Un artículo reciente de Stephen Hawking ha creado un gran revuelo, incluso llevando a Nature News a declarar que no hay agujeros negros. Como escribí en una publicación anterior, eso no es exactamente lo que Hawking afirmó. Pero ahora está claro que la afirmación de Hawking sobre los agujeros negros es incorrecta porque la paradoja que intenta abordar no es una paradoja después de todo.
Todo se reduce a lo que se conoce como la paradoja del firewall para los agujeros negros. La característica central de un agujero negro es su horizonte de eventos. El horizonte de eventos de un agujero negro es básicamente el punto de no retorno al acercarse a un agujero negro. En la teoría de la relatividad general de Einstein, el horizonte de eventos es donde el espacio y el tiempo están tan deformados por la gravedad que nunca puedes escapar. Cruce el horizonte de eventos y quedará atrapado para siempre.
Esta naturaleza unidireccional de un horizonte de eventos ha sido durante mucho tiempo un desafío para comprender la física gravitacional. Por ejemplo, un horizonte de eventos de agujero negro parecería violar las leyes de la termodinámica. Uno de los principios de la termodinámica es que nada debe tener una temperatura de cero absoluto. Incluso las cosas muy frías irradian un poco de calor, pero si un agujero negro atrapa la luz, entonces no emite calor. Entonces un agujero negro tendría una temperatura de cero, lo que no debería ser posible.
Luego, en 1974, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros irradian luz debido a la mecánica cuántica. En la teoría cuántica hay límites a lo que se puede saber sobre un objeto. Por ejemplo, no puedes conocer la energía exacta de un objeto. Debido a esta incertidumbre, la energía de un sistema puede fluctuar espontáneamente, siempre que su promedio permanezca constante. Lo que Hawking demostró es que cerca del horizonte de eventos de un agujero negro pueden aparecer pares de partículas, donde una partícula queda atrapada dentro del horizonte de eventos (reduciendo ligeramente la masa de los agujeros negros) mientras que la otra puede escapar como radiación (llevándose un poco del energía del agujero negro).
Si bien la radiación de Hawking resolvió un problema con los agujeros negros, creó otro problema conocido como la paradoja del firewall. Cuando las partículas cuánticas aparecen en pares, se enredan, lo que significa que están conectadas de manera cuántica. Si el agujero negro captura una partícula y la otra escapa, entonces la naturaleza enredada del par se rompe. En mecánica cuántica, diríamos que el par de partículas aparece en un estado puro, y el horizonte de eventos parece romper ese estado.
El año pasado se demostró que si la radiación de Hawking está en estado puro, entonces no puede irradiar de la manera requerida por la termodinámica, o crearía un firewall de partículas de alta energía cerca de la superficie del horizonte de eventos. Esto a menudo se llama la paradoja del firewall porque, según la relatividad general, si se encuentra cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, no debería notar nada inusual. La idea fundamental de la relatividad general (el principio de equivalencia) requiere que si caes libremente cerca del horizonte de eventos no debería haber un cortafuegos de partículas de alta energía. En su artículo, Hawking propuso una solución a esta paradoja al proponer que los agujeros negros no tienen horizontes de eventos. En cambio, tienen horizontes aparentes que no requieren un cortafuegos para obedecer la termodinámica. De ahí la declaración de "no más agujeros negros" en la prensa popular.
Pero la paradoja del firewall solo surge si la radiación de Hawking está en estado puro, y un artículo del mes pasado de Sabine Hossenfelder muestra que la radiación de Hawking no está en estado puro. En su artículo, Hossenfelder muestra que, en lugar de deberse a un par de partículas enredadas, la radiación de Hawking se debe a dos pares de partículas enredadas. Una pareja enredada queda atrapada por el agujero negro, mientras que la otra pareja enredada escapa. El proceso es similar a la propuesta original de Hawking, pero las partículas de Hawking no están en estado puro.
Entonces no hay paradoja. Los agujeros negros pueden irradiarse de una manera que concuerde con la termodinámica, y la región cercana al horizonte de eventos no tiene un firewall, tal como lo requiere la relatividad general. Entonces, la propuesta de Hawking es una solución a un problema que no existe.
Lo que he presentado aquí es una visión general muy aproximada de la situación. He pasado por alto algunos de los aspectos más sutiles. Para obtener una descripción más detallada (y notablemente clara), consulte la publicación de Ethan Seigel en su blog ¡Comienza con una explosión! Consulte también la publicación en el blog de Sabine Hossenfelder, Back Reaction, donde ella misma habla sobre el tema.
