Durante décadas, los físicos han luchado con uno de los enigmas más profundos de la ciencia moderna: la “paradoja de la información del agujero negro”. Ahora, un nuevo estudio teórico sugiere una posible solución, que podría arrojar luz sobre otro gran misterio de la física, el origen de la masa de las partículas elementales.
La paradoja se remonta al trabajo de Stephen Hawking en los años 1970. Mediante cálculos semiclásicos, Hawking demostró que los agujeros negros no son completamente negros. En cambio, emiten una forma más débil de radiación que drena lentamente su energía, lo que hace que se encojan y finalmente desaparezcan.
Este resultado creó un problema grave. Según la mecánica cuántica la información no se puede destruir. Sin embargo, si un agujero negro se evapora por completo, toda la información sobre la materia que cayó en él parece desaparecer también. Esta aparente contradicción se conoció como la paradoja de la información del agujero negro.
Un nuevo estudio dirigido por Richard Pincock y publicado Relatividad General y Gravitación Proponga un resultado diferente. Los investigadores sugieren que la respuesta puede estar en la geometría del universo de dimensiones superiores.
Dimensiones extra y espacio-tiempo retorcido
El equipo exploró una versión de la gravedad conocida como teoría de Einstein-Kurtan, que se formula en 7 dimensiones en un marco matemático llamado colector G2 con torsión.
A diferencia de la relatividad general de Einstein, que describe el espacio-tiempo como algo que puede doblarse o curvarse, la teoría de Einstein-Kurtan también permite que el espacio-tiempo se tuerza. Esta torsión se llama torsión espacio-temporal.
Según el modelo, la torsión adquiere particular importancia en las densidades extremas asociadas con la escala de Planck. En estas condiciones, se crea una fuerza repulsiva que actúa contra el colapso gravitacional.
Los investigadores descubrieron que este efecto repulsivo podría detener la etapa final de la evaporación de Hawking. En lugar de desaparecer por completo, un agujero negro dejará tras de sí un “remanente” estable con una masa prevista de aproximadamente 9*10.-41 kilos
Restos de agujeros negros como almacenamiento de información
Si un agujero negro nunca desaparece por completo, la siguiente pregunta es obvia: ¿Qué sucede con la información que contiene?
Los investigadores proponen que el residuo actúa como un almacén de información a largo plazo. En su estructura, la información se almacena a través de un espectro de “modos cuasi normales” asociados con la estructura de los residuos.
Más específicamente, la información cuántica está codificada en las “vibraciones” de larga duración del campo de torsión que existen dentro de la geometría del residuo.
Sus cálculos sugieren que el remanente dejado por un agujero negro con la masa del Sol puede almacenar alrededor de 1,515*1077 cúbits de información. Según los investigadores, esa capacidad es suficiente para almacenar la información necesaria para resolver la paradoja.
Una posible conexión con el campo de Higgs
La investigación va más allá de los agujeros negros y llega a la física de partículas.
Los investigadores argumentan que reducir la geometría de 7 dimensiones a 4 dimensiones, el espacio-tiempo que experimentamos, produce naturalmente una escala electrodébil de ~246$ GeV. Esta escala de energía está muy relacionada con el campo de Higgs, que es el encargado de dar masa a las partículas elementales.
En el modelo, el valor esperado de vacío (VEV) del campo de torsión se caracteriza dinámicamente por la escala electrodébil (aproximadamente 246 GeV).
En consecuencia, el mismo mecanismo geométrico que evita que los agujeros negros se evaporen por completo y preserva la información cuántica también puede proporcionar una explicación geométrica para el problema de clasificación de masas, uno de los desafíos de larga data en la física de partículas.
¿Cómo se puede probar la teoría?
Si las dimensiones adicionales desempeñan un papel tan fundamental, ¿por qué los científicos no las han observado directamente?
Según las investigaciones, las partículas asociadas a estas dimensiones (excitaciones de Kaluza-Klein) tendrían una masa de aproximadamente 8,6*1015 GeV. Esta escala de energía está aproximadamente siete órdenes de magnitud más allá de lo que puede alcanzar el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
Sin embargo, los autores enfatizan que estar fuera del alcance de los aceleradores de partículas actuales no hace imposible probar la teoría.
Debido a que el marco se basa en relaciones geométricas específicas, realiza predicciones concretas que potencialmente pueden investigarse mediante observaciones astronómicas.
Una posibilidad implica restos de agujeros negros estacionarios. Residual previsto (9*10-41 kg) pueden contribuir a la materia oscura. Detectar los efectos gravitacionales de este “remanente planckiano” propuesto proporcionaría apoyo directo a la teoría.
El modelo hace predicciones únicas sobre cómo se codifica la información en la “vibración” (modo casi normal) del residuo, proporcionando una firma matemática que lo distingue de conceptos competidores.
Además, las escalas de energía extremadamente altas involucradas son características del universo primitivo. Eso significa que se pueden conservar rastros de la geometría de 7 dimensiones propuesta en el fondo cósmico de microondas o en las ondas gravitacionales primordiales.
Al combinar agujeros negros, información cuántica, dimensiones adicionales y el campo de Higgs en un único marco, la investigación ofrece un ambicioso intento de resolver varios problemas pendientes de la física. Si la idea resulta correcta, es posible que la paradoja de la información del agujero negro no requiera un replanteamiento de la mecánica cuántica. En cambio, puede apuntar a una comprensión más profunda de la realidad arraigada en una estructura de siete dimensiones del espacio-tiempo.
