Un nuevo modelo teórico podría resolver un enigma de 50 años sobre la entropía de los agujeros negros. Desarrollado por físicos de Estados Unidos, Bélgica y Argentina, el modelo utiliza el concepto de agujeros de gusano mecánico-cuánticos para contar el número de microestados cuánticos dentro de un agujero negro. Los recuentos resultantes concuerdan con las predicciones hechas por la llamada fórmula de entropía de Bekenstein-Hawking y pueden conducir a una comprensión más profunda de estos objetos astrofísicos extremos.
Agujero negro termodinámica
Los agujeros negros reciben su nombre porque su intensa gravedad deforma tanto el espacio-tiempo que ni siquiera la luz puede escapar después de entrar en ellos. Esto hace imposible observar directamente lo que sucede en su interior. Sin embargo, gracias al trabajo teórico realizado por Jacob Bekenstein y Stephen Hawking en los años 1970, sabemos que los agujeros negros tienen entropía, y la cantidad de entropía viene dada por una fórmula que lleva sus nombres.
En la termodinámica clásica, la entropía surge del caos y el desorden microscópicos, y la cantidad de entropía en un sistema está relacionada con el número de microestados consistentes con una descripción macroscópica de ese sistema. Para los objetos cuánticos, una superposición cuántica de microestados también cuenta como un microestado, y la entropía está relacionada con la cantidad de formas en que todos los microestados cuánticos pueden construirse a partir de tales superposiciones.
Las causas de la entropía de los agujeros negros son una cuestión abierta, y hasta ahora los científicos no han logrado una descripción puramente mecánica cuántica. A mediados de la década de 1990, los teóricos de cuerdas idearon una forma de contar los microestados cuánticos de un agujero negro que concuerda con la fórmula de Bekenstein-Hawking para ciertos agujeros negros. Sin embargo, sus métodos sólo se aplican a una clase especial de agujeros negros supersimétricos con cargas y masas finamente sintonizadas. La mayoría de los agujeros negros, incluidos los que se producen cuando las estrellas colapsan, no están cubiertos.
Más allá del horizonte
En el nuevo trabajo, investigadores de la Universidad de Pensilvania, la Universidad Brandeis y el Instituto Santa Fe, todos en EE.UU., junto con colegas de la Vrije Universiteit Brussel de Bélgica y el Instituto Balseiro de Argentina, desarrollaron un enfoque que nos permite mirar dentro de un agujero negro. interior. Escribiendo en Physical Review Letters, Observan que existe un número infinito de microestados posibles detrás del horizonte de sucesos de un agujero negro, la superficie límite de la que no puede escapar la luz. Debido a los efectos cuánticos, estos microestados pueden superponerse ligeramente a través de túneles en el espacio-tiempo conocidos como agujeros de gusano. Estas superposiciones permiten describir los microestados infinitos en términos de un conjunto finito de superposiciones cuánticas representativas. Estas superposiciones cuánticas representativas pueden, a su vez, contarse y relacionarse con la entropía de Bekenstein-Hawking.
Según la Vijay Balasubramanian, físico de la Universidad de Pensilvania que dirigió la investigación, el enfoque del equipo se aplica a agujeros negros de cualquier masa, carga eléctrica y velocidad de rotación. Por tanto, podría ofrecer una explicación completa del origen microscópico de la termodinámica de los agujeros negros. En su opinión, los microestados de los agujeros negros son “ejemplos paradigmáticos de estados cuánticos complejos con dinámica caótica”, y los resultados del equipo pueden incluso contener lecciones sobre cómo pensamos acerca de tales sistemas en general. Una posible extensión sería buscar una manera de utilizar efectos cuánticos sutiles para detectar microestados de agujeros negros desde fuera del horizonte.
La complejidad cuántica podría resolver una paradoja del agujero de gusano
Juan Maldacena, un teórico del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, EE. UU., que no participó en este estudio, califica la investigación como una perspectiva interesante sobre los microestados de los agujeros negros. Señala que se basa en calcular las propiedades estadísticas de la superposición de los estados puros de los agujeros negros que se preparan mediante diferentes procesos; Si bien no es posible calcular el producto interno entre estos diferentes estados, la teoría de la gravedad, a través de las contribuciones de los agujeros de gusano, permite calcular las propiedades estadísticas de su superposición. La respuesta, dice, es de naturaleza estadística y tiene el mismo espíritu que otro cálculo de la entropía de los agujeros negros realizado por Hawking y Gary Gibbons en 1977, pero proporciona una imagen más vívida de los posibles microestados.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanical-wormholes-fill-gaps-in-black-hole-entropy/