La entropía, los agujeros negros y el principio holográfico.

 

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Cuando hablamos de entropía hemos de considerar tres aspectos: masa, temperatura e información. En todos y cada uno de los sistemas físicos existe un grado implícito de entropía (orden o desorden) relacionado directamente con su estado de equilibrio. 

Esa entropía es medible y puede aumentar o disminuir cuando el sistema tiende a perder su equilibrio evolucionando hacia otro estado, ya sea espontáneamente o porque otro sistema físico provoca variaciones en las magnitudes que lo caracterizan. De hecho continuamente aprovechamos esa característica para, interponiendo el orden de otros sistema al desorden al que tienden los demás, conseguir energías utilizables para realizar trabajos, es algo que los ingenieros conocen bien y utilizan continuamente en la industria.

La entropía, además de estar relacionada con el orden, la cantidad de materia y la temperatura, como ya hemos explicado, es también inversamente proporcional a la información: a más información mayor orden y menor entropía. 

A modo de ejemplo consideremos un cuerpo humano. Este es un sistema ordenado de materia y es así porque existe solo una forma de ser un ser humano e infinidad de formas de no serlo. Es decir el sistema se pude llamar humano sólo y exclusivamente cuando tiene forma de ser humano y en ninguna otra forma, y para ello requiere cierta cantidad de materia y gran cantidad de orden y, por tanto, de información. 

Cuando otro sistema físico provoca el aumento o diminución de la temperatura de nuestro sistema, o causa una gran variación en la cantidad de masa que lo compone, hace que varíe la información, así nuestro sistema sufre una transformación perdiendo su equilibrio inicial. Equilibrio que tiende continuamente hacia el desorden pero que es mantenido mediante la adquisición del orden existente en sistemas externos a él. En nuestro caso el orden del ser se mantiene destruyendo el orden de los demás seres (plantas y animales) masticándolos y digiriéndolos para extraer de ellos energía y orden que reintegren el que "el ser" pierde de forma continuada, per se o por influencia externa al sistema. 

O, por ejemplo un teléfono móvil, existen muchas formas de interconectar las piezas que lo conforman, pero una sola forma de que se unan en forma de ese teléfono. El orden para construirlo requiere energía que proporciona el montador para generar baja entropía y mucha información. 

Los cosmólogos, aplicando estos conceptos y las leyes de Boltzmann sobre la entropía a los agujeros negros súper masivos, se plantearon el problema de: qué es lo que debería estar sucediendo con la información, y por consiguiente con la entropía, en el interior de esas ex-estrellas monstruosas que medran en el corazón de la mayoría de las inconmensurables galaxias de nuestro universo, cuando el polvo interestelar y la materia de los astros que las orbitan es atraída hacia su interior, a una velocidad tal que hace que la materia se caliente a temperaturas extremas y produzca una potentísima radiación (visible con los telescopios adecuados) en forma de espiral, que gira sobre su horizonte de sucesos y produce chorros de alta energía que sale disparada en forma de rayos de fotones gamma de varios años luz conformando los cúasares galácticos (esa es la luz que caracteriza la silueta de los agujeros negros y esos halos es lo único que vemos de ellos, pues los agujeros negros son completamente invisibles y nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos por la infinita deformación que provocan en las zonas del espacio-tiempo en las que existen)

En principio pensaban que la información, inherente a su propio orden, al caer la materia dentro del agujero negro desaparecía para siempre. Pero esto no podía suceder de acuerdo a las leyes universales: la materia ni se crea ni se destruye y consecuentemente tampoco la información. 

Hawking postuló que cuando la materia cae al interior de un agujero negro, esta va a parar al centro mismo del agujero negro donde, debido a la distorsión tan extrema del tejido espaciotemporal, el tiempo se hace espacio y el espacio se hace tiempo. 

Como ya sabemos la masa total de las partículas que conforman los átomos supone mucho menos del uno por ciento del total del volumen de los mismos. Los minúsculos electrones vibran a muchísima distancia de sus pequeñísimos núcleos atómicos, y el resto es espacio vacío, no obstante, los átomos consiguen mantener su volumen característico gracias a las fuerzas nucleares y al electromagnetismo, que son mucho más fuertes que la gravedad que, por contra, tiende a aglutinarlas en un solo punto. 

Pero en el interior de un agujero negro hay tanta materia que, a pesar de ser la gravedad tan débil, es imposible mantener las partículas subatómicas separadas pues, a partir de una cierta cantidad de materia reunida, las fuerzas atómicas y electromagnéticas son anuladas por la inmensa presión de tal cúmulo de materia y colapsan, haciendo que toda la materia se aglutine en un punto inconcebible e inexistente del espaciotiempo infinitamente deformado, llamado singularidad.  

Por otra parte la temperatura, el calor que la materia engullida aporta al agujero negro, se cree que vuelve a ser radiado al exterior. Como Hawking postuló: el calor de las partículas de materia que entran al agujero negro hacen vibrar los campos cuánticos que existen al rededor del horizonte de sucesos provocando que al vibrar generen partículas virtuales, llamadas así porque aparecen y desaparecen constantemente. Estas partículas virtuales se descomponen, o se desdoblan, en pares de partículas entrelazadas que, en algunos casos, se crean justo sobre el horizonte de sucesos. Cuando así sucede, una de las partículas del par es atraída hacia el interior del agujero negro, mientras que la otra escapa de él, en un proceso conocido como radiación de Hawking.

Nos queda una última cuestión, y es especular sobre lo que sucede con la información del orden de la materia que es destruida por el agujero negro. 

El Principio Holográfico parece ser la respuesta a esta pregunta. Cuando la materia cae al interior del agujero negro, incrementando su masa y en consecuencia su volumen, aumenta también proporcionalmente la superficie de su horizonte de sucesos. Sería plausible entonces pensar que la información extraída de la materia descompuesta pasa a formar parte, o se inserta de alguna manera, sobre la zona de incremento de superficie que el aumento de masa añadió a la esfera del horizonte de sucesos. De esta forma. toda la información proveniente de toda la materia que cayó en el interior del agujero negro quedaría registrada en pequeñas divisiones. que configurarían una especie de retícula con cuadrículas al tamaño de la escala de Planck sobre el horizonte de sucesos y que permanecerán ahí durante eones, o mientras el agujero negro mantenga o aumente su volumen, y cuando este se evapore, si es que en algún momento se agota la materia alrededor de él, dicha información volverá al espacio mediante la radiación de Hawking del agujero negro.

Si esto es así, si la información se almacenaría en la superficie de dicha esfera y, considerando que bajo dicha superficie no hay absolutamente nada  -no puede haber nada desde la superficie interior del horizonte de sucesos hasta la singularidad, que por otra parte parece que tampoco debería existir en forma tangible- los cosmólogos, físicos y matemáticos, partidarios del Principio Holográfico, junto con los estudiosos de la teoría de cuerdas que argumentan que existen otras seis dimensiones compactificadas sobre el tejido espaciotemporal, y que por ende las cuerdas cerras justificarían la existencia del gravitón, todos ellos creen que esta teoría podría aportar la solución más plausible al problema de la Gravedad Cuántica y consideran la posibilidad de que, puesto que la información se almacena en una esfera en cuyo interior no existe nada, podría ser que dicha esfera, en realidad, no sea una esfera sino un un disco bidimensional, y que la dimensión que desaparece al convertir la esfera en circulo, o disco, sea percibida por nosotros como una ilusión óptica que produciría la luz al avanzar sobre ella, como sucede con los hologramas u holografías. Algo así como la sensación de profundidad que percibimos al ver una película sobre un pantalla de cine bidimensional: la sensación es de tres dimensiones, pero realmente la imagen proyectada solo cuenta con dos dimensiones.

Escrito por Dimas L. Berzosa Guillén

La función de onda de las partículas; todas las historias posibles.

 

Todo lo que somos capaces de conocer a través de nuestros sentidos es producto de las manifestaciones de las llamadas partículas elementales que, a modo de piezas de Lego,  aparecen y desparecen enlazándose unas a otras e interactuando con ellas mismas y con nuestras neuronas dando así forma a la realidad que percibimos en nuestros cerebros.

Dichas partículas podrían estar formadas por minúsculos corpúsculos; madejas de cuerdas de energía radiante difusas y vibrantes que oscilan en el seno de seis o más dimensiones a distintas frecuencias, entrelazándose difuminadas e inciertas en forma de bariones y ubicadas en los nudos tridimensionales del rígido tejido espaciotemporal que conforma el universo.

Bohr, de la Escuela de Copenhague, postulaba que las partículas, esas ondas difusas de ubicación indeterminada, colapsan y definen su posición concreta de forma instantánea al ser observadas (medidas con algún instrumento o iluminadas con algún tipo de luz). 

Einstein, sin embargo, en total desacuerdo con Bohr, mantenía que esa afirmación era fruto del desconocimiento que se tenía (y aún hoy se tiene en gran medida) sobre aspectos ocultos de la mecánica cuántica todavía por descubrir; sus famosas variables ocultas.

La ciencia actual demuestra que Einstein erraba en dicha afirmación, y también que Bohr estaba equivocado al respecto pues: ni parece haber variables ocultas, ni la función de onda de las partículas colapsa de forma instantánea. 

Al parecer Everett se aproximaba más a la realidad (si es que esta existe) argumentando que la función de onda de las partículas (definida por Schrödinger en su famosa ecuación) contiene todas las formas de colapso posibles, todas las historias distintas y plausibles de la realidad (en palabras de Feynman) que, por cierto, son infinitas. Y solo tras la medida se comienza a definir lentamente la ubicación aproximada, conformando un solo estado entre todos los estados posibles. 

Algo así como sucede con el conjunto infinito de los números. Están todos ahí, sabemos que existen todos y cada uno de ellos desde cero hacia arriba y desde cero hacia abajo, pero si miramos el conjunto de todos ellos intentando verlos todos no vemos ninguno en concreto, y por eso se nos muestra como un todo indefinido y borroso. Solo al observar más finamente en un lugar concreto y muy definido de la infinita sucesión de números, uno de ellos se define, se muestra y se hace real para el observador que realiza la medida; es cuando decimos que, a modo de como sucede en el mundo de las partículas subatómcas, colapsa ese número y se muestra sobre todos los demás.