Un cortafuegos de agujero negro es un fenómeno hipotético en el que un observador que cae en un agujero negro encuentra cuantos de alta energía en (o cerca) del horizonte de sucesos . El fenómeno del "cortafuegos" fue propuesto en 2012 por los físicos Ahmed Almheiri, Donald Marolf , Joseph Polchinski y James Sully [1] como una posible solución a una aparente inconsistencia en la complementariedad de los agujeros negros . A veces se hace referencia a la propuesta como cortafuegos AMPS , [2] un acrónimo de los nombres de los autores del artículo de 2012. La posible inconsistencia señalada por AMPS había sido señalada anteriormente por Samir Mathur, quien utilizó el argumento a favor de la propuesta fuzzball . [3] [4] El uso de un cortafuegos para resolver esta inconsistencia sigue siendo controvertido, y los físicos están divididos en cuanto a la solución a la paradoja. [5]
Según la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo , una única emisión de radiación de Hawking implica dos partículas entrelazadas entre sí. La partícula saliente escapa y se emite como un cuanto de radiación de Hawking; la partícula que cae es tragada por el agujero negro. Supongamos que un agujero negro se formó en un tiempo finito en el pasado y se evaporará por completo en algún tiempo finito en el futuro. Entonces, sólo emitirá una cantidad finita de información codificada dentro de su radiación Hawking. Para un viejo agujero negro que ha cruzado el punto medio de evaporación, los argumentos generales de la teoría de la información cuántica de Page [6] [7] y Lubkin [8] sugieren que la nueva radiación de Hawking debe estar entrelazada con la antigua radiación de Hawking. . Sin embargo, dado que la nueva radiación de Hawking también debe entrelazarse con grados de libertad detrás del horizonte, esto crea una paradoja : un principio llamado " monogamia de entrelazamiento " requiere que, como cualquier sistema cuántico, la partícula saliente no pueda entrelazarse completamente con dos rayos independientes. sistemas al mismo tiempo; sin embargo, aquí la partícula que sale parece estar entrelazada tanto con la partícula que cae como, independientemente, con la radiación de Hawking pasada. [5]
AMPS inicialmente argumentó que para resolver la paradoja, los físicos podrían eventualmente verse obligados a renunciar a uno de los tres principios probados en el tiempo: el principio de equivalencia de Einstein , la unitaridad o la teoría cuántica de campos existente . [9] Sin embargo, ahora se acepta que un supuesto tácito adicional en la paradoja de la monogamia era el de localidad . Una opinión común es que las teorías de la gravedad cuántica no obedecen a una localidad exacta, lo que conduce a una resolución de la paradoja. [10] [3] Por otro lado, algunos físicos sostienen que tales violaciones de la localidad no pueden resolver la paradoja. [11]
Algunos científicos sugieren que el entrelazamiento debe de alguna manera romperse inmediatamente entre la partícula que cae y la partícula que sale. Romper este entrelazamiento liberaría grandes cantidades de energía, creando así un abrasador "cortafuegos de agujero negro" en el horizonte de sucesos del agujero negro. Esta resolución requiere una violación del principio de equivalencia de Einstein, que establece que la caída libre es indistinguible de flotar en el espacio vacío. Esta violación ha sido calificada de "escandalosa"; El físico teórico Raphael Bousso se ha quejado de que "un cortafuegos simplemente no puede aparecer en un espacio vacío, como tampoco una pared de ladrillos puede aparecer repentinamente en un campo vacío y golpearte en la cara". [5]
Algunos científicos sugieren que, de hecho, no existe ningún entrelazamiento entre la partícula emitida y la radiación de Hawking anterior. Esta resolución requeriría la pérdida de información de los agujeros negros , una controvertida violación de la unitaridad. [5]
Otros, como Steve Giddings, sugieren modificar la teoría cuántica de campos para que el entrelazamiento se pierda gradualmente a medida que las partículas salientes y entrantes se separen, lo que resultaría en una liberación más gradual de energía dentro del agujero negro y, en consecuencia, sin cortafuegos. [5]
La propuesta de Papadodimas-Raju [12] [13] [14] [15] postuló que el interior del agujero negro se describía con los mismos grados de libertad que la radiación de Hawking. Esto resuelve la paradoja de la monogamia al identificar los dos sistemas con los que está enredada la última radiación de Hawking. Dado que, en esta propuesta, estos sistemas son iguales, no hay contradicción con la monogamia del entrelazamiento. En líneas similares, Juan Maldacena y Leonard Susskind sugirieron en la propuesta ER=EPR [16] que las partículas que salen y entran están de alguna manera conectadas por agujeros de gusano y, por lo tanto, no son sistemas independientes. [17] [18]
La imagen de la bola de pelusa resuelve el dilema reemplazando el vacío " sin pelo " por un estado cuántico fibroso, acoplando así explícitamente cualquier radiación de Hawking saliente con la historia de formación del agujero negro. [19] [20]
Stephen Hawking recibió una amplia cobertura de los medios de comunicación en enero de 2014 con una propuesta informal [21] para reemplazar el horizonte de sucesos de un agujero negro con un " horizonte aparente " donde la materia que cae se suspende y luego se libera; sin embargo, algunos científicos han expresado confusión sobre qué se propone exactamente y cómo la propuesta resolvería la paradoja. [22]
El cortafuegos existiría en el horizonte de sucesos del agujero negro y sería invisible para los observadores fuera del horizonte de sucesos. La materia que pasara a través del horizonte de sucesos hacia el agujero negro sería inmediatamente "quemada hasta quedar crujiente" por una "vorágine de partículas hirvientes" arbitrariamente caliente en el cortafuegos. [5]
En una fusión de dos agujeros negros, las características de un cortafuegos (si lo hay) pueden dejar una marca en la radiación gravitacional saliente en forma de "ecos" cuando las ondas rebotan en las proximidades del horizonte de sucesos difuso. La cantidad esperada de tales ecos no está teóricamente clara, ya que los físicos no disponen actualmente de un buen modelo físico de cortafuegos. En 2016, el cosmólogo Niayesh Afshordi y otros argumentaron que había signos tentativos de algún eco de este tipo en los datos de la primera fusión de agujeros negros detectada por LIGO; [23] un trabajo más reciente ha argumentado que no hay evidencia estadísticamente significativa de tales ecos en los datos. [24]
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