Según la teoría de la gravedad de Einstein en el interior de un agujero negro sólo hay espaciotiempo curvado y una singularidad puntual (un punto con curvatura infinito). Nada más y nada menos.
Imagina que una caja con el experimento cuántico del gato de Schrödinger cae dentro de un agujero negro acompañada de un observador.
¿Puede colapsar el estado del gato a vivo o a muerto por el efecto no local de una medida realizada por otro observador fuera del horizonte de sucesos? Sí, según el análisis de este experimento mental publicado en Physical Review Letters por Joseph Polchinski y Donald Marolf, ambos de la Universidad de Santa Barbara, California. Como esto parece imposible, concluyen que esta inconsistencia es una prueba de que el horizonte de sucesos del agujero tiene algún tipo de estructura, un “firewall” que impide que un observador pueda entrar dentro del agujero negro. Por cierto, el término “firewall” es traducido por “cortafuegos” pero para Polchinski y sus colegas significa “wall of fire”, es decir, “muro de fuego”, porque se supone que está acompañado de radiación de muy alta energía que es la que destruye al incauto observador que desea entrar en el agujero negro. Nos lo cuenta Andreas Karch, “What’s Inside a Black Hole’s Horizon?,” Physics 6: 115, 21 Oct 2013. El artículo técnico es Donald Marolf, Joseph Polchinski, “Gauge-Gravity Duality and the Black Hole Interior,” Phys. Rev. Lett. 111: 171301, 21 Oct 2013, arXiv:1307.4706 [hep-th].
Este artículo de Polchinski y otros similares fueron discutidos con profusión en el workshop “Black Holes: Complementarity, Fuzz, or Fire?,” KITP (Kavli Institute for Theoretical Physics), 19-30 Aug 2013. Las transparencias y los vídeos de las charlas están disponibles online (yo los disfruté todos durante agosto y principios de septiembre). Todo el asunto gira en torno a la idea de la complementaridad, la solución estándar al problema de la pérdida de información en los agujeros negros. Muchos físicos se niegan a sacrificar la idea de la complementaridad, pero retenerla lleva a aparentes paradojas, como la existencia de los “firewalls”.
Recomiendo a todos los interesados en entender bien este asunto que lean el libro de Leonard Susskind y James Lindesay, “An introduction to black holes, information and the string theory revolution. The holographic universe,” World Scientific, 2005. Un libro muy bien ilustrado, con ideas claras y que disfrutarán todos los aficionados a la buena divulgación (aunque entender los detalles requiere conocimientos de la físicomatemática de los agujeros negros, se pueden entender las ideas omitiendo las fórmulas matemáticas). Por cierto, yo me he leído este libro dos veces este verano y las he disfrutado ambas (me encanta como describe sus ideas el genial Lenny Susskind). Mi problema es que resumir este libro en una entrada de este blog es muy difícil y que no tengo tiempo de escribir una serie de entradas, lo siento mucho.
La idea de la complementaridad, introducida por Leonard Susskind y varios colegas en 1993, aunque basándose en ideas previas de Gerard ‘t Hooft, afirma que observadores dentro y fuera del horizonte de sucesos pueden tener descripciones equivalentes (complementarias) de la misma física cuántica sin violar el principio de no clonación, porque ningún observador puede estar al mismo tiempo dentro y fuera del horizonte. Por tanto, toda la información cuántica que entra en el agujero negro acaba siendo emitida “entreverada” (scrambled) en la radiación de Hawking sin violar la evolución unitaria del estado cuántico. La radiación de Hawking parece térmica, pero contiene la información cuántica que cayó en el agujero (sobre todo en agujeros negros “viejos” que han superado la edad de Page).
El entrevesamiento de la información en la radiación de Hawking es tan grande que impide que un observador externo extraiga la información cuántica que cayó en el agujero negro, pero evita la pérdida de la información cuántica (al menos desde el punto de vista de los experimentos mentales).
La idea AMPS de Polchinski y sus colegas es construir un experimento mental que viola la monogamia del entrelazamiento cuántico y el principio de no clonación del estado cuántico cuando se impone la complementaridad. Su propuesta para impedir que este experimento mental sea ejecutado es que el horizonte de sucesos del agujero negro tiene “pelo” (el “firewall”), que incinera a todo observador incauto que trate de entrar en el agujero negro. Esto son palabras mayores porque significa que se viola el principio de equivalencia de Einstein. Por ello la mayoría de los físicos creemos que los agujeros negros no tienen “pelo” y que el argumento AMPS debe fallar por algún lado. Se han propuesto varias soluciones, pero ninguno de los argumentos convence a Polchinski y sus colegas, que siempre son capaces de encontrar contraargumentos (loopholes) que acaban reforzando sus propias ideas a favor del “firewall”.
El nuevo trabajo de Marolf y Polchinski le da una nueva vuelta de hoja al argumento de los “firewalls” encontrando una contradicción en la cuestión de la independencia entre las medidas cuánticas locales de un observador cayendo en el agujero negro y un observador situado en el exterior. La opinión de la mayoría de los físicos es que las medidas cuánticas de ambos observadores son independientes porque no están conectados de forma causal debido a la presencia del horizonte de sucesos. Si el observador que cae en el agujero negro realiza un experimento tipo gato de Schrödinger, la única manera de colapsar la función de onda para saber si el gato está vivo o muerto es que este observador abra la caja y observe el estado del gato. No hay nada que pueda hacer el observador en el exterior.
Sin embargo, Marolf y Polchinski encuentran un argumento basado en la complementaridad que permite que la función de onda del gato colapse mediante una medida cuántica realizada por el observador externo; el estado del gato colapsa a vivo o a muerto por un efecto no local debido a cierta medida realizada fuera del horizonte de sucesos por el observador externo. Sin necesidad de que el observador que cae en el agujero negro abra la puerta de la caja que contiene el gato, el estado del animal cuántico colapsa. Como es obvio, esto no parece razonable. Por ello, según Marolf y Polchinski, si la idea de la complementaridad es intocable, entonces debe ser imposible que un observador entre en el agujero negro y debe existir algo que se lo impida (un ”wall of fire”).
Recomiendo a todos los físicos que deseen entender bien este argumento que se lean el artículo de Marolf y Polchinski, pues explicarlo mejor que ellos es imposible. El artículo se entiende fácil, pero como las palabras que describen el argumento están muy bien elegidas, lo único que podría hacer yo es traducirlas (y no creo que merezca la pena, pues quien pueda entenderlas seguro que sabe inglés).
Una solución bastante curiosa a todos estos problemas es la conjetura ER=EPR de Maldacena y Susskind.
Según esta idea todos los estados cuánticos entrelazados están unidos por agujeros de gusano inestables (puentes de Einstein-Rosen). Estos agujeros de gusano conectan los estados del gato de Schrödinger dentro del horizonte de sucesos con las medidas realizadas por el observador externo de tal forma que dan sentido a la influencia no local que colapsa la función de onda del gato. La idea está todavía en un estadio muy primitivo y carece de una formulación matemática rigurosa. Sin embargo, mucha gente ve con buenos ojos que la idea relacione dos artículos científicos que Albert Einstein publicó en 1935. Marolf y Polchinski creen que la conjetura ER=EPR sólo resuelve su paradoja cuando hay una identificación completa entre los estados de ambos observadores conectados por los agujeros de gusano, algo que no forma parte de la idea original de Maldacena y Susskind.
El artículo de Marolf y Polchinski se ha publicado hoy en PRL, pero lleva en ArXiv desde el 25 de julio, por lo que ya hay varios artículos que discuten posibles soluciones que evitan los “firewalls”. Lo más fácil es introducir pequeños cambios en la idea de la complementaridad, pero que no afecten a su uso para resolver la paradoja de la pérdida de información.
El gran problema de estas soluciones es que mientras no sepamos qué son los microestados que almacenan la información cuántica dentro de los agujeros negros, la complementaridad carece de una formulación matemática rigurosa. Pero para saberlo lo que son necesitamos una teoría cuántica de la gravedad. Por ello, todo el trabajo que están realizando cientos de físicos teóricos dándole vueltas al argumento de los “firewall” puede ser la mecha que encienda la explosión de ideas que conduzca hacia la gravedad cuántica.
Los experimentos mentales son uno de los pocos caminos que los físicos teóricos pueden utilizar para debatir sus ideas cuando se carece de experimentos que nos permitan escudriñar la realidad.
El mensaje de Marolf y Polchinski está claro: si no queremos aceptar la existencia de los “firewalls” hay que aceptar que existe algún tipo de identificación entre los estados cuánticos dentro y fuera del agujero negro más allá de lo que la idea original de la complementaridad en agujeros negros está dispuesta a admitir.
Los microestados de los agujeros negros son algo mucho más difícil de imaginar de lo que muchos físicos teóricos están dispuestos a admitir.
