Los Agujeros Negros como Partículas Elementales - Revisando Investigación Pionera sobre Cómo las Partículas Pueden ser Microagujeros Negros

Por: William Brown, Biofísico e Investigador de Resonance Science Foundation

La idea de que las partículas sean diminutos agujeros negros puede parecer extraña a primera vista, pero incluso dentro del modelo canónico de la física de partículas se considera que las partículas elementales, como los electrones y los quarks, tienen masa pero ocupan una dimensión cero. De hecho, debido a la autoenergía de una partícula puntual, los leptones tienen una masa desnuda infinita y una carga desnuda infinita -las fluctuaciones del vacío son necesarias para acotar estos valores infinitos. Una partícula puntual de este tipo es una singularidad o, en lenguaje más común, un agujero negro.

Entonces, ¿por qué las partículas elementales no se consideran comúnmente como microagujeros negros? Una de las razones es que la teoría cuántica de campos trata a las partículas como objetos probabilísticos extendidos, que no existen más que como una superposición de estados, por lo que no son verdaderas partículas puntuales, ya que no ocupan ningún punto específico en el espacio. Sin embargo, la misma teoría estipula que al colapsar la función de onda una partícula volverá a una posición puntual, y estamos de nuevo en una singularidad. Incluso dentro de la teoría de cuerdas, existen estrechos paralelismos entre las cuerdas, su comportamiento como branas y las singularidades o agujeros negros.

Otro argumento es que los microagujeros negros no podrían presentar ninguna de las características observadas en las partículas elementales, y aunque esto se toma como una suposición básica, las investigaciones reales sobre el asunto han demostrado que los microagujeros negros pueden, de hecho, presentar muchas de las características observadas en las partículas elementales.

Por ejemplo, en el estudio Hadrons as Kerr-Newman Black Holes, de Robert Oldershaw, del Amherst College, se evalúa el argumento lógico y la autoconsistencia empírica de un modelo de "partículas como agujeros negros" (nótese que un hadrón es una partícula subatómica "compuesta", como un protón, un neutrón o un mesón):

La invariancia de escala de las ecuaciones de campo de Einstein sin fuente sugiere que uno podría ser capaz de modelar los hadrones como agujeros negros de "gravedad fuerte", si se utiliza un reescalado apropiado de las unidades o un factor de acoplamiento gravitacional revisado.

Para el caso de los hadrones, es al menos lógicamente posible que el acoplamiento gravitatorio entre la materia y la geometría del espacio-tiempo sea mucho más fuerte que para los sistemas macroscópicos. El valor del factor de acoplamiento gravitatorio nunca se ha medido dentro de un átomo o una partícula subatómica. El uso estándar del valor newtoniano en este ámbito se basa puramente en una suposición no comprobada.

Cabe preguntarse si existen datos observacionales o resultados teóricos que apoyen la hipótesis de la "gravedad fuerte". De hecho, hay algunas pruebas interesantes que son coherentes con esta idea poco ortodoxa. Como se discute en detalle por  Sivaram and Sinha (1977), Los hadrones y los agujeros negros de Kerr-Newman comparten un intrigante conjunto de similitudes.

1. Tanto los hadrones como los agujeros negros de Kerr-Newman se caracterizan casi exclusivamente por tres parámetros: masa, carga y momento angular.
2. Tanto los hadrones como los agujeros negros de Kerr-Newman tienen momentos dipolares magnéticos, pero no tienen momentos dipolares eléctricos.
3. Los hadrones típicos y los agujeros negros de Kerr-Newman tienen relaciones giromagnéticas de 2.
4. Los hadrones y los agujeros negros de Kerr-Newman tienen relaciones lineales similares entre el momentum angular y la masa al cuadrado.
5. Cuando los agujeros negros de Kerr-Newman interactúan, sus superficies pueden aumentar, pero nunca pueden disminuir, lo que es potencialmente análogo al aumento de las secciones transversales encontrado en las colisiones de hadrones.

Dadas estas curiosas similitudes entre las características fundamentales de los hadrones y los agujeros negros de Kerr-Newman, parece haber suficiente motivación para considerar el enfoque de la "gravedad fuerte" para los hadrones.

La Singularidad de Einstein y la Geometrodinámica Cuántica de Wheeler

En 1935, Albert Einstein y Nathaniel Rosen abordaron la cuestión de la "partícula como singularidad" en el célebre artículo "el problema de la partícula en la teoría general de la relatividad". Einstein y Rosen querían una teoría que se deshiciera de la singularidad de las partículas puntuales y que describiera las partículas materiales únicamente a partir de la solución gravitatoria de la relatividad general y de las soluciones de Maxwell del electromagnetismo: una teoría unificada.

Para ello, imaginaron una trayectoria que se trazaba radialmente hacia el interior de la singularidad. En lugar de intentar cruzar el horizonte de sucesos y descender hasta el centro, Einstein y Rosen mostraron cómo hacer coincidir la trayectoria con otra pista que emerge de nuevo hacia el exterior, pero en una sección separada del espaciotiempo. Imaginemos formas de embudo extraídas de dos láminas de goma adyacentes y conectadas por sus cuellos, proporcionando un camino continuo en forma de tubo desde una superficie a la otra. Esta construcción crea una conexión suave o un puente entre dos trozos distintos de espaciotiempo. Se ha formado el puente Einstein-Rosen.

Casi 20 años después, el preeminente físico John Archibald Wheeler revisó el esquema de unificación de Einstein y Rosen, y formó el campo de la geometrodinámica cuántica. Wheeler describió cómo un campo electromagnético extremadamente fuerte curvaría el espaciotiempo hasta tal punto que se curvaría sobre sí mismo, formando un toroide (como un anillo de fotones), y en las dimensiones de la escala cuántica formaría un micro agujero negro.

Dicho objeto sería indistinguible de una partícula: lo que Wheeler denominó una entidad electromagnética gravitatoria, o Geon. Tendría masa y carga aunque éstas no fueran características intrínsecas del campo antes de formar el micro agujero negro, sino que se convertirían en una consecuencia efectiva de la geometría del espaciotiempo.

De forma similar al puente de Einstein-Rosen, Wheeler describió estos geones como pares de partículas conectadas por un puente espaciotemporal, o agujero de gusano: se formó el agujero de gusano de Wheeler. Recientemente, en un estudio que investiga la geometría del entrelazamiento (ERb = EPR) los cálculos han predicho la formación de un par de partículas del agujero de gusano de Wheeler a través del efecto Schwinger holográfico.

Aunque la mayoría de los físicos de los regímenes de unificación se apartaron de la geometrodinámica cuántica en favor de las teorías de cuerdas, se siguió trabajando en la idea. En 1968, Brandon Carter demostró que un agujero negro con la misma masa, carga y momento angular que un electrón coincidiría con el momento magnético observado del electrón. Se trata de un hallazgo importante, ya que los cálculos que no incluyen la relatividad general y tratan al electrón como una pequeña esfera giratoria de carga dan un momento magnético que se aleja aproximadamente en un factor de 2.

En 2008, un estudio que investigaba "un escenario para la gravedad fuerte en la física de partículas" descubrió que los agujeros negros que se evaporan de Unruh-Hawking sufren un tipo de transición de fase que da lugar a objetos cuantificados de larga duración de tamaños razonables, incluidos los de las partículas dentro del dominio cuántico. Una vez más, esto llevó a especular que quizás todo esté hecho de microagujeros negros.

En 2012, Nassim Haramein descubrió (continuando un trabajo anterior) que la fuerza de confinamiento de un hadrón y un núcleo puede describirse exactamente a partir de la fuerza gravitatoria de un protón de Schwarzschild (un agujero negro con el mismo diámetro de un protón), sin necesidad de añadir a posteriori una fuerza fuerte artificiosa.

A pesar de que estos cálculos demuestran que los microagujeros negros recapitulan las características observadas de las partículas elementales, y pueden realmente describir la generación de características intrínsecas como la masa, la carga y el espín desde los primeros principios, la idea de los microagujeros negros recibe fuertes críticas.

En un artículo de 1992, Christoph Holzhey y Frank Wilczek investigaron cómo ciertos agujeros negros pueden interpretarse razonablemente como si se comportaran como partículas elementales normales:

"¿Existe una distinción fundamental entre los agujeros negros y las partículas elementales? El uso de conceptos como entropía, temperatura y respuesta disipativa en la descripción de las interacciones de los agujeros negros hace que estos objetos parezcan muy diferentes de las partículas elementales. Esto ha contribuido a inspirar algunas sospechas de que la descripción de los agujeros puede requerir una desviación de los principios fundamentales de la mecánica cuántica.  Sin embargo, una actitud más conservadora no está excluida. En la mayor parte de este artículo, analizaremos con cierto detalle una clase particular de soluciones de agujeros negros (agujeros negros dilatones extremos), y argumentaremos que algunos de ellos parecen comportarse, de hecho, como partículas elementales." -- Los agujeros negros como partículas elementales

Aunque nuestra discusión aquí no agota en absoluto la totalidad de las fuentes y la información que se puede presentar sobre este tema, debería dar una visión general del trabajo que se ha realizado investigando la cuestión de los microagujeros negros como partículas elementales.

Nota: Frank Wilzcek ha publicado recientemente un artículo en la revista Quanta en el que habla de la computación cuántica topológica con anyones.

Más información en: https://arxiv.org/pdf/hep-th/9202014.pdf