¿Son bidimensionales los agujeros negros?

En principio, nada que entra en un agujero negro puede salir del agujero negro. Esto ha complicado considerablemente el estudio de estos cuerpos misteriosos, sobre lo que generaciones de físicos han debatido desde 1916, cuando se planteó la hipótesis de su existencia como consecuencia directa de la teoría de la relatividad de Einstein.

Hay, sin embargo, un cierto consenso en la comunidad científica lo que respecta a la entropía del agujero negro, --una medida del desorden interno de un sistema físico-- porque su ausencia violaría la segunda ley de la termodinámica.

En particular, Jacob Bekenstein y Stephen Hawking sugieren que la entropía de un agujero negro es proporcional a su área en lugar de a su volumen, como sería más intuitivo. Esta asunción da lugar a la hipótesis de la "holografía" de los agujeros negros, que (muy aproximadamente) sugiere que lo que parece ser en tres dimensiones, de hecho, resulta una imagen proyectada en un horizonte cósmico de dos dimensiones a distancia, al igual que un holograma, que a pesar de ser una imagen bidimensional parece ser tridimensional.

Como no podemos ver más allá del horizonte de sucesos (el límite exterior de la parte posterior del agujero), los micro estados internos que definen la entropía son inaccesibles. Entonces, ¿cómo es factible calcular esta medida? El enfoque teórico adoptado por Hawking y Bekenstein es semiclásico (una especie de híbrido de la física clásica y la mecánica cuántica) e introduce la posibilidad (o necesidad) de adoptar un enfoque de la gravedad cuántica en los estudios con el fin de obtener una comprensión más fundamental de la física de los agujeros negros.

La longitud de Planck es la (pequeña) dimensión en la que el espacio-tiempo deja de ser continuo, y toma la granularidad discreta que compone los quanta, los "átomos" del espacio-tiempo. El universo en esta dimensión se describe en la mecánica cuántica. La gravedad cuántica es el campo de investigación que investiga la gravedad en el marco de la mecánica cuántica. La gravedad ha sido descrita muy bien dentro de la física clásica, pero no está claro cómo se comporta en la escala de Planck.

Daniele Pranzetti y sus colegas, en un nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters, presenta un importante resultado obtenido mediante la aplicación de una segunda formulación del formalismo de Gravedad Cuántica de Bucles (LQG en inglés). LQG es una aproximación teórica al problema de la gravedad cuántica y la teoría de campo de grupo es la "lengua" a través del que la teoría es aplicada en este trabajo.

"La idea en la base de nuestro estudio es que las geometrías clásicas homogéneas emergen de un condensado de los quantos de espacio introducido en los LQG con el fin de describir la geometría cuántica", explica Pranzetti. "Por lo tanto, para ello obtuvimos una descripción de estados cuánticos del agujero negro, apto para describir el físico 'continuum', es decir, la física del espacio-tiempo como la conocemos."

Un "condensado" en este caso es una colección de quantos de espacio, que comparten propiedades de forma que, a pesar de que haya un gran número de ellos, podemos estudiar su comportamiento de forma colectiva, haciendo referencia a las propiedades microscópicas de la partícula individual. Así que ahora, la analogía con la termodinámica clásica parece más clara --del mismo modo que los fluidos en nuestra escala aparecen como materiales continuos, a pesar de estar formados porun gran número de átomos, de manera similar, en la gravedad cuántica, los átomos de espacio constituyentes fundamentales forman una especie de líquido--, es decir, el espacio-tiempo continuo.

Una geometría continua y homogénea (como la de un agujero negro con simetría esférica) puede, como Pranzetti y sus colegas sugieren, describirse como un condensado, lo que acilita los cálculos matemáticos subyacentes, teniendo en cuenta un a priori un número infinito de grados de libertad.

"Fuimos capaces así de utilizar un modelo más completo y más rico en comparación con los hecho en el pasado en los LQG, y obtener un resultado mucho más realista y robusto", dice Pranzetti. "Esto nos permitió resolver ambigüedades que afectan a varios cálculos anteriores, debido a la comparación de estos modelos simplificados LQG con los resultados del análisis semiclásico como el llevado a cabo por Hawking y Bekenstein".

Otra importante aspecto del estudio de Pranzetti y sus colegas "es que se propuso un mecanismo concreto en apoyo de la hipótesis holográfica, por lo que la tridimensionalidad de los agujeros negros puede ser meramente aparente: toda su información se podría contener en una superficie bidimensional, sin tener que investigar la estructura de la parte interior (de ahí el enlace entre entropía y zona de área en lugar de volumen).