¿Por qué tiene que existir una singularidad en el centro de un agujero negro?

Question

Perdona si es una pregunta muy básica, pero no soy físico, pero es algo que siempre me ha intrigado.

He leído que las propiedades de un agujero negro son su masa, giro y momento angular. Y que a menor/mayor masa, mayor/menor densidad y así sucesivamente. Aunque las singularidades se describen mediante modelos matemáticos, es difícil (al menos para mí) creer que realmente exista una singularidad en medio del espacio en cada agujero negro. Entonces, ¿por qué se hipotetiza la existencia de singularidades? ¿La naturaleza extremadamente densa, etc. de los agujeros negros no puede explicar sus propiedades con un volumen finito?

Además, siempre que se visualizan agujeros negros en animaciones, etc., se trata de un horizonte de sucesos y el observador sigue cayendo a través de lo que parece un espacio vacío. Entonces, ¿cuál es el significado (y la ubicación) de la masa del propio agujero negro, ignorando la masa que acumula/radia a lo largo de su vida?

Answer 1

La singularidad no es un hecho físicamente establecido, sino una predicción de una teoría de campo clásica (eso es la relatividad general). Tales predicciones suelen considerarse una señal de que una teoría se rompe en un determinado régimen o a una determinada escala y que debe ser sustituida por una teoría mejor.

Por desgracia para nosotros, hasta la fecha no se ha realizado ninguna medición que contradiga la relatividad general, por lo que simplemente no tenemos ni siquiera un mínimo indicio de con qué sustituirla. Podemos especular sobre lo que ocurre cerca de la singularidad predicha por la relatividad general y lo hemos hecho en abundancia, pero no hay, en este momento, simplemente nada disponible que pueda decirnos cuál de estas soluciones especulativas es la correcta, o si necesitamos algo completamente diferente que nadie ha adivinado, todavía.

En cuanto a las creencias... no es así como funciona la ciencia, por lo que no hay necesidad de acumular ninguna. La ciencia comienza con pruebas empíricas y luego las compara con explicaciones hipotéticas. La explicación que mejor se ajusta a las evidencias se eleva finalmente al rango de teoría. A día de hoy simplemente no tenemos una buena teoría de lo que hay "dentro" de un agujero negro. "No lo sabemos" es, por tanto, la respuesta científica correcta y perfectamente adecuada. Creemos que entendemos lo que la relatividad general predice que hay ahí dentro... y eso se llama singularidad (y ni siquiera es un objeto parecido a un punto si entiendo correctamente algunas de estas predicciones). Sin embargo, dudo que, en sentido figurado, más de un puñado de físicos piense que esa es toda la historia.

Answer 2

Puede que merezca la pena analizar esto en el contexto de una teoría de la gravedad más sencilla, la de Newton; en ella se dice que la atracción gravitatoria entre dos partículas es inversamente proporcional al cuadrado de su separación radial.

Así, cuanto más cerca están, más fuerte es la atracción; entonces, ¿qué sucede cuando se acercan infinitamente? Tenemos una singularidad ...

Las singularidades tienden a significar que hay una ruptura de algún tipo en nuestras teorías de la realidad.

Aquí es fácil de arreglar: las partículas no pueden acercarse infinitamente las unas a las otras -están cargadas, así que a partir de cierto punto entra en juego la repulsión-; otra posibilidad es que las partículas sin extensión no son posibles -así que las cuerdas-; lo que resuelve algunos de los infinitos en una expansión de perturbación, es decir, los diagramas de Feynman.

La cuestión, pues, es que de alguna manera hay que resolver la singularidad en un agujero negro; esto formará parte, muy probablemente, de una teoría completa de la QG, un proyecto en curso.

Tanto la Teoría de Cuerdas como la Gravedad Cuántica de Bucles, aparentemente tienen una imagen "microscópica" de los agujeros negros; esto explica conjeturalmente la entropía de los agujeros negros -dato macroscópico- encontrada por medios semiclásicos, por una imagen detallada en lo pequeño; esto entonces, resuelve sugestivamente la singularidad.

Pero dada la concepción tradicional de la física como ciencia empírica; el estatus de conjetura de estas dos teorías de QG - no puede decirse que sea totalmente concluyente; pero es ciertamente sugerente.

Answer 3

Las otras respuestas han hecho un buen trabajo al cubrir el hecho de que no sabemos si las singularidades realmente existen físicamente, podrían representar una ruptura de nuestra teoría, etc.

Aquí hay otro punto que creo que vale la pena señalar. En el marco teórico y matemático de la relatividad general, las singularidades son garantizado por los teoremas de singularidad de Hawking y Penrose. A grandes rasgos, estos teoremas requieren que se cumplan las siguientes cosas:

-El espaciotiempo con el que trabajas satisface ciertas condiciones de energía (podemos utilizar unas muy débiles para demostrar los teoremas de la singularidad, son bastante físicas y no muy estrictas).

-El espaciotiempo satisface ciertas condiciones de causalidad global (garantizando esencialmente que ninguna curva cerrada de tipo temporal permite viajar en el tiempo hacia el pasado).

-Existe una superficie en el espaciotiempo desde la que podríamos emitir luz y ésta no podría escapar al infinito (una manera formal de probar que nuestro espaciotiempo contiene un agujero negro).

Si estas cosas se mantienen, ¡los teoremas garantizan que existe una singularidad! Así que en el contexto de la relatividad general las singularidades son inevitables. Esto no era obvio al principio, y la gente se preocupaba de que la alta simetría de nuestros modelos exactos de agujeros negros, y que tal vez los colapsos de agujeros negros realistas podrían no tener singularidades. Los teoremas de la singularidad nos dicen que esto no es una salida. Los modelos muy simétricos no explican las singularidades, las condiciones para que se cumplan los teoremas son muy flexibles.

Ahora bien, esta garantía requiere que la relatividad general sea una teoría final que no falle en el tipo de regímenes en los que se forman singularidades. Creemos que la relatividad general probablemente tendrá que ser modificada en una teoría completa de la gravedad cuántica para hacer predicciones reales dentro de los agujeros negros, pero la relatividad general tomada literalmente requiere singularidades. Esto nos hace sospechar que, aunque las singularidades no sobrevivan en la teoría completa, casi lo hacen en el sentido de que habrá regiones extremadamente densas en el interior de los agujeros negros.