Estrellas Negras si, Agujeros Negros no

Los agujeros negros son de gran ayuda en el estudio teórico de las propiedades fundamentales de la relatividad general y la mecánica cuántica. La revista Scientific American en este mes de octubre publica un artículo sobre los efectos cuánticos que pueden evitar la formación de agujeros negros. A estos nuevos objetos cósmicos los denomina Estrellas Negras (black stars). Referencias: agujeros negros, estrellas negras, mecánica cuántica, relatividad general

Curiosamente despues del post anterior donde decia que no se conocia nada que pudiera frenar el colapso gravitatorio de una estrella mas allá de las estrellas de neutrones, aparece en Scientific American un artículo de Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego y Matt Visser diciendo que si hay algo que puede llegar a frenar el colapso, el propio vacio del espacio.De la misma manera que las estrellas de neutrones (neutron stars) o las enanas blancas (white dwarfs) no se podian haber predicho sin la aplicación de la mecanica cuantica, las estrellas negras (black stars) no se podian preveer sin la unión de la física cuantica con la relatividad general.

Si el colapso de la estrella se produce más lentamente que en caida libre entonces los efectos cuanticos del vacio pueden frenar el colapso estelar. Se forma una estrella negra. La teoría de la relatividad general de Einstein nos dice que toda materia y energía distorsionan el espaciotiempo como si fuera construido por una cama elástica y como la curvatura de este espaciotiempo controla el movimiento de la materia y la energía, produciendo la fuerza que conocemos como gravedad.

En un agujero negro la curvatura del espaciotiempo se hace tan grande que ni la materia ni la energía que caen dentro vuelven a salir. El horizonte de sucesos separa la zona de esta intensa gravedad del resto del espaciotiempo. Para una estrella de la masa del Sol el horizonte de sucesos es una esfera de radio 3 km. Ciertamente se han realizado observaciones que sugieren la existencia de enormes fuerzas gravitatorias, pero no necesariamente tienen que ser agujeros negros. Ya decía en “Energia de los agujeros negros “ que no hemos observados los agujeros negros sino por el material que orbita y cae dentro de un objeto muy masivo y compacto.

La duda está en la teoría, si toda la masa de la estrella colapsada se concentra en un punto, su densidad es infinita. Y los infinitos son muy malos para las teorías, pues sugieren que algo falla. A estos puntos infinitos se les denomina singularidades.

¿Cómo evitar las singularidades?, muy sencillo, utilizando los efectos cuánticos. Esto es, aplicando lo que conocemos sobre lo infinitamente pequeño. Solo hay un problema, no lo conocemos. No sabemos qué ocurre con la materia y la energía a escala menores que los átomos. Precisamente el experimento del LHC, ver “Experimentos en marcha “ tratara de averiguar que ocurre.

La unión de la relatividad general con la mecánica cuántica, que se denomina gravedad cuántica, es un campo de intensa actividad intelectual pero de momento no se conoce demasiado.

¿La teoría de la gravedad cuántica nos daría una visión diferente de los agujeros negros?, es decir, ¿los agujeros negros cuánticos tendrían las mismas propiedades que los agujeros negros clásicos? Según el artículo ciertos efectos cuánticos del vacío podrían llegar a formar un nuevo objeto cósmico, una estrella negra.

Como no se conoce la gravedad cuántica se utiliza una aproximación denominada “gravedad semiclásica”. Introduce aspectos de la mecánica cuántica de campos dentro de la gravedad clásica de Einstein. Esto quiere decir que aplica la curvatura del espacio tiempo de la relatividad general a la teoría cuántica de campos.

Según esta estrategia, la materia produce una curvatura en el espaciotiempo y esta curvatura modifica la energía del estado cuántico. Esta energía modificada produce una variación en la curvatura del espaciotiempo y asi sucesivamente hasta conseguir un equilibrio.

Bien, aplicando la teoría cuántica, tiene que existir una energía del punto cero. Es decir, la energía del vacío. La energía situada en una región del espacio es una densidad y la energía es masa, por tanto según la teoría cuántica tenemos una densidad de masa en el vacío.  Según la relatividad general la densidad de masa genera una distorsión en el espaciotiempo creando una curvatura en este espaciotiempo, que asociamos a la gravedad. El objeto matemático relacionado con el concepto de curvatura en el espaciotiempo se denomina tensor energía-impulso (SET),

tensor

donde T(μ,ν) es el tensor energía-impulso del vacío, g(μ,ν) es la métrica del espacio y ρvac es la densidad de energía del vacío.

Pero aquí aparece un problema, ¿Qué vale la densidad de energía del vacío?, existen dos maneras de encontrarla, una experimental y otra teórica. Un valor grande nos dará una curvatura grande y otro de pequeño una curvatura pequeña.

Las observaciones astronómicas durante la pasada década indican que la densidad de energía del punto cero es muy pequeña,

densidad01

en cambio la densidad de energía del vacío según la teoría cuántica es

densidad2

La diferencia entre la teoría y la observación es de 120 órdenes de magnitud

densidad3

En la teoría de la gravedad semiclásica este “infinito” se compensa con otro tensor energía-impulso que suprime la excesiva curvatura, a este objeto matemático se le denomina tensor energía-impulso renormalizado (RSET).

La situación final queda de la siguiente manera: la materia curva el espaciotiempo siguiendo las ecuaciones de la relatividad especial mediante el tensor energía-impulso (SET). Esta curvatura hace que el vacio cuántico adquiera un valor finito mediante el RSET. Que a su vez se convierte en una fuente de gravedad que modifica la curvatura. Esta nueva curvatura induce a la vez un diferente RSET y asa sucesivamente. Es algo parecido a la propagación de una onda electromagnética, donde un campo eléctrico variable produce un campo magnético variable que a su vez induce un campo eléctrico variables y así sucesivamente.

Algo difícil de entender y los propios autores son conscientes de ello, por eso proponen el siguiente ejemplo, que también es difícil de entender. Se basa en la polarización del vacío. Intento explicarlo brevemente.

En la teoría cuántica el vacio se encuentra poblado por partículas/antipartículas virtuales. Son pares electrón/positrón que se crean y se aniquilan inmediatamente, pero en la escala cuántica este tiempo parece enorme. El campo eléctrico de una carga atrae hacia si las partículas virtuales de signo contrario y repele las de su mismo signo. Una carga positiva atrae al positron y repele a todos los electrones virtuales cercanos a el. El resultado es que la carga positiva se rodea de una nube de electrones virtuales. Este fenomeno se conoce como la polarización del vacío y el resultado es que esta nube de electrones virtuales apantalla parcialmente la carga positiva.

En la siguiente figura, en rojo las cargas positivas y en verde las negativas. La esfera grande central es una carga positiva “real” y las otras que van a pares son las virtuales.

polarización del vacío

 Cuando observamos la carga positiva “real” a una distancia suficientemente grande donde los efectos de polarización del vacío no son apreciables, vemos la carga positiva y su nube de particulas virtuales como una sola particula. El efecto final ha reducido la carga positiva. Vea la siguiente imagen.

apantallamiento del vacío

apantallamiento del vacío

Pues bien, en el caso de la gravedad ocurre lo mismo si la estrella colapsa lentamente. En esta situación el RSET puede adquirir elevados valores negativos en la región cercana al radio de Schwarzschild. Un RSET negativo produce la repulsión gravitatoria que llega a frenar el colapso de la estrella, formando una estrella negra.

En la siguiente imagen se muestra como seria el efecto repulsivo de la gravedad cuántica. La esfera azul central es una masa que ejerce una atracción gravitatoria pero el RSET actua como una nube virtual de masa negativa.

efecto de repulsión del RSET  
El campo gravitatorio en torno a una estrella negra será idéntico a un agujero negro, pero el interior de la estrella se encuentra totalmente lleno de materia, no hay singularidad ni horizonte de sucesos.

Un poco liado, lo se, algun día de estos tendre que explicar más despacio las particulas virtuales, la polarización del vacío, los efectos cuánticos, etc. Pero el tiempo que les sobra a las particulas virtuales me falta a mi, y supongo que a usted también. Consecuencias de pertenecer al mundo real y no al virtual. ¿O acaso nosotros somos los virtuales?…

Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Master en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politécnica de Cataluña y Master en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Técnico Experto Evaluador Europeo. Profesor titulado de física y matemáticas de la Politècnica de Mataró, des de 1991. Director Científico de Innovem.
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5 respuestas a Estrellas Negras si, Agujeros Negros no

  1. (mis disculpas, envío de nuevo el post, con las corregciones debidas, que anteriormente por las prisas, las pulsaciones dejaron una impronta casi impresentable, gracias Carles, ya borrarás el anetrior post..)

    Saludos Carles,
    Expones de un modo esclarecedor un algo muy complejo; hace décadas que en circulos reducidos académicos, debatimos la posibilidad que nuestra inteligencia al margen del soporte físico que es el encéfalo, específicamente las áreas del cortex, pueden estar en la tisitura que designas o designan como partículas virtuales; no es muy dispar en relación a una física dirigida al estudio de campos que en apariencia nada tienen que ver; ya en la antigüedad se hacia una referencia del macrocosmos y el microcosmos; en el presente la física de las partículas ínfimas o cuántica parece ir confirmando lo que la intuición de los antiguos pareció señalar. Es muy prometededor algo que debo señalar, es que la teórica de las partículas virtuales, tiene una aproximación bastante verosímil en el modo que “parece” como se elabora el proceso de pensar. Algo muy complejo para desarrollarlo en un espacio tan breve, solamente dejo la anotación, que lo que aportas como físico nos es muy de interés a los que investigadores de lo cognoscitivo y cognitivo. Una vez más muchas gracias Carles por la valiosa aportación teórica. (en los mapas virtuales que vamos realizando /eeg del cortex y segmentos/, todavía no disponemos de una tecnología precisa, pero en el campo teóríco si podemos ir mapeando los procesos mentales, e ir abandonando la vieja idea de que la mente tiene una ipseidad por si misma y aceptando la conjetura verosímil moderna de que es un proceso complejo, pero no ubicado solamente en un soporte biológico.)

  2. Carles Paul dijo:

    Apreciado Jordi Mas, ante todo, disculpa mi ignorancia sobre tu campo de investigación, pues solo he tenido contacto a través de tus breves palabras.

    Dicho esto, podríamos y ya lo hizo Penrose en su libro “La nueva mente del emperador” al igual que otros, suponer que con la mecánica determinista de Newton no puede haber inteligencia junto al libre albedrio. Si la configuración del sistema neuronal se encuentra fijado, una mecánica determinista nos daría como resultado siempre la misma respuesta ante una misma acción. A no ser que el cerebro tuviese un comportamiento caótico (como es el caso del corazón, el tiempo atmosférico, algunos asteroides, etc). Cuidado, caótico en este contexto no significa desorden. Significa que si un sistema dinámico da una respuesta condicionada a unas condiciones iníciales, al variar ligeramente estas condiciones iníciales la respuesta se aleja muchísimo de la respuesta inicial.

    ¿Tienen las neuronas un crecimiento fractal? al igual que las ramas de los árboles, esto le proporcionaría una dimensión fractal.

    Y finalmente tenemos la mecánica cuántica, donde la superposición de estados genera una aleatoriedad, que según propones, el estado mecanicocuantico del cerebro se superpone al estado mecanicocuantico del “mar” de partículas virtuales. Por decirlo en muy breves palabras.

    Me parece maravilloso este nuevo campo de investigación, para determinar que es la inteligencia y cómo funciona el cerebro, pues ahora nos encontramos con grandes nuevos radiotelescopios que ahondan en las profundidades del universo y desconocemos las profundidades de nuestro cerebro. Seguramente la mecánica cuántica dará explicaciones.

    Saludos y suerte en tus investigaciones.

  3. Jordi Mas dijo:

    Muchas gracias Carles:
    En efecto es un nuevo y maravilloso campo de investigación que tiene múltiples alternativas; la dedicación es exclusiva en la fundación, y décadas de investigación son solamente pequeñas gotas en un inmenso futuro que nos ofrece a todos nuevos paradigmas. Confiemos que las mentes de otros investigadores también se inspiren y se abran a nuevas expectativas además de lo explícitamente biológico. (en la actualidad se diferencia la inteligencia del proceso neuronal, porque empezamos a comprender que el modelo biológico es solamente un ínfimo fragmento de un iceberg que probablemente por lo que vamos descubriendo tiene mucho más bajo la superficie que sobre ella)

    Me agradaría que cuando te fuese posible, pudieras expandir el tema específico de las partículas virtuales y todo lo vinculado a ello. Gracias de nuevo.

    De nuevo gracias, saludos y también buenos deseos para tu campo de investigación.

  4. Anónimo dijo:

    SE COMPRUEBA QUE LA CIENCIA CORROBORA LO QUE DIJERON LOS RISHIS INDUES HACE 5000 AÑOS

  5. Pingback: De la Mecánica Cuántica a los Agujeros Negros | abcienciade

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