Planteando la pregunta cósmica: ¿Qué ocurre dentro de un agujero negro?

La provocativa afirmación de la IA: “Los humanos son ignorantes”

Considere las siguientes preguntas intrigantes: ¿Qué sucede con el mismísimo... ¿Dimensiones del espacio-tiempo dentro de un agujero negro? Las diferentes respuestas de una IA ponen de relieve tanto nuestra comprensión actual como nuestras limitaciones.

Pablo Carlos Budassi, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, a través de Wikimedia Commons

Primera perspectiva: Continuidad del espacio-tiempo de cuatro dimensiones

Una respuesta afirma que los objetos que caen en un agujero negro no pierden ninguna dimensión. Desde esta perspectiva, el espacio-tiempo conserva su estructura cuatridimensional (tres dimensiones de espacio más una de tiempo) tanto fuera como dentro del horizonte de sucesos. La singularidad —donde la densidad se vuelve infinita— no es en realidad un estado reducido a una dimensión. En cambio, representa un punto donde la relatividad general se descompone tras entrar en un agujero negro. Aunque las teorías de la gravedad cuántica, como la gravedad cuántica de bucles, proponen alternativas (por ejemplo, rebotes que evitan el estado singular), ninguna de estas ideas implica una reducción del número de dimensiones.

Segunda perspectiva: Ruptura dimensional en la singularidad

Una respuesta posterior de la misma IA destaca una perspectiva diferente. En la teoría de Einstein, la singularidad se define como un punto de densidad infinita y curvatura extrema del espacio-tiempo. Es donde las ecuaciones de la relatividad general "fallan". En esta imagen clásica, el espacio-tiempo pierde su estructura cuatridimensional bien definida (tres dimensiones espaciales más una dimensión temporal). Para los agujeros negros no rotatorios, o de Schwarzschild, la singularidad se describe como un punto 3D. En cambio, para los agujeros negros rotatorios (de Kerr), la singularidad adopta la forma de un anillo unidimensional.

Leyenda urbana, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, a través de Wikimedia Commons

Reconciliando la contradicción: artefactos de modelos matemáticos

La IA explica estas respuestas aparentemente contradictorias recordando que, en la relatividad general, la singularidad no es un objeto físico. Es, en cambio, un artefacto matemático. Las etiquetas «0D» y «1D» sirven como abreviaturas geométricas: marcadores conceptuales que indican dónde fallan nuestras teorías clásicas. En efecto, estas designaciones («aquí hay dragones») reconocen los límites de nuestra comprensión actual de los entornos gravitacionales extremos, especialmente aquellos que involucran agujeros negros.


Abrazando lo desconocido en la física teórica

En resumen, una perspectiva sostiene que el espacio-tiempo permanece tetradimensional durante todo el viaje hacia un agujero negro. Esto es cierto incluso cuando la relatividad general se descompone en la singularidad. Otro punto de vista sugiere que, cerca de la singularidad, el marco tetradimensional familiar se pierde. Se colapsa en un punto 0D o un anillo 1D, dependiendo de la rotación del agujero negro. En última instancia, ambas respuestas son recordatorios de los límites de nuestras teorías actuales y del desafío continuo de unificar la relatividad general con mecánica cuántica.


La visión de Stephen Hawking: Iluminando nuestras limitaciones

Una imagen ilustrativa de la Conferencia Reith de Stephen Hawking del 26 de enero de 2016 subraya aún más este punto. Las reflexiones de Hawking nos recuerdan que, si bien nuestra modelos actuales de agujeros negros Si bien capturan muchos aspectos de la realidad, también exponen profundas lagunas en nuestro conocimiento.

Hasta que se desarrolle una teoría exitosa de la gravedad cuántica, estas descripciones siguen siendo meras aproximaciones. Reflejan tanto la ignorancia humana como nuestra comprensión.

Imagen: de Stephen Hawking Conferencia de Reith, 26 de enero de 2016

Espaguetis cósmicos: una exploración metafórica de la dualidad onda-partícula y la tunelización

Las siguientes son metáforas sobre la teoría de cuerdas y los fotones. Las metáforas se utilizan a menudo para ilustrar conceptos matemáticos. Sin embargo, no todas las metáforas tienen el mismo significado.

Ray, el explicador entusiasta:

Entendamos esto.
Las siguientes metáforas presentan ilustraciones imaginativas, en lugar de modelos precisos, del funcionamiento de los fotones, el efecto túnel o las dimensiones extra. Combinan características de la mecánica cuántica con elementos especulativos de la teoría de cuerdas y no reflejan el conocimiento científico actual.

Imaginando fotones

Tras intentar encontrar un modelo visual de un fotón puntual o lineal que exhiba efecto túnel cuántico —y fracasar en el intento—, diré que el fotón, en su estado natural, es como una entidad ondulada (girando), básicamente un espagueti cósmico. No del tipo blando, como para comer. En cambio, es... al dente ¡Una especie de serpiente que serpentea por el espacio 4D con cabeza y cola como anguilas espaciales hiperactivas! Metafóricamente hablando, claro.

El cuerpo fotónico ondulante se extiende a las dimensiones 3 y 4. Este modelo explica el aspecto puntual de la partícula (la cabeza) y el aspecto ondulatorio (los garabatos) de la dualidad fotónica.

Kurt, el realista desconcertado:
Esa visualización es una metáfora y no se corresponde con ningún modelo aceptado en la mecánica cuántica ni en la teoría de cuerdas. ¿Esa es tu gran teoría del efecto túnel cuántico?

Ray:
Ahora bien, cuando este fotón choca con una barrera física, queda aplastado en la dimensión cero y la primera, como un huevo que choca contra una pared de ladrillos a la velocidad de la luz. Splat Las dimensiones 0D y 1D no conocen el espacio ni el tiempo. Esto permite que el fotón se filtre casi instantáneamente (más rápido que la luz) a través de objetos sólidos.

Ésta es una metáfora y descripción muy buena para un profano en la materia.

Kurt
La descripción de la tunelización como un "efecto de compresión dimensional" que resulta en una travesía instantánea es una metáfora florida sin fundamento en la física establecida. ¿Por qué no decir simplemente que hacen trampa? "Oh, perdón, barrera, simplemente atravesando tu estructura atómica como un fantasma que llega tarde a yoga..."

ray:
¡La ciencia necesita drama! El garabato del fotón se condensa en la primera dimensión; imagínenselo como el peor panqueque del universo. Sin espacio, sin tiempo. Maricón. Atraviesa la pared. Más rápido que la luz, cero calorías.

Kurt
Tu descripción del fotón impactando contra una pared de ladrillos como un huevo es novedosa y no forma parte del conocimiento científico actual. ¿Y los físicos no te han castigado por esto?

ray:
¡Están demasiado ocupados discutiendo! Treinta años debatiendo si se trata de «velocidad de fase» o «velocidad de señal», o si las señales pueden atravesar una barrera más rápido que la luz. Es como dos loros preguntándose «¡causalidad!». Los científicos «serios» dicen que NADA, bajo ninguna circunstancia, puede viajar más rápido que la luz y transmitir información.

Mientras tanto, los fotones están ahí afuera, parpadeando a través de las paredes como si tuvieran un pase VIP a la realidad. La dualidad onda-partícula es una piedra angular de la mecánica cuántica (MQ), no teoría de cuerdas. La incorporé en ambas con fines ilustrativos. Por eso la metáfora cobra sentido en este contexto.

Kurt
Es correcta la afirmación de que la dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica, e invocarla en el contexto de la teoría de cuerdas de la manera descrita es provocativa.

ray:
La metáfora representa la tunelización como un efecto de compresión dimensional.

Kurt
Esto actualmente no tiene base en la teoría de cuerdas o la mecánica cuántica. "Compresión dimensional" suena como mi última relación.

Ilustración de la NASA de fotones. Parecen renacuajos (supongo que el fotón de alta energía gira más rápido).

ray:
En esta ilustración de la NASA, un fotón (morado) lleva un millón de veces la energía de otro (amarillo). La NASA es experta en arte conceptual de ciencia ficción. "¡Aquí hay un fotón morado, un millón de veces más potente! Tiene... actitud.'

Kurt
Al parecer, las ilustraciones de la NASA buscan simplificar y motivar el debate; no deben tomarse como descripciones literales del comportamiento de los fotones en las teorías de la física avanzada. La ciencia se compone en un 5 % de ecuaciones y en un 95 % de convencer a la gente de que el universo es una caricatura con metáforas.

ray:
Entonces, ¿la tunelización es simplemente… teletransportación cósmica a través de una crisis existencial?

Kurt
¡Exactamente! El miedo existencial del fotón lo reduce a un punto. ¿Quién soy? ¿Dónde está el tiempo? Y ¡zas!, atraviesa la barrera. Existencialismo: 1, Física: 0. Porque de lo contrario, estaríamos atrapados explicándolo con matemáticas.  Y nadie quiere eso.

Narrador (voz profunda):
Y así, los misterios de la mecánica cuántica permanecen.
Pero al menos todos estuvieron de acuerdo en que las metáforas necesitaban un aumento.