¿De qué están hechos los AGUJEROS NEGROS? En 3 niveles de dificultad
Summary
TLDREl vídeo explica qué son los agujeros negros y cómo se relacionan con la velocidad de escape. Se presentan tres niveles de dificultad para responder a si se puede saber de qué están hechos los agujeros negros. El nivel básico indica que no se puede saber, el intermedio menciona el teorema de no pelo, y el nivel experto explora la posibilidad de que los agujeros negros sean sistemas termodinámicos con entropía y emisión de radiación de Hawking, lo que sugiere que la información no se pierde y puede ser recuperada.
Takeaways
- 🌌 Los agujeros negros son objetos que son tan masivos y compactos que su velocidad de escape es mayor que la de la luz, lo que impide que la luz o cualquier otra partícula escape de su atracción gravitacional.
- 📚 El concepto de velocidad de escape es fundamental para entender los agujeros negros; es la velocidad mínima requerida para escapar de la gravedad de un objeto.
- 🌓 La existencia de los agujeros negros fue teorizada en el siglo XVIII por John Mitchell, un geólogo, basado en la física newtoniana.
- 🔍 La descripción moderna de los agujeros negros se basa en la relatividad general de Einstein, que describe la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo.
- 🌐 El radio del horizonte de sucesos de un agujero negro, también conocido como el radio de Schwarzschild, se calcula con una fórmula simple que involucra la masa del agujero negro y la constante de gravedad universal.
- 🌑 Los agujeros negros son regiones del espacio donde el espacio-tiempo es curvado de tal manera que la luz no puede escapar, haciendo que sean invisibles.
- 🌌 El teorema de no pelo afirma que cualquier agujero negro se puede caracterizar completamente por solo tres números: su masa, su momento angular (spin) y su carga eléctrica.
- 🔬 La entropía de los agujeros negros, tal como lo sugiere la segunda ley de la termodinámica, aumenta con el área del horizonte de sucesos y no con su volumen.
- 🌡️ La temperatura de Hawking es una propiedad teórica de los agujeros negros que predice que pueden emitir radiación debido a efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos.
- 💾 El principio holográfico de la gravedad sugiere que toda la información sobre lo que sucede dentro de un agujero negro puede estar codificada en su horizonte, como en una pantalla que guarda información en su área.
Q & A
¿Qué es un agujero negro y cómo se relaciona con la velocidad de escape?
-Un agujero negro es un objeto astronómico de tal masa y tamaño que su velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz, lo que impide que la luz o cualquier otra partícula escape de su atracción gravitacional. La velocidad de escape es la velocidad mínima que debe alcanzar un objeto para escapar de la influencia gravitacional de un cuerpo celestial.
¿Cuál fue la contribución de Mitchell en el concepto de los agujeros negros?
-Mitchell, un geólogo del siglo XVIII, propuso la existencia de objetos tan masivos que ni siquiera la luz podía escapar de ellos, lo que sería el precursor del concepto moderno de los agujeros negros.
¿Cómo se describe la gravedad en la relatividad general de Einstein?
-En la relatividad general, la gravedad se describe como una curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía, en lugar de una fuerza que actúa a distancia como en la física newtoniana.
¿Qué es el Horizonte de Sucesos y cómo se relaciona con los agujeros negros?
-El Horizonte de Sucesos es una región esférica que rodea a un agujero negro, marcando el límite dentro del cual ninguna partícula o rayo de luz puede escapar a su atracción gravitacional. Es el borde del agujero negro.
¿Qué es la singularidad en el contexto de los agujeros negros?
-La singularidad en un agujero negro se refiere a un punto dentro del agujero negro donde las condiciones físicas, como la densidad y la curvatura del espacio-tiempo, se vuelven infinitas. Es el lugar donde las leyes de la física conocidas se ven desafiadas y donde se cree que todo lo que cae dentro es destruido.
¿Qué evidencia observacional tenemos actualmente de la existencia de agujeros negros?
-La evidencia observacional de la existencia de agujeros negros incluye el movimiento de estrellas alrededor de un punto en el centro de las galaxias, la observación de rayos X provenientes de discos de materia en acrecion cerca de los agujeros negros, y la detección de ondas gravitacionales producidas por la colisión de agujeros negros.
¿Qué es el teorema de no pelo y cómo afecta la comprensión de los agujeros negros?
-El teorema de no pelo es una proposición en la física de agujeros negros que afirma que cualquier agujero negro puede ser completamente caracterizado por solo tres números: su masa, su momento angular (spin) y su carga eléctrica. Esto implica que la estructura interna de un agujero negro no es observable desde el exterior y, por lo tanto, no importa para su descripción completa.
¿Cómo se relaciona la entropía con los agujeros negros y por qué es importante?
-La entropía de los agujeros negros es un concepto clave para entender su comportamiento termodinámico. Se cree que la entropía de un agujero negro está relacionada con el área de su Horizonte de Sucesos, lo que sugiere que la información sobre el estado interno del agujero negro puede estar codificada en su borde. Esto es crucial para evitar violaciones de la segunda ley de la termodinámica, que afirma que la entropía del universo debe siempre aumentar.
¿Qué es la radiación de Hawking y cómo se relaciona con la evaporación de los agujeros negros?
-La radiación de Hawking es un fenómeno teórico que sugiere que los agujeros negros pueden emitir radiación debido a efectos cuánticos en el vacío cercano a su Horizonte de Sucesos. Esta radiación se asocia con la evaporación de los agujeros negros, un proceso por el cual los agujeros negros gradualmente pierden masa y eventualmente pueden desaparecer.
¿Cuál es el problema de la información de los agujeros negros y por qué es un desafío para la física cuántica?
-El problema de la información de los agujeros negros se refiere a la paradoja de que, si la información se pierde en un agujero negro, se violaría la unidad en la mecánica cuántica, que requiere que la suma de probabilidades de todos los posibles resultados de un proceso sea el 100%. Esto desafía la comprensión actual de cómo la información se conserva en la naturaleza y es un problema abierto en la física teórica.
Outlines
🌌 Introducción a los agujeros negros
El vídeo comienza con una introducción a los agujeros negros, preguntando qué están hechos y respondiendo en tres niveles de dificultad. El nivel básico afirma que no se puede saber, el nivel intermedio que no importa, y el nivel experto que sí se puede saber y importa. Se explica que los agujeros negros están relacionados con la velocidad de escape, la velocidad mínima que un objeto debe alcanzar para escapar de la gravedad de un cuerpo. Se menciona que los agujeros negros son objetos tan masivos y compactos que su velocidad de escape es mayor que la de la luz, lo que los hace invisibles. También se habla de la historia y la teoría de los agujeros negros desde la propuesta de John Mitchell en el siglo XVIII hasta la descripción de la relatividad general de Einstein.
🔍 Características y observaciones de los agujeros negros
Se profundiza en las características de los agujeros negros, describiendo el horizonte de sucesos y cómo los objetos atrapados no pueden escapar. Se discute la singularidad, el punto en el que el espacio-tiempo colapsa sobre sí mismo y destruye a cualquier observador. Se mencionan las evidencias observacionales de los agujeros negros, como la formación por colapso de estrellas masivas, la emisión de rayos X y la detección de ondas gravitacionales. Además, se habla de los diferentes tipos de agujeros negros, desde los de masa intermedia hasta los supermasivos en los centros de las galaxias.
🌐 Teorema de no pelo y gravedad cuántica
El vídeo explora el teorema de no pelo, que establece que cualquier agujero negro puede ser caracterizado únicamente por su masa, momento angular y carga eléctrica. Esto lleva a la conclusión de que no importa de qué están hechos, ya que todos se comportarían de la misma manera. Sin embargo, se introduce la idea de que los agujeros negros pueden tener propiedades cuánticas que permiten múltiples microestados, lo que implicaría que sí importa de qué están hechos y cómo evolucionaron. Se discute la importancia de entender estos microestados para no violar la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía siempre debe crecer.
🌡 Temperatura de Hawking y evaporación de agujeros negros
Se explica la temperatura de Hawking y cómo los agujeros negros pueden emitir radiación, lo que los hace no completamente negros desde una perspectiva cuántica. Se describe el proceso de creación y aniquilación de pares partícula-antipartícula cerca del horizonte de eventos y cómo esto da lugar a la radiación de Hawking. Además, se discute la evaporación de los agujeros negros y cómo su temperatura aumenta con el tiempo, lo que eventualmente podría llevar a su desaparición. Se menciona la importancia de entender el destino de la información en los agujeros negros para mantener la unidad en la física cuántica.
💌 Resolución del problema de la información de los agujeros negros
El vídeo concluye con la discusión del problema de la información de los agujeros negros y cómo la radiación de Hawking podría contener toda la información del interior del agujero negro. Se sugiere que estudiar las correlaciones cuánticas en la radiación de Hawking podría permitir reconstruir la historia y los estados del agujero negro. Se enfatiza la importancia de descifrar cómo la información se codifica en la radiación de Hawking para avanzar en la comprensión de la gravedad cuántica. Finalmente, se bromea sobre la posibilidad de capturar la radiación de Hawking para descodificar la información de un agujero negro en el futuro.
Mindmap
Keywords
💡Agujero negro
💡Velocidad de escape
💡Event Horizon
💡Teorema de no pelo
💡Relatividad general
💡Radiación de Hawking
💡Entropía
💡Principio holográfico
💡Información del agujero negro
💡Unitariad
Highlights
Los agujeros negros son objetos tan masivos y compactos que la velocidad de escape supera la de la luz.
La velocidad de escape depende de la masa y el tamaño del objeto, y es fundamental para entender la existencia de agujeros negros.
Un agujero negro es un sistema que no emite luz debido a su atracción gravitacional extrema.
Los agujeros negros fueron teóricamente propuestos en el siglo XVIII por John Mitchell.
La descripción moderna de los agujeros negros se basa en la relatividad general de Einstein, que describe la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo.
El radio del horizonte de sucesos de un agujero negro, donde la luz no puede escapar, se calcula con una fórmula simple.
El teorema de no pelo establece que cualquier agujero negro se puede caracterizar únicamente por su masa, momento angular y carga eléctrica.
La solución de la relatividad general para un agujero negro esférico fue presentada por Karl Schwarzschild en 1916.
Los agujeros negros son rodeados por el horizonte de sucesos, una región esférica que limita el espacio desde donde la luz no puede escapar.
Existen diferentes tipos de agujeros negros, como los que se forman por colapso de estrellas masivas o los supermasivos en los centros de las galaxias.
La radiación de Hawking sugiere que los agujeros negros pueden emitir radiación debido a efectos cuánticos.
La entropía de un agujero negro, según la teoría de la información de agujeros negros, aumenta con el área de su horizonte de sucesos.
El principio holográfico de 't Hooft sugiere que toda la información de un agujero negro puede estar codificada en su horizonte.
La evaporación de un agujero negro por radiación de Hawking lleva a una disminución de su masa y tamaño, pero no se pierde la información.
El problema de la información de los agujeros negros es un desafío en la física teórica que busca comprender cómo se conserva la información en un agujero negro.
La receta teórica para descubrir de qué están hechos los agujeros negros implica capturar y analizar la radiación de Hawking emitida durante su evaporación.
La resolución del problema de la información de los agujeros negros es crucial para el entendimiento de la gravedad cuántica.
Transcripts
Hola a todo el mundo Espero que estéis
bien Hoy voy a responder a la pregunta
de qué están hechos los agujeros negros
y lo voy a hacer en tres niveles de
dificultad el primero es el nivel
ingenuo o principiante donde la
respuesta es no se puede saber el
segundo nivel es el nivel sobrado en el
que la respuesta sería y en realidad A
quién le importa el tercer nivel es el
nivel más experto y la respuesta sería
sí que se puede saber y sí que importa
de hecho es la respuesta a la pregunta
más importante de la física teórica
actualmente
antes de plantear la pregunta vamos a
dar un poquito de contexto y vamos a
hablar de qué son los agujeros negros os
recomendamos que veáis nuestros vídeos
sobre el tema el concepto agujero negro
está muy relacionado con el concepto de
velocidad de escape todos sabemos que si
cogemos una piedra Ah en la tierra y la
lanzamos hacia arriba al cabo de un rato
cae y vuelve a nosotros salvo que la
lancemos con velocidad suficiente para
que escape al campo gravitatorio de la
tierra y se vaya al infinito a esta
velocidad límite para que un objeto se
escape del campo gravitatorio de un
astro se le llama la velocidad de escape
en la tierra la velocidad de escape son
unos 11 km por segundo es decir que si
tienes una velocidad menor que eso la
piedra vuelve a caer o como mucho se
quedan orbitando alrededor de la tierra
y si tienes una velocidad mayor que esa
velocidad de escape la los objetos se
escapan y se vaya al infinito está claro
que la velocidad de escape depende de la
masa que tenga el objeto del que
queremos escapar por ejemplo en la luna
la velocidad de escape es de unos 2 km
por segundo mientras que en Júpiter es
de 60 km por segundo y en el sol la
velocidad de escape es unos 600 km por
segundo está claro también que Cuanto
más compacto sea el objeto del que
queremos escapar mayor es su fuerza
gravitacional y más complicado será
escaparnos así que mayor será la
velocidad de escape Por ejemplo si
pensamos en una estrella de neutrones
que tiene unas masas del orden de varias
masas solares pero un tamaño de unos 10
o 15 km las velocidades de escapes
pueden ser fabulosas unos 150,000 km por
segundo que es la mitad de la velocidad
de la luz así que podemos plantearnos
podría existe un objeto tan masivo y tan
compacto que la velocidad de escape
fuera mayor que la de la luz de manera
que nada pudiera escapar porque es la
mayor velocidad posible en la física
esto es justamente un agujero negro un
sistema que es tan masivo y tan compacto
que ni siquiera la luz puede escapar de
su atracción gravitacional los agujeros
negros con otro nombre estrellas oscuras
fueron propuestos ya en el siglo XVIII
por mitchell que era un geólogo que
propuso la existencia de objetos que
eran tan masivos que ni siquiera la luz
podía escapar de ellos esto por supuesto
era hace siglos los cálculos los hizo
utilizando la física newtoniana sin
relatividad por supuesto y no pasó de
ser una mera curiosidad esta conjetura
de la existencia de estrellas oscuras de
hecho es muy fácil utilizar la física de
Newton para encontrar cuál es la
velocidad de escape de un objeto podemos
hacerlo fácilmente si nos imaginamos que
estamos en la superficie de un cuerpo
que tiene una masa m y lanzamos un
objeto hacia arriba En el momento en el
que salga tendrá una energía cinética
que será 1/2 de su masa por la velocidad
al cuadrado y tendrá también una energía
potencial gravitatoria que será menos G
veces la masa del cuerpo que atrae la
masa del objeto que quiere escapar
dividido por r que es el tamaño de de un
cuerpo y G es la constante de Newton La
constante de la gravitación universal si
este objeto escapa al infinito cuando
llega al infinito con velocidad
prácticamente cero porque justo es la
velocidad mínima que tiene que tener
para poder escapar de su atracción
gravitacional entonces tendrá una
energía cinética nula y como está en el
infinito donde no hay campo
gravitacional su energía potencial
gravitatoria también será cero
utilizando la conservación de la energía
estas dos cantidades serán iguales Así
que obtenemos que la velocidad de escape
está dada por esta expresión si tomamos
estas mismas fórmulas y las aplicamos
ingenuamente para pedir que la velocidad
de escape sea la velocidad de la luz lo
que obtendremos es que el radio que
tiene que tener el objeto que atrae es
igual a dos veces la constante de Newton
multiplicado por la masa del objeto
dividido por la velocidad de la luz al
cuadrado con la formulación de la
relatividad general por parte de
Einstein en 1915 la descripción de la
gravedad cambió un poquito se describió
como una curvatura del espacio-tiempo
Así que la definición de un agujero
negro es un objeto tan masivo y tan
compacto que curva tanto el
espaciotiempo que las trayectorias de la
luz se curvan y son incapaces de escapar
al inf finito por lo tanto el objeto no
emite luz y se observa como negro la
solución de la relatividad general que
describe un agujero negro esférico fue
formulada por Carl susil En 1916
resolviendo las ecuaciones de Einstein y
describe a un objeto con esas
propiedades es tan compacto y tan masivo
que curva las trayectorias de la luz de
manera que no pueden escapar al infinito
estos agujeros negros están rodeados de
una región esférica que se llama el
Horizonte el horizonte de sucesos que
corresponde más o menos a las órbitas de
la luz alrededor del agujero negro
porque son incapaces de escapar al
infinito curiosamente aunque las
ecuaciones de la relatividad general son
mucho más complicadas que la física de
Newton y las solución de sarsil es
también bastante complicada el resultado
para el radio del horizonte de un
agujero negro de sarsil es exactamente
el que hemos visto utilizando física
newtoniana está dado por la misma
sencilla fórmula al contrario de lo que
pasaba con las estrellas oscuras de
mitchel cuando un observador por ejemplo
un astronauta llega al Horizonte en
lugar de chocarse con él lo que sucede
es que lo atraviesa tranquilamente y no
se entera de nada simplemente lo que
ocurre es que una vez que ha entrado es
incapaz de de escaparse hacia fuera
porque para ello necesitaría superar la
velocidad de la luz que es la velocidad
máxima en física Así que no puede
escapar una vez que está Atrapado dentro
el observador que ha caído todavía puede
vivir un tiempito pero ya es inevitable
que se acabe encontrando con la
singularidad la singularidad no es un
lugar dentro de agujero negro sino que
es un suceso que le ocurre cuando todo
el espacio tiempo colapsa sobre él y el
observador por supuesto queda totalmente
destruido debemos aclarar que desde el
punto de vista exterior el agujero negro
sigue existiendo Exactamente igual que
antes de acuerdo es solo la percepción
del observador que ha caído dentro pero
no puede escaparse para contáramos la
hoy en día tenemos amplia evidencia
observacional de la existencia de
agujeros negros en el universo por
ejemplo los agujeros negros pueden hacer
por colapso de estrellas suficientemente
masivas cuando agotan su combustible y
caen sobre sí mismas son tan masivas y
compactas que pueden formar un agujero
negro hemos visto rayos x de los discos
de acreción de la materia alrededor de
este tipo de agujeros negros mientras
esperan su turno para ser devorado
existe también otro tipo de agujeros
negros con masas intermedias del orden
de decenas de veces la masa del sol que
existen por ejemplo en sistemas binarios
Y que observamos cuando colisionan entre
sí forman un agujero negro más grande y
emiten cantidades fabulosas de energía
en forma de ondas gravitacionales que
podemos detectar con interferómetro como
el aigo finalmente hay agujeros negros
que se llaman supermasivos con masas de
millones de veces o miles de millones de
veces la masa del sol que viven en los
centros de las Galaxias y y que hemos
detectado de varias maneras por ejemplo
en el centro de la vía láctea hay un
agujero negro de este tipo que se llama
Sagitario a estrella y hemos observado
estrellas que giran alrededor de este
agujero negro en el centro de la galaxia
incluso hemos sacado una fotografía una
imagen en ondas de radio de sagitario a
Estrella debemos aclarar que los
agujeros negros astrofísicos además de
masa tienen también momento angular es
decir giran Pero de eso ya hablaremos
más adelante todas estas observaciones
confirman que nuestra imagen de qué
ocurre cerca de un agujero negro es
correcta y está de acuerdo con la
relatividad general es decir entendemos
perfectamente cómo se comporta el
entorno de un agujero negro Pero qué
ocurre realmente cuando alguien cae
dentro o cuando la materia cae dentro
dónde va esa materia qué ocurre con ella
qué pasaría un astronauta que cayera
dentro qué pasaría con todas las cosas
que observa nos puede dar información
podemos conseguir información de qué hay
dentro de un agujero negro Así que vamos
a responder ahora a la pregunta de De
qué están hechos los agujeros negros y
Cómo podemos averiguarlo la primera
respuesta es a nivel ingenuo o
principiante y por lo que hemos contado
la respuesta sería que no podemos saber
de que está hecho un agujero negro y no
podemos averiguarlo porque cualquier
aparato cualquier detector aparato de
medida cualquier observador que caiga
dentro del horizonte va a ser incapaz de
salir y de transmitirnos la información
de lo que ha medido o lo que ha
observado Así que es imposible saberlo
por tanto sería imposible saber de qué
están hechos los agujeros negros no
habría ninguna manera de averiguarlo
esto nos lleva al siguiente nivel que es
el nivel un poco sobrado de las personas
que pueden saber un poco más de física y
la respuesta a este nivel sería decir en
realidad no importa el argumento para
ello es el llamado teorema de no pelo
que nos dice que en cuatro dimensiones
espaciotemporales es decir tres de
espacio y una de tiempo cualquier
solución de agujero negro está
etiquetada por únicamente tres números
la masa del agujero negro
el momento angular que tiene Cuál es su
Spin Cómo gira y cuál sería su carga
eléctrica una vez que especificas esos
tres números la solución de agujero
negro está perfectamente bien definida
dos agujeros negros con la misma masa la
misma carga y el mismo Spin serían
absolutamente indistinguibles Así que da
igual de que estén hechos porque se
comportan exactamente de la misma manera
no importa si los construiste colapsando
estrellas o apilando elefantes unos
contra otros el resultado sería un
agujero negro exactamente del mismo tipo
si tiene los mismos parámetros una
pequeña aclaración los agujeros negros
astrofísicos que observamos no tienen
carga eléctrica lo que sí tienen además
de masa es Spin o momento angular y de
hecho se puede medir y tenemos vídeos
explicándolo lo de las cuatro
dimensiones espaciotemporales es
interesante y tiene su punto Porque si
vas a más dimensiones por ejemplo si
estuviéramos en cinco dimensiones sí que
existen grados de libertad adicionales
que te dicen que puedes tener agujeros
negros con la misma masa la misma carga
y el mismo Spin pero con diferentes
topologías de su Horizonte por ejemplo
hay agujeros negros con horizonte de
forma esférica o Horizonte en forma
forma de donut un donut que gira muy
rápidamente y que lo estabiliza frente a
su colapso os imagináis eso un agujero
negro con forma de donut Pero bueno eso
ocurre en cinco o más dimensiones aquí
nos estamos moviendo en cuatro
dimensiones vamos a volver al mundo
Terrenal en cuatro dimensiones el
teorema de no pelo se aplica exactamente
y es un resultado que es un teorema
partiendo de las ecuaciones clásicas de
la relatividad general lo que viene a
decir es que da igual como hayas
construido el agujero negro Qué cosas
tenga en su interior Simplemente si
defines Cuál es su masa su carga y su
momento angular el estado del agujero
negro está perfectamente bien definido y
es único hay una unicidad en los
agujeros negros en cuatro dimensiones
Así que a la pregunta de De qué están
hechos los agujeros negros en este nivel
sobrado diríamos Bueno en realidad A
quién le importa da igual mientras
tengas definido su masa su carga y su
momento angular conoces perfectamente el
agujero negro No importa De qué esté
hecho y ahora nos vamos a mover al nivel
experto donde la respuesta a la pregunta
de De qué están hechos los agujeros
negros es sí que se puede saber de qué
están hechos los agujeros negros y sí
que importa y de hecho es la respuesta a
la pregunta más importante de la física
teórica bueno la respuesta no es tanto a
la pregunta de De qué están hechos sino
Cómo se puede saber de qué están hechos
para hac al nivel experto tenemos que
movernos en el ámbito de el problema de
la información de agujeros negros en
gravedad cuántica Esto suena un poco
imponente pero os tengo que recordar que
estamos en el nivel experto la idea
básica es que si el teorema de no pelo
fuera exactamente válido es decir que
bastara con etiquetar la masa el
movimiento angular y la carga para
caracterizar completamente un agujero
negro eso llevaría a violaciones de la
Segunda ley de la termodinámica la
segunda de la termodinámica lo que dice
es que la entropía de un sistema siempre
crece hemos hablado de la entropía en
varios vídeos y de hecho yo he hablado
de ello en el vídeo de la física de
tenet Así que os lo recomiendo spam la
entropía es una medida del desorden de
un sistema Por ejemplo si pensamos en
una habitación llena de gas y pensamos
en las moléculas de gas pueden estar muy
ordenaditos por ejemplo todas metidas en
una pequeña esquina de la habitación o
pueden estar totalmente desordenadas por
toda la habitación al estado donde Todas
están metidas en una esquina se le llama
un estado de muy baja entropía y al
estado donde están todas desordenadas se
le le llama un estado de muy alta
entropía o sea que la entropía es una
medida del desorden del sistema el hecho
de que la entropía siempre crezca quiere
decir que al final las cosas tienden a
desordenar si tomas una habitación al
azar lo más probable es que todas las
moléculas estén distribuidas por todas
partes desordenadas mientras que es
extremamente improbable que te las
encuentres de repente todas metidas en
una esquina hay muchas más maneras de
estar desordenadas todas las moléculas
por toda la habitación que de estar
todas metidito en una pequeña esquina
Simplemente porque en toda la habitación
el volumen es más grande y hay más
maneras de desperdigar es decir hay más
estados accesibles en una situación en
la que las moléculas están desperdigadas
por toda la habitación que cuando las
moléculas están confinadas a una pequeña
esquina Así que la entropía es una
medida del número de microestados del
sistema compatible con ciertas
propiedades macroscópicas por ejemplo
que la habitación est a cierta
temperatura t de hecho la entropía está
definida por la famosa fórmula de
boltman que corresponde a que es el
logaritmo del número de microestados
existentes o accesibles a un sistema la
entropía de los sistemas suele crecer
Con el volumen por ejemplo el gas en la
habitación crece con el volumen de la
habitación Simplemente porque Cuanto más
volumen haya más estados posibles hay y
más se pueden desordenar las moléculas
pero vamos ahora a lo que nos interesa
que son los agujeros negros si los
agujeros negros fueran como os he
descrito hasta ahora es decir con el
teorema de no pelo básicamente llevarían
a formas muy fáciles de violar la
segunda ley de la termodinámica que dice
que la entropía crece se podría
por ejemplo un sistema con muy alta
entropía por ejemplo una habitación
llena de gas y reducir drásticamente la
entropia del universo tomando esa
habitación y zas lanzándola dentro de un
agujero negro el agujero negro
absorbería la habitación crecería un
poco en masa y en tamaño pero como está
caracterizado simplemente por su masa
momento angular y carga simplemente
habría un estado posible por lo tanto su
entropía sería cero toda la entropía que
había en la habitación habría
desaparecido por lanzarla dentro de un
agujero negro esto podría ser así pero
cada vez hay más evidencia de que no es
así como se comportan los agujeros
negros cada vez se piensa más que los
agujeros negros Se comportan también
como sistemas termodinámicos tienen
entropía y tienen muchos estados
posibles esto parecería contradecir el
teorema de en pelo el punto crucial es
que estos microestados se diferencian
por propiedades cuánticas esto es
compatible con el teorema de no pelo
porque el teorema de no pelo es un
teorema clásico de física clásica
mientras que los microestados estarían
diferenciados por sus comportamientos
cuánticos es decir es una propiedad
cuántica que va más allá del resultado
clásico del teorema de no pelo así que a
nivel clásico el teorema de no pelo
seguiría siendo válido simplemente es la
física clásica la que falla y a nivel
cuántico habría muchos estados
compatibles con unos parámetros de masa
carga y espin así que se piensa que los
agujeros negros tienen entropía y de
hecho esa entropía aumenta cuando se
lanzan cosas dentro por ejemplo cuando
lanzas una habitación llena de gas con
mucha entropía dentro de un agujero
negro la entropía del agujero negro
también aumenta de forma que la entropía
total del universo aumenta y se
satisface la segunda ley de la
termodinámica Y cómo podemos decir que
hay varios microestados diferentes para
un agujero negro si nadie puede meterse
y mirarlos esta entropía de los agujeros
negros fue propuesta por beckenstein y
hawkin y tiene una propiedad muy
peculiar en lugar de aumentar con el
volumen del agujero negro que sería el
radio del horizonte al cubo aumenta con
el área del horizonte es decir con el
radio del horizonte al cuadrado Esto es
algo muy peculiar muy específico y muy
diferente de lo que pasa con otros
sistemas como las habitaciones donde la
entropía depende del volumen a este
comportamiento de la entropía de los
agujeros negros se le llama la ley de
área Cómo es esto posible bueno Pues
básicamente porque los grados de
libertad que codifican toda la
información del desorden y los estados
del agujero negro está caracterizada por
información que se puede localizar en el
Horizonte es decir es como si el
Horizonte fuera una pantalla que tuviera
unos bits que se encienden y se apagan Y
con esa información localizada en el
área uno puede reconstruir toda la
información de qué está pasando dentro
del agujero negro a esto se le llama el
principio holográfico de tofy saskin que
nos dice que toda la información del
interior del agujero negro se puede
codificar en una pantalla exterior que
es el Horizonte con sus bits que se
encienden y se apagan sería de forma
similar a un holograma en el que una
imagen tridimensional queda codificada
en una pantalla dos dimensional que
iluminada adecuadamente es capaz de
reproducirnos toda la información 3D una
manera de entender esto es que cuando un
astronauta o la materia está cayendo
dentro del agujero negro y llega al
Horizonte y lo atraviesa del punto de
vista del observador externo lo que está
ocurriendo es que no llega a observar
que la materia o el astronauta esté
cruzando el Horizonte simplemente
Observa que cada vez se acerca más y se
va aplanando de forma infinita sobre el
área del horizonte Así que todos sus
grados de libertad y toda su información
quedaría codificada en este área del
horizonte que rodea al agujero negro y
esta información que está localizada en
el el Horizonte del agujero negro
podemos acceder a ella bueno como estos
agujeros negros son sistemas
termodinámicos están caracterizados
también por una temperatura es la
llamada temperatura de Hawking está
asociada a que un agujero negro puede
emitir radiación es decir los agujeros
negros no son negros a nivel cuántico de
esto hemos hablado ya en varios vídeos
pero voy a repasar brevemente la idea la
idea básica Es que en la física cuántica
es posible que en el vacío se generen
fluctuaciones cuánticas que corresponden
a creaciones de pares partícula
antipartícula que se crean y se
aniquilan instantáneamente ahora bien si
estás cerca de un agujero negro cerca
del horizonte podría pasar que cuando se
crea un par partícula antipartícula una
de ellas caiga dentro del horizonte y no
puede escapar mientras que la otra
escapa al infinito estas partículas que
escapan al infinito son la radiación de
hocking y tienen un espectro una
distribución de frecuencias que
caracteriza la temperatura del agujero
negro esto es de forma similar a como
observando la la distribución de
frecuencias de un hierro incandescente
podemos determinar A qué temperatura se
encuentra el hierro en este punto
conviene aclarar que la predicción de la
existencia de muchos microestados para
agujeros negros y la emisión de
radiación de Hawking es un fenómeno que
se ha formulado teóricamente pero que no
se ha observado en el universo para los
agujeros negros astrofísicos que
observamos en el universo la radiación
de hawkin es un fenómeno extremadamente
débil y es esencialmente inobservable en
la práctica eso está asociado a que la
temperatura de un agujero negro es mayor
Cuanto más pequeña es su masa y es menor
Cuanto más grande es su masa Así que los
agujeros negros que observamos en el
universo tienen temperaturas
extremadamente frías por ejemplo un
agujero negro de unas pocas masas
solares tiene una temperatura de 10 a la
8 Kelvin es muy frío cerca del cero
absoluto es muchísimo más frío incluso
que el fondo de radiación de microondas
del universo que está a 3 kin para los
agujeros negros supermasivos en el
centro de las Galaxias la la temperatura
es órdenes de magnitud muchísimo menor
todavía así que cualquier agujero negro
del universo está tan frío que no emite
radiación sino que lo que hace es
absorbe toda la radiación y toda la
materia que lo está rodeando cuando los
agujeros negros van emitiendo radiación
su masa poco a poco va decreciendo muy
despacio pero va decreciendo de manera
que según se va evaporando y emitiendo
más radiación puede llegar un momento en
el que desaparezcan del todo esto lleva
muchísimo tiempo muchas veces más que la
edad del universo pero teóricamente es
algo que ocurr cuando la masa del
agujero negro y su tamaño van
decreciendo la entropía del agujero
negro es decir el número de estados que
tiene también va disminuyendo y de hecho
cuando el agujero negro Se evapora
completamente no queda en ningún grado
de libertad no queda en ningún estado
posible Así que una pregunta natural es
decir bueno dónde se ha ido todos los
estados del agujero negro y toda la
información contenida de En qué estado
se encontraba el agujero negro si esta
información de los agujeros negros
realmente se perdiera llevaría a
consecuencias catastróficas para la
física tal como la conocemos básicamente
porque implicaría que se viola uno de
los principios fundamentales de la
física cuántica la unitari medad la
unitari lo que nos dice es que las
probabilidades de cualquier proceso
suman el 100% si hubiera un agujero
negro que fuera capaz de perder
información porque no se puede detectar
lo que está ocurriendo en su interior o
esa información acaba perdida llevaría a
que es muy fácil en un proceso cuántico
lanzar parte de sus componentes dentro
de un agujero negro y se pierde esa
información para que parte de la
probabilidad se vaya por ahí y no sume
al 100% llevaría esas violaciones de
unitari Dad Así que esto lleva al
llamado problema de la información del
agujero negro qué es lo que tenemos que
hacer entender los agujeros negros de
una forma diferente o tirar a la basura
las reglas de la física cuántica y
modificarla el consenso hoy en día es
que las reglas de la física cuántica
funcionan perfectamente mente y lo que
hay que hacer es modificar nuestra
noción de cómo funcionan los agujeros
negros Así que la idea es que según el
agujero negro se va evaporando esa
información que estaba almacenada dentro
escapa de alguna manera y queda
almacenada fuera fuera quiere decir en
la radiación de Hawking que ha sido
emitida cuando el agujero negro Se
evapora completamente y queda
transformado en radiación que está
escapando hacia el infinito en esa
radiación que está escapando al infinito
estaría codificada toda la información
del agujero negro y Cuál ha sido su
origen su historia y todo lo que le pasó
ahora la pregunta es cómo se lleva la
radiación de Hawking esa información
cuántica que hay dentro el agujero negro
como la codifica daos cuenta que como la
radiación de Hawking se forma en el
Horizonte como acabamos de explicar es
justamente lo adecuado para codificar la
información del agujero negro que
también se almacenaba de alguna manera
según el principio holográfico en el
Horizonte cuando se emite la radiación
de Hawking por creación de estos pares
virtuales estos pares están entrelazados
es decir tienen correlaciones cuánticas
entre sus dos componentes es un par epr
hay una correlación entre las
propiedades de la partícula que es
escapa Al infinito y las propiedades de
la partícula que cae dentro del
horizonte Así que cuando la radiación
escapa estudiando adecuadamente las
correlaciones cuánticas uno puede tener
información sobre Qué sucede con sus
compañeras que están encerradas dentro
el horizonte de hecho cuando el agujero
negro Se evapora completamente y se
convierte totalmente en radiación de
Hawking capturando toda esa radiación de
Hawking y estudiando las correlaciones
cuánticas uno podría reconstruir toda la
información que quisiera sobre el
agujero negro Cómo se formó si fue
colapsando estrellas o colisionando
elefantes unos contra otros Qué pasó
después si cayó materia dentro si algún
astronauta cayó dentro incluso Qué
sintió qué observó El astronauta cuando
caía dentro antes de encontrarse con esa
singularidad que lo destruye Por tanto
la receta para saber de qué está hecho
un agujero negro y Cuál ha sido toda su
historia sería la siguiente rodea el
agujero negro con algún tipo de detector
espera toda la vida del agujero negro
hasta que emita toda la radiación y se
descomponga totalmente y estudia las
correlaciones cuánticas de esa radiación
de Hawking para detectar toda la
historia del agujero negro y responder
todas las preguntas que quieras hacer
sobre qué le pasó Y qué le pasó a las
cosas que cayeron dentro y a
continuación celebras tu éxito esto por
supuesto es un ejercicio teórico y no se
puede hacer en la práctica pero Incluso
el punto de vista teórico es complicado
establecer este diccionario entre la
información codificada en la radiación
de Hawking y los observables dentro en
el interior de un agujero negro es algo
que no está resuelto es una pregunta
abierta en la física teórica y una de
las piezas claves para comprender el
funcionamiento de los agujeros negros a
nivel cuántico y por tanto para entender
la gravedad cuántica decifrar este
diccionario sería equivalente a mostar
la piedra roseta para los egiptólogos
que nos permitió entender Cómo era la
vida y la historia del Antiguo Egipto en
este caso decodificar el diccionario
entre la radiación de Hawking y los
datos del interior de un agujero negro
nos permitiría entender los misterios
más profundos de la gravedad cuántica
Así que la respuesta a este nivel
experto a la pregunta de De qué está
hecho un agujero negro es que en
principio teóricamente sí se puede saber
y responder cómo funciona este
diccionario para averiguar la respuesta
es una de las preguntas fundamentales de
la física teórica hoy en día Así que si
alguna vez os cais dentro de un agujero
negro no os desesperéis escribid una
carta de despedida y los que nos
quedamos fuera ya nos ocuparemos de
capturar toda la radiación de Hawking de
codificar la información y leer vuestras
amables palabras antes de que os aplaste
la singularidad nada más Espero que os
haya gustado el vídeo y nos vemos en el
siguiente
chao
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