¿Son todas las partículas agujeros negros?

Evolución temporal para diagramas de Hawking embebidos y modelos SSGS.

Proponen una teoría muy especulativa según la cual las partículas elementales sería distintos estados de energía de miniagujeros negros.

Como no podemos investigar lo que ocurre a la escala de Planck el escenario es el idóneo para toda clase de teorías especulativas. De este modo han surgido las teorías de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles o la de símplices causales. Pero el campo parece ser muy fructífero.

Ahora Donald Coyne, de UC Santa Cruz, y D. C. Cheng, de Almaden Research Center en San José (California), especulan que quizás todas las partículas conocidas estén hechas de distintos tipos de agujeros negros. Aunque la idea es muy especulativa afirman que merecería la pena explorarla en el LHC y en otros experimentos de Física de altas Energías.

El problema de la gravedad es que es muy diferente de las demás fuerzas. A escala astronómica tiene gran relevancia, pero a pequeñas escala se puede ignorar perfectamente, principalmente porque la masa de las partículas elementales es muy pequeña. Se cree que a muy altas energías o a distancias muy pequeñas (en la escala de Planck) la gravedad sería comparable a las demás fuerzas en intensidad y se produciría lo que se ha llamado “gran unificación”.

En esta nueva aproximación al problema los autores proponen un modelo de evaporación de agujeros negros que, bajo ciertas circunstancias, vendría a decir que ciertos miniagujeros negros serían indistinguibles de las partículas elementales.
La evaporación de agujeros negros es un fenómeno teórico conocido desde hace décadas. La formación espontánea de pares partículas-antipartículas virtuales (permitida por el principio de incertidumbre) justo en el borde del horizonte de sucesos puede dar lugar a que una de las partículas caiga en el agujero mientras que la otra, al no poderse aniquilar de nuevo, emerja como partícula real. La partícula que cae lleva masa negativa que hace que el agujero negro pierda masa. Para un observador externo es como si el agujero negro se fuera “evaporando”. El proceso es más importante cuanto más ligero es el agujero negro, que gracias a este efecto no sería tan negro como en una primera aproximación pudiera parecer. Esta visión de los agujeros negros es una visión termodinámica y permite asignar una entropía y una temperatura a los mismos.

Un tema que se ha debatido mucho en este campo es si la información se conserva a lo largo del proceso. Si arrojamos una enciclopedia al agujero negro, ¿emergerá la información contenida en la misma de alguna forma durante proceso de evaporación del agujero? En Física se ha asumido que la información siempre se conserva (no hablamos aquí de la posibilidad práctica de su recuperación, sino de su recuperación teórica), pero durante mucho tiempo se ha mantenido que en este caso toda información desaparecería para siempre. Este es un tema polémico que incluso ha dado lugar a algunas apuestas.

Lo malo es que no contamos con una teoría de la gravedad cuántica terminada y aceptada. Aunque alguna de ellas, como la teoría cuántica de lazos, consigue describir bien la entropía de los agujeros negros no se ha avanzado lo suficiente en este campo, por lo que quedan muchas dudas sin despejar, incluyendo las relativas a agujeros negros.

En el nuevo modelo propuesto por Coyne y Cheng se asume que la gravedad es comparable a las demás fuerzas en la escala de Planck. Lo malo es que tampoco podemos explorar el régimen de Planck con la actual (ni futura) generación de aceleradores de partículas. En otras teorías recientes se invoca el efecto de las branas o de dimensiones extras para explicar por qué la gravedad es una fuerza tan débil. Estos teóricos proponen en su lugar explorar lo que debe de pasar en el horizonte de sucesos de agujeros negros con la suficiente temperatura como para que los efectos de la gravedad cuántica tenga relevancia.

Especulan que la estructura del espacio-tiempo en el horizonte de sucesos debe de ser mucho más compleja que lo que describe la Relatividad General y proponen la existencia de más grados de libertad para poder describir un estado cualquiera del mismo. Quizás el horizonte deje pasar información y, por tanto, los horizontes de sucesos dejen de serlo en el sentido estricto como dice la tradición.

Si la gravedad es realmente fuerte en las cercanías del horizonte debería de notarse y si no lo vemos es que debe de estar apantallada de alguna manera. De este modo la gravedad sería fuerte pero estaría apantallada de algún modo. Coyne y Cheng proponen precisamente un escenario que permite precisamente este apantallamiento. Se basa en principios de la termodinámica que describen agujeros a todas las escalas pero que las diferencias se manifiestan sólo a la escala de Planck. En un momento dado el modelo deja de describir la termodinámica de los agujeros negros clásicos y en su lugar describe un estado que se parece más y más a un objeto sujeto a la termodinámica tradicional.

De este modo, y según este nuevo modelo (denominado SSGS), la evaporación de un agujero negro está libre de infinitos y posee propiedades termodinámicas tradicionales después de sufrir un cambio de fase que conserva información.
Lo más fascinantes es que el modelo describe estados que para masas subplanckianas se comportan de manera normal y que esencialmente son idénticos a partículas elementales. Los autores justifican esta visión porque encuentran soluciones dinámicas que para estos estados que obedecen el principio de incertidumbre de Heisenberg y esto les permite comportarse como partículas.

Aplicando el modelo a miniagujeros negros se puede ver que la cuantización del espacio a esa escala significa que los miniagujeros negros pueden darse en una gran variedad de niveles de energía y en gran número. Esto permitiría que todas las partículas pudieran ser, esencialmente, distintos tipos de agujeros negros con diferentes estados de energía.

Según los autores, aunque a primera vista este escenario parece un tanto extraño, no lo es tanto porque es exactamente lo que uno esperaría de la evaporación completa de un agujero, que dejaría un remanente descrito por la mecánica cuántica. Se puede pensar que un agujero negro se transforma paulatinamente en una “partícula” inestable que va decayendo en otras partículas en el tiempo hasta llegar a ser una “partícula elemental”.

Los autores especulan que el modelo podría tener implicaciones sobre la energía y materia oscuras. Además sugieren que quizás los futuros experimentos del LHC puedan decir algo al respecto, pues este acelerador de partículas podría explorar energías a las que se formaran esta clase de miniagujeros negros.

http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/23530/