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Quantum Mechanical Nature of Black Holes

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Una nueva teoría podría revelar la naturaleza microscópica de los agujeros negros

El estudio de los agujeros negros es clave para reconciliar la teoría de la relatividad general con la mecánica cuántica y obtener un conocimiento más detallado del espacio y el tiempo en sus extremos. Sin embargo, para ello es necesario mirar más allá de las características macroscópicas que podemos observar. El proyecto QUNAT (Quantum Mechanical Nature of Black Holes) pretendía lograr esto, mediante una nueva teoría adecuada para desvelar las características microscópicas de los agujeros negros.

Espacio

En 1975, Benkenstein y Hawking obtuvieron una fórmula para calcular la entropía de los agujeros negros, es decir, al número de estados microscópicos posibles coherentes con el estado macroscópico observado en el agujero negro. Sin embargo, este avance también dio lugar a la aparición de los problemas pendientes más importantes en la física teórica de altas energías: la paradoja de la información en agujeros negros. Aunque la teoría cuántica dice que la información no puede salir de un agujero negro, esta información no aparece por ninguna parte, incluso cuando se libera la radiación del interior del agujero negro a medida que este se evapora. Un agujero negro solo se puede describir mediante su masa, carga eléctrica y momento angular, y no hay información codificada en todo ello. En otras palabras, actualmente no existe ninguna forma de conocer microscópicamente de qué está hecho realmente un agujero negro. «Podemos comparar esta situación con lo que vemos en el agua», explica Troels Harmark, profesor de física teórica de partículas y cosmología en el Instituto Niels Bohr. «Microscópicamente, el agua consiste en moléculas de agua (H2O) que, a su vez, pueden consistir en otros átomos o partículas más elementales. Sin embargo, cuando experimentamos con agua solo vemos sus características macroscópicas, como la temperatura y la presión. En los agujeros negros, estas características macroscópicas se conocen bastante bien. Por ejemplo, conocemos su masa y su temperatura. Pero no conocemos sus bloques constitutivos microscópicos demasiado bien». Aunque se ha avanzado de forma importante durante las últimas décadas, en particular en tipos específicos de agujeros negros en la teoría de cuerdas, todavía se carece de conocimientos completos sobre los agujeros negros astrofísicos. Buscando una forma de contar todos los bloques constitutivos microscópicos, el Prof. Harmark pretendía revelar su entropía. Su trabajo en el marco del proyecto QUNAT continuó con la aparición del principio holográfico, que resuelve la paradoja de la información del agujero negro asumiendo que los agujeros negros son superficies bidimensionales proyectadas en 3D. «La idea del principio holográfico es que ciertas teorías cuánticas sin gravedad, que no se aplican en nuestro espacio-tiempo, pueden describir los bloques microscópicos constitutivos de los agujeros negros. Estas teorías cuánticas existen en menos dimensiones. Esta idea cuenta con todas las características cualitativas adecuadas para funcionar», explica. Sin embargo, aunque pocos dudan de la validez del principio holográfico, su funcionamiento solo se conoce totalmente en situaciones con mucha simetría y una gravedad débil. Los agujeros negros y su gravedad extrema son una historia muy distinta: para comprender de veras su naturaleza microscópica, el equipo del proyecto necesitaba aumentar el acoplamiento de su teoría cuántica subyacente hasta un valor muy elevado. Para hacerlo, consideraron un límite de gravedad y mecánica cuántica en el que ambas cosas se simplifican tanto que sería posible aplicar este límite de acoplamiento elevado. «En este límite, el agujero negro se debería describir mediante una nueva teoría de mecánica cuántica que descubrimos, llamada teoría de la matriz de espín», explica el Prof. Harmark. Gracias a esta nueva teoría, el equipo pudo comprender con notable claridad las D-branas, unos objetos no perturbativos parecidos a los agujeros negros. Revelaron cómo estas D-branas, que se describen clásicamente con un trasfondo gravitatorio, emergen de una teoría cuántica, incluidas sus interacciones. «Esto permitió, por primera vez, ir más allá del límite supersimétrico de las D-branas, puesto que las interacciones introducen correcciones no supersimétricas», dice el Prof. Harmark. A continuación, pudieron hallar el tipo de geometría que emerge de una teoría de matriz de espín concreta. «Parte de la comprensión de los agujeros negros consiste en comprender cómo surge la geometría de la teoría cuántica. En este caso, podemos comprender la emergencia de la geometría de todas las teorías de matriz de espín. En particular, esto muestra que la geometría emergente es un nuevo tipo de geometría que no se había considerado antes». El profesor Niels Obers, director adjunto de investigación en el Instituto Niels Bohr y científico al cargo del proyecto, dice que estos hallazgos contribuyen a nuestro conocimiento de cómo surgen el espacio y el tiempo de una teoría cuántica subyacente. «Esto podría ser muy útil para comprender la etapa más temprana del Big Bang, cuando emergieron el espacio y el tiempo», añade. Aunque el proyecto ahora ha finalizado, el equipo continúa su trabajo con el estudio de las teorías de matriz de espín que se pueden utilizar para describir los agujeros negros, a la vez que sigue con la idea de que la teoría de matrices de espín puede proporcionar nuevas correspondencias holográficas que podrían ayudar a comprender cuantitativamente cómo emergen el espacio y el tiempo de una teoría cuántica.

Palabras clave

QUNAT, agujero negro, características microscópicas, relatividad general, mecánica cuántica, Hawking, Benkenstein, principio holográfico, teoría de la matriz de espín, D-branas

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