¿Hay algo realmente dentro de un agujero negro, existen realmente?

Question

Cuando los objetos caen en un agujero negro, los observadores que están fuera del agujero negro nunca verán al objeto cruzar el horizonte de sucesos porque el tiempo del objeto se ralentiza y se detiene en el horizonte de sucesos. El objeto también se desplaza al rojo hasta que deja de ser visible. Leí que desde la perspectiva del objeto que cae en ese tiempo sigue como normal y cae a través y ningún lugar especial como el horizonte de eventos es aparente, eventualmente alcanza la singularidad en tiempo infinito.

Todo esto tiene sentido cuando se habla de un agujero negro clásico en el que el agujero negro durará para siempre. Mientras no veamos el objeto, lo que le ocurra le pasará a él. La información no se pierde, sino que simplemente se almacena en un agujero negro para siempre.

Sin embargo, cuando se habla de agujeros negros con radiación Hawking. El agujero negro se evaporará antes de que el objeto alcance el horizonte de sucesos. Si algo cae realmente más allá del horizonte de sucesos, surge la paradoja de la información del agujero negro. La paradoja se remedia diciendo que toda la información que cae en un agujero negro se representa en la superficie del horizonte de sucesos y que la radiación Hawking interactúa con el holograma para retener la información de modo que en realidad nunca se pierde, el principio holográfico. Esto significa que todo lo que caiga dentro estará representado en la superficie y se congelará allí.

Obviamente una persona que caiga dentro se reordenará y morirá, pero me parece que un observador cuántico que caiga en el agujero negro sólo saldrá como radiación hawking. Esto sólo significa que un agujero negro no es una singularidad y simplemente un objeto cuántico que distorsiona mucho el espaciotiempo en el horizonte de sucesos. También significa que ni siquiera es realmente negro, sólo es gris muy oscuro. Y que el horizonte de sucesos no es real. Un agujero negro en este sentido es sólo un espejo muy elaborado. Para mí tiene sentido que el objeto que cae dentro rebote en el "horizonte de sucesos" y se convierta en tiempo invertido y luego salga. Esta suposición parece clásicamente consistente, pero podría no ser lo que realmente ocurre. Simplemente es fácil imaginar que el tiempo se ralentiza hasta llegar a 0 y luego se mueve en negativo desde la perspectiva exterior.

Eso me lleva a mis preguntas: ¿Por qué se dice que hay un interior en un agujero negro? ¿Qué significa el interior cuando nada de nuestro universo llega allí? Si el holograma en el horizonte de sucesos es todo lo que se necesita para describir todo lo que ha entrado, ¿por qué tiene que existir una singularidad? ¿Basta con decir que un agujero negro es sólo una cáscara de espacio-tiempo donde se producen estos efectos y que el horizonte de sucesos es sólo un borde limitado en nuestro universo? Y si los verdaderos horizontes de sucesos no existen en realidad, y los agujeros negros no existen realmente, ¿por qué la gente sigue diciendo que existen? Si se piensa que existen singularidades puras con un verdadero horizonte de sucesos pero que no emiten radiación hawking, ¿cómo sortean los físicos el problema de tener radiación hawking y singularidades puras? ¿No es la singularidad dentro del agujero negro desde la perspectiva del objeto que entra lo mismo que el horizonte de sucesos desde la perspectiva de algo que está fuera, ya que desde ambas perspectivas el objeto estará en el tiempo infinito? Por qué nos molestamos en describir un objeto que cae más allá de un horizonte de sucesos cuando nada de ese objeto más allá del horizonte de sucesos puede volver a nuestro universo, lo que significa que es incomprobable y la física requiere comprobabilidad. Debe haber una paradoja ahí porque para que algo caiga y sea descrito por la física, debemos aprender de lo que realmente sucede y no podemos hacerlo sin romper el horizonte de sucesos de todos modos ya que ninguna información puede viajar hacia afuera.

He leído las respuestas a este , este , este , este , este y muchas otras preguntas de Phys.SE en relación con los agujeros negros. Como probablemente puedas deducir de la pregunta, no soy físico, así que mi comprensión de esto es limitada y no he estudiado formalmente nada que tenga que ver con la relatividad general y la métrica de schwarzschild utilizada para modelar un agujero negro con matemáticas reales. Mi comprensión se limita a las partes sin matemáticas y a las cosas que se pueden describir con palabras normales.

Aunque hay muchas preguntas aquí, ya que todo esto está muy relacionado, las preguntas son todas muy dependientes unas de otras, no sé cómo separarlas en diferentes preguntas sin referirse continuamente a esto. También las preguntas sobre si los agujeros negros existen realmente parecen estar todas cerradas como duplicadas pero nadie parece dar respuestas reales.

Answer 1

En realidad, sus preguntas no tienen que ver con que sólo puedan responderse matemáticamente. Son preguntas conceptuales en las que algunas pueden responderse matemáticamente (o en realidad, más correctamente, utilizando las matemáticas para ayudarnos a averiguar las consecuencias de diversas cosas), una habla de una paradoja que, de hecho, sigue considerándose un problema a resolver, otras son conceptos erróneos, y algunas están todavía en investigación.

Pero @Countto10 respondió bien a algunas de ellas, y en general señaló una parte importante de las posibles respuestas: que las observaciones y mediciones nos han llevado a estar cada vez más convencidos de que existen, y hemos observado, agujeros negros (BHs) (por ejemplo, en fusión, pero también en los centros de las galaxias, y en grupos de estrellas donde otras estrellas rodean lo que sólo puede ser un BH), y objetos que son sólo un poco demasiado ligeros que de otra manera serían BHs (estrellas de neutrones). Esto es importante. Hacemos teorías, que es una forma de decir que sacamos conclusiones usando la lógica y las matemáticas, y la intuición física, de otros hechos o teorías. La Relatividad General (RG) ha tenido muchas pruebas que validan sus conclusiones, así que también hay algo ahí. El método científico, es decir, las conclusiones prácticas a partir de las pruebas, apunta entonces a la existencia de los BH.

A continuación, algunas paradojas o problemas de los BH. Sí, es un problema sin resolver lo que hay dentro. La RG clásica dice que no hay nada, excepto la singularidad. Las observaciones dicen que no lo sabemos exactamente, pero sabemos que los BHs tienen masa y momento angular, y pueden tener carga (eso no es un problema, aunque no ocurre fácilmente y no hemos visto ninguno con carga, u otros tipos de carga, pero creemos saber por qué - las cargas tenderán a equilibrarse). La masa y el momento angular deben provenir de algo. A la RG no le importa, sólo dice que los objetos los tienen, y cuando vemos la radiación gravitacional de los BHs en fusión a través de LIGO vemos que la masa (y la energía) y el momento angular obedecen a las relaciones que dicta la RG - las ecuaciones termodinámicas de los BHs que Hawking y otros descifraron, que también mostraron que tienen entropía así como temperatura. Para ser totalmente correctos, la temperatura y la entropía vinieron realmente de los cálculos realizados y los teoremas demostrados que incluían la Teoría Cuántica de Campos en un espaciotiempo altamente curvado en el exterior cerca de un BH. Pero todo era consistente.

Además, Hawking y otros utilizaron técnicas matemáticas de topología y geometría diferencial para demostrar que, bajo ciertas condiciones, cuando se forma algo como un horizonte en un cuerpo que está colapsando, es inevitable que forme una singularidad. Así que sí esperamos singularidades dentro de los horizontes por una razón bien fundada: la RG dice que debe ser así (bajo ciertas condiciones bastante generales).

Luego tenemos el hecho sin importancia (de la RG) de que los horizontes BH hacen que el tiempo vaya infinitamente lento para un observador lejano externo. No importa porque se acercan infinitesimalmente a la formación de los horizontes y tienen más materia que se acumula en los BH (o en el horizonte, no nos importa), en un tiempo muy corto, y así para todos los propósitos prácticos los horizontes y los BH son lo suficientemente reales. Hay que leer y entender por qué esto es así, no es trivial y los escritos populares siempre causan confusión y concepciones incorrectas.

Por último, está la cuestión cuántica de la pérdida de información dentro del BH, y si alguna vez la recuperamos. La respuesta sigue pendiente, e incluyendo la idea de que la información está en el horizonte y el principio holográfico, todavía se está investigando. Pero parece que tiene algo de cierto, y la mayoría de la gente piensa que no hay pérdida de información, sólo almacenamiento - pero encontrarás 20 puntos de vista diferentes de 10 físicos cualquiera. Esto no significa que no se esté avanzando, y que salgan a la luz respuestas parciales.

Se sabe que utilizando la Teoría Cuántica de Campos y los principios básicos con la RG, el horizonte tendrá algunas de estas cuestiones sin resolver, pero la entropía en él y demás parecen estar aquí para quedarse. Lo que todavía no tenemos es una forma de responder a las preguntas definitivamente porque todavía no tenemos una teoría cuántica de la gravedad. Tanto si se trata de alguna versión de la Teoría de Cuerdas, como si conduce al principio holográfico (la correspondencia AdS/CFT), o alguna otra teoría de la gravedad cuántica, no lo sabremos hasta que se obtenga y se acepte. Pero sí sabemos una posible serie de respuestas: no hay singularidades en el interior del BH, sino unas estructuras de gravedad cuántica muy densas que de alguna manera también están relacionadas con los grados de libertad del horizonte.

Has formulado algunas preguntas que si alguien puede responder completamente y surgen pruebas de ello, tendrá una teoría de la gravedad cuántica "válida" (o alguna aproximación).

Mientras tanto, entendemos el significado práctico de lo que son (para las observaciones y los desarrollos teóricos posteriores) los BH, y cómo los observamos e investigamos lo que no tenemos claro.

Ese es el proceso científico.

Te recomendaría que leyeras los libros de BH de físicos de verdad como Thorne, Hawking y otros, y también la Teoría de Cuerdas y el principio holográfico. Este último es un tema candente ahora.