radiación generada por la fusión se detiene, la materia comenzará a caer hacia su propio centro gravitacional, volviéndose cada vez más densa, y eventualmente nada podrá superar la gravedad de la superficie de la estrella, se crea un agujero negro de este tipo. Estos agujeros negros se denominan "agujeros negros de masa estelar" y son el tipo más común de agujero negro.
El siguiente tipo común de agujero negro es un "agujero negro supermasivo", que generalmente se encuentra en el centro de una galaxia y tiene una masa de aproximadamente miles de millones a decenas de miles de millones de veces la de una estrella solar. agujero negro masivo. Aún no se comprende del todo cómo se forman exactamente estos agujeros negros supermasivos. Pero generalmente creemos que originalmente eran un agujero negro de masa estelar con una gran masa. En el centro de una galaxia donde las estrellas y los agujeros negros son relativamente densos, continúan creciendo hasta convertirse en agujeros negros supermasivos fusionándose entre sí y tragándose. estrellas.
Una idea más controvertida es la de los agujeros negros primordiales, que probablemente se formaron bajo grandes fluctuaciones de densidad en el universo primitivo. Si bien esto es posible, actualmente es difícil encontrar un modelo que pueda producir agujeros negros primordiales sin crear demasiados agujeros negros primordiales.
Por último, hay un agujero negro muy especulativo, y es que en el Gran Colisionador de Hadrones se puede producir un agujero negro diminuto con una masa similar al bosón de Higgs. Esto sólo es cierto si hay dimensiones adicionales en nuestro universo. Pero hasta ahora no hemos descubierto dimensiones adicionales. ¿Cómo sabemos que existen los agujeros negros?
Tenemos mucha evidencia observacional sobre los agujeros negros desde la teoría hasta la realidad. Al principio, descubrimos los agujeros negros a través de la gravedad. Por ejemplo, en el centro de la Vía Láctea hemos encontrado una gran cantidad de estrellas orbitando a gran velocidad un punto no luminoso. Según el teorema de la gravedad, sabemos que la masa de ese punto central debe ser millones de veces la misma. masa del sol.
Por ejemplo, los agujeros negros más masivos en los centros de algunas galaxias del universo también producirán algunos efectos ópticos observables debido a su actividad inusual. Por ejemplo, después de que el agujero negro acumule materia, irradiará. Rayos X en el disco de acreción y en el centro se formará una fuente de radio evidente. Fueron estas propiedades de un agujero negro las que utilizamos para obtener la primera imagen de un agujero negro. ¿Por qué Hawking dijo una vez que los agujeros negros no existen?
Esta frase está sacada de contexto. De hecho, esto no es lo que Hawking quería expresar. Lo que quiere decir es que cree que los agujeros negros no tienen un horizonte de sucesos eterno, sino un horizonte aparente de corta duración, para poder resolver el problema de la pérdida de información de los agujeros negros. Pero eso es lo que supuso. ¿Cómo emiten radiación los agujeros negros y pierden masa?
Los agujeros negros emiten radiación mediante efectos cuánticos. Es importante señalar que se trata de un efecto cuántico de la materia, no de la gravedad. La mecánica cuántica cree que el vacío no está vacío. Se produce la creación y aniquilación de pares de partículas virtuales positivas y negativas en muy poco tiempo, y la energía regresa al universo, sin embargo, si este efecto cuántico se produce en el borde del universo. horizonte del agujero negro, entonces una de las partículas virtuales caerá en el agujero negro y otra partícula virtual robará energía del agujero negro, se convertirá en una partícula real, escapará y aniquilará la partícula anti-real cercana para liberar energía.
La radiación emitida por los agujeros negros fue propuesta por primera vez por Stephen Hawking y se denomina "radiación de Hawking". La temperatura de esta radiación es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Cuanto más pequeño es el agujero negro, mayor es la temperatura de la radiación. Las estrellas y los agujeros negros supermasivos que conocemos actualmente emiten radiación a temperaturas muy por debajo de la radiación cósmica de fondo de microondas, por lo que tal efecto simplemente no puede detectarse. No es exagerado decir que es posible que los humanos no podamos verificar la afirmación de Hawking en el futuro. ¿Cuál es la paradoja de la pérdida de información?
La paradoja de la pérdida de información está provocada por la radiación de Hawking.
Esta radiación es un proceso puramente térmico, lo que significa que además de tener una temperatura concreta, la radiación es completamente aleatoria. Y esta radiación no contiene ninguna información sobre la formación del agujero negro o los objetos que cayeron antes en el agujero negro. Pero cuando el agujero negro emite radiación, pierde masa y se reduce gradualmente. Con el tiempo, el agujero negro se transformará completamente en radiación aleatoria. Es decir, se perderá información sobre cómo se formó antes el agujero negro y los objetos que cayeron en él, pero la mecánica cuántica no permite que esto suceda.
Así que la evaporación de los agujeros negros es inconsistente con la teoría cuántica tal como la conocemos, y algo debe ceder. Esta inconsistencia debe eliminarse de alguna manera. La solución, según creen la mayoría de los físicos, es que la radiación de Hawking debe contener de alguna manera esta información, o que la información puede escapar del agujero negro de alguna otra manera. ¿Cómo solucionar el problema de la pérdida de información de los agujeros negros?
Este es un tema completamente vanguardista en física, y también es un tema que la ciencia no puede refutar. Se han propuesto muchas hipótesis, por ejemplo: un agujero negro puede estar relacionado con un agujero blanco. agujero en otra dimensión Del agujero negro La información material entrante será escupida desde el agujero blanco y el agujero negro es en realidad la entrada de un agujero de gusano, conectado a otro tiempo y espacio, y la información material también puede salir. Estos están completamente más allá del alcance y la capacidad de nuestros humanos para verificar y observar. En la actualidad, estas especulaciones no tienen sentido.
Y para compensar su propio error, Hawking propuso que los agujeros negros en realidad tienen una forma de almacenar información, que la gente ha ignorado antes. De hecho, la información material se almacena en el horizonte de sucesos del agujero negro y puede provocar pequeños movimientos de partículas en la radiación de Hawking. En estos pequeños cambios, puede haber información sobre el material que desaparece. Es muy misterioso y aún no se puede probar.
Las anteriores son algunas preguntas sobre los agujeros negros. En la actualidad, podemos estar seguros de que existen agujeros negros, podemos encontrarlos en el universo y también sabemos cómo se forman y cómo eventualmente desaparecen. Sin embargo, ¡queda por estudiar el destino específico de la información que ingresa al agujero negro!