Estrellas de Planck: La Investigación de la Gravedad Cuántica se Aventura más Allá del Horizonte de Sucesos

Por:  Resonance Science Foundation 

En la última sección de uno de nuestros artículos sobre la llamada paradoja de la pérdida de información en la física de los agujeros negros -Stephen Hawking se vuelve gris- incluimos una rápida descripción del trabajo de vanguardia de dos astrofísicos, Carlo Rovelli y Francesca Vidotto, que describen lo que llegaron a llamar estrellas de Planck, y que está ganando mucho interés en la prensa popular.

La paradoja de la pérdida de información es un foco de atención en la modelización teórica en estos momentos porque sugiere que, o bien nuestra teoría de la física cuántica, o bien nuestro modelo de los agujeros negros es defectuoso o, al menos, incompleto (el caso más probable es el de ambos/y, como suele ser la solución a las aparentes paradojas, que resulta del pensamiento o bien). Además, y quizás lo más importante, también se reconoce con cierta clarividencia que la resolución de la paradoja de la pérdida de información será la clave para una descripción holística de la gravedad cuántica y, por tanto, un gran avance hacia una teoría del campo unificado de la física.

La paradoja, tal y como está formulada, surge de las consideraciones sobre el destino final de la información que cae en un agujero negro: ¿desaparece al caer en la singularidad del centro? Además, ¿qué ocurre con la información de un agujero negro cuando se evapora hasta la nada debido a la radiación de Hawking (un mecanismo descrito por Hawking en los años 70 en el que los agujeros negros irradian lentamente su energía o masa)?

Pero, ¿por qué los físicos hablan de información y qué quieren decir con ello? Hay una serie de características que describen el estado de la materia y la energía, y se cree que esto es el contenido de información de la materia. Gran parte de esta información son los mismos datos que uno daría para describir su propio estado, como su posición relativa (¿dónde está?), su velocidad (¿se está moviendo o está parado?), etc... estos estados son, por tanto, información.

En consecuencia, existe una equivalencia entre información y energía. Si un agujero negro pierde toda su energía, entonces también se perdería toda la información sobre todas las partículas que cayeron en él. Por supuesto, la desaparición de la información supondría una violación de las leyes de conservación de la energía, que establecen que ninguna energía/información puede ser destruida.

Nassim Haramein siempre ha sostenido que el problema de la paradoja de la información está generado artificialmente por la comprensión incompleta de la radiación de los agujeros negros, en la que las partículas virtuales de las fluctuaciones del vacío no sólo están extrayendo energía del agujero negro, sino también alimentando energía o información en el agujero negro en una retroalimentación continua, que experimentamos como los campos gravitacionales y electromagnéticos.

Estrellas de Planck

Sin embargo, suponiendo que se produzca la evaporación de los agujeros negros, los astrofísicos Carlo Rovelli y Francesca Vidotto, han ofrecido tal vez una de las soluciones más agradables hasta ahora a esta aparente paradoja (sin contar con la solución de los agujeros de gusano de Leonard Susskind, que comentamos en el artículo Cortafuegos y horizontes fríos), y muy posiblemente un gran avance en nuestro modelo de agujeros negros en general. El equipo, en su publicación titulada Planck Stars, demuestra cómo un objeto que colapsa gravitatoriamente puede no ser aplastado hasta un punto de dimensión cero (no es broma), sino que alcanzará un punto de equilibrio metaestable cuando el volumen alcance una densidad masa-energía específica. Imaginemos qué pasaría si la masa de 14 de nuestros Soles se comprimiera en un espacio del tamaño de un núcleo atómico, ¿qué fuerza sería necesaria para comprimirlo más? Según Rovelli y Vidotto se alcanza un equilibrio, ya que la fuerza extrema de la gravedad hacia el interior se equilibra con una poderosa fuerza de repulsión procedente de la densidad de energía del vacío cuántico. 

Normalmente, la gravedad cuántica sólo se describe en el tamaño extremadamente pequeño del diámetro de Planck (~10^-33 cm). Como en la teoría de la gravedad cuántica de bucles, donde el propio espacio, similar a la estructura atómica, tiene unas cantidades discretas de espaciotiempo como filamentos, entretejidos en redes de espín, cuya evolución se denomina espuma de espín. Aunque Rovelli y Vidotto utilizan principalmente los valores de Planck, sugieren que los fenómenos gravitacionales cuánticos pueden ser relevantes a tamaños mucho mayores que el Planckiano. La razón es que, aunque el volumen de una masa que colapsa gravitacionalmente es mucho mayor que el diámetro de Planck, la energía de la densidad de Planck de un centímetro cúbico de espacio es extremadamente grande (~10⁹³ gramos por centímetro cúbico), y puesto que la presión gravitacional cuántica es el resultado directo de la densidad de energía, se producirá una fuerza repulsiva gravitacional cuántica a un tamaño relativamente grande para equilibrar la fuerza de aplastamiento hacia el interior del colapso gravitacional. Se predice que esta presión cuántica se produce a tamaños cercanos a la escala subatómica (del orden de 10^-10 - 10^-14 cm).  Por lo tanto, según sus cálculos, un agujero negro en colapso se detendría y "rebotaría" cuando alcanzara, lo que resulta ser, el tamaño aproximado de un protón (un dato que no mencionan los autores), que sigue siendo unos 20 órdenes de magnitud mayor que la longitud de Planck. En la sección siguiente discutiremos el formalismo utilizado por Rovelli y Vidotto que son variaciones de las ecuaciones (volúmenes, superficies, longitudes) que se encuentran en el artículo de Haramein La gravedad cuántica y la masa holográfica, y la relación del marco de la estrella de Planck con su solución de la masa del protón.

Volver al Futuro

En términos de una estrella de Planck, una masa que ha sido comprimida a esta densidad ya no satisfaría las ecuaciones clásicas de Einstein (a pesar de la solución holográfica de Schwarzschild de Haramein) - la relatividad general una vez más se encuentra con la teoría cuántica. Inmediatamente, algunos físicos se echarían las manos a la cabeza y gritarían que esto no puede ser físicamente relevante, ya que un agujero negro de ese diámetro explotaría casi inmediatamente en una explosión de rayos gamma de alta energía (debido a la relación de la tasa de radiación Hawking con el tamaño de un agujero negro: cuanto más pequeño es un agujero negro, más energía irradia). Sin embargo, lo que se está descuidando en tal escenario (que ha sido una crítica que también se aplicó al modelo de Haramein de los agujeros negros subatómicos) son los efectos relativistas de una masa tan altamente compactada. Se sabe que en el horizonte de sucesos de cualquier agujero negro -sin importar su tamaño- la extrema curvatura del espacio-tiempo hace que los marcos inerciales locales (espacios adyacentes al horizonte de sucesos) experimenten un factor de dilatación del tiempo. No es sólo el espacio el que se deforma y dobla bajo la gravedad y la aceleración, sino también el tiempo. Dicho de forma sencilla, desde el punto de vista de un observador externo, el tiempo parece detenerse casi por completo cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro debido a la aceleración que se aproxima a las velocidades relativistas, o si se quiere, a la velocidad de la luz.

Por lo tanto, el tiempo propio de una estrella de Planck (el tiempo experimentado en el marco de referencia de la propia estrella de Planck) es muy corto (suponiendo que la radiación de Hawking sea real), sin embargo desde la perspectiva de un observador externo la radiación de una estrella de Planck antes del "rebote" es extremadamente larga. Desde su propio marco temporal, básicamente colapsa muy cerca de la densidad de Planck y luego experimenta rápidamente un "rebote" en el que irradia toda su información de vuelta al Universo, salvándonos de la temida pérdida de información. El equipo demuestra cuánto tiempo estaría una estrella de Planck para un observador externo. Si tomamos un agujero negro con una masa de unos 10¹⁵ gramos (cerca de lo que podría considerarse un agujero negro primordial, que describiremos en breve) tendrá un radio de aproximadamente 10^-14 centímetros (más o menos el radio del protón), entonces el factor de dilatación temporal calculado es de aproximadamente 14.000 millones de años, ¡o sea, más o menos el tiempo que se cree que ha existido el Universo! Por lo tanto, estos objetos parecen increíblemente estables. Como nota al margen, si pudiéramos sobrevivir a las fuerzas de marea gravitacionales extremas, entrar en el marco de referencia de una estrella de Planck sería un viaje rápido al futuro: esencialmente nos transportaríamos inmediatamente al futuro lejano y distante de la evolución de esa estrella, algo genial en lo que pensar.

El Universo Bebé

Ahora, considerando el Universo primitivo, Rovelli y Vidotto demuestran que puede no haber surgido de un punto de singularidad como se creía anteriormente, sino más bien del "rebote" de una Estrella de Planck alcanzando la densidad de Planck y por lo tanto dando una explicación alternativa al llamado Big Bang y dando una fuente de energía (la densidad de energía del vacío) a la razón por la que el Universo se está inflando. En la densidad planckiana, el Universo tenía una temperatura tan alta que ni siquiera las partículas subatómicas podían formarse. En esta densidad de masa-energía extremadamente alta, se teoriza que en todo el Universo pequeños cúmulos de esta sopa de plasma podrían haber colapsado para formar agujeros negros. Estos agujeros se denominan agujeros negros primordiales y, según las teorías, podrían estar distribuidos por todo el espacio incluso en la actualidad, y probablemente fueron los progenitores de los agujeros negros supermasivos que residen en el corazón de la mayoría de las galaxias. Dado que un agujero negro primordial a escala atómica tendría un ciclo de rebote de unos 14.000 millones de años, utilizando los parámetros calculados por Vidotto y Rovelli para la dilatación del tiempo, algunos de estos agujeros negros primordiales estarían empezando a experimentar su "rebote cuántico", desde nuestra perspectiva (¡aunque en su tiempo propio ocurrió hace 14.000 millones de años!).  Rovelli y Vidotto sugieren que podríamos ser capaces de detectar estos eventos, interceptando rayos gamma de alta energía desde el espacio. Por lo tanto, según ellos, estos rayos gamma de alta energía pueden contener pruebas empíricas reales de la gravedad cuántica.

El factor Haramein

Sin embargo, Rovelli y Vidotto al no conocer la solución holográfica de Haramein, desconocían que ya existe una evidencia empírica de la gravedad cuántica. Es decir, que la predicción de Haramein del radio del protón basada en la densidad de Planck del vacío, que a día de hoy se mantiene como la predicción más precisa de la última medición del protón, y que es el único modelo teórico (incluyendo el modelo estándar) que lo predice con exactitud, es una evidencia empírica de que las fluctuaciones cuánticas del vacío de Planck tienen efectos reales y medibles, concretamente la formación del protón en este caso (por eso Rovelli y Vidotto llegaron a un radio muy similar para su estrella de Planck). Haramein extrae el radio correcto del protón demostrando que la gravedad, no sólo a escala cuántica sino también a escala cosmológica, es fundamentalmente el resultado de la estructura granular de la información de Planck del espaciotiempo que produce la fuerza gravitacional que experimentamos como agujeros negros, y lo aplica a la escala cuántica para mostrar que la llamada fuerza de confinamiento que une a los protones en los núcleos es de hecho la gravedad cuántica mal etiquetada como fuerza fuerte. Por lo tanto, la estructura de los propios átomos es una prueba empírica de que la gravedad cuántica, a partir de las fluctuaciones del vacío, es un actor fundamental en la creación de nuestro mundo, desde la génesis cosmológica, como demostraron Rovelli y Vidotto, hasta la estructura y las fuerzas de todo el mundo material. Por ello, los cálculos de la estrella de Planck les llevaron finalmente al radio de escala en las proximidades de un protón.

Como mencionamos en nuestro anterior artículo Hawking se pone gris "De hecho, el formulismo utilizado por Rovelli y Vidotto es extremadamente relevante ya que las ecuaciones 3, 4, 8 y 9 de su artículo son todas variaciones básicas de la ecuación 19 del artículo de Haramein La Gravedad Cuántica y Masa Holográfica, dada allí como: r=2ℓ(m/m_ℓ) donde ℓ es la longitud de Planck y m_ℓ es la masa de Planck.... Ambos enfoques son de naturaleza geométrica, y ambos describen diferentes aspectos de la dinámica del espaciotiempo impulsada por la resolución cuántica."  Por lo tanto, Rovelli y Vidotto llegan al mismo formulismo que Haramein desde un camino completamente diferente, en su caso la curvatura, donde Haramein llegó desde la estructura holográfica de pixelación discreta del espaciotiempo. En cualquier caso, las dos son como piezas de un rompecabezas que encajan para darnos una comprensión más profunda de la evolución y la creación universales.

Sin embargo, aunque el equipo de astrofísicos llegó a una estrella de Planck en la región del radio de un protón, no se les ocurrió necesariamente que la densidad de Planck en este volumen cuando se produciría el "rebote", es equivalente a la densidad de energía constante cosmológica del vacío en el resto del Universo, que actualmente se piensa que es la fuente de expansión del Universo. Por lo tanto, la estabilidad aparente del protón, o en su caso de la estrella de Planck, no sólo se debe a la dilatación del tiempo, sino también a un estado de equilibrio entre la presión gravitatoria cuántica de la densidad de Planck interna del protón y la densidad de energía cosmológica del vacío que lo confina.

La utilización de las ecuaciones de Haramein de la Gravedad Cuántica y la Masa Holográfica, a las que Rovelli y Vidotto llegaron ostensiblemente de forma independiente, demuestran el poder del enfoque de la Masa Holográfica en la descripción de la dinámica que implica la gravedad cuántica.