Las estrellas muertas no emiten radiación
(johncarlosbaez.wordpress.com)- Una nueva afirmación de que los objetos masivos que no son agujeros negros también emiten radiación de Hawking (Hawking radiation) lleva a la conclusión de que una estrella muerta estática pierde masa y desaparece, en conflicto con la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo existente
- Esta lógica se basa en la idea de que el campo gravitatorio crea pares partícula-antipartícula y que la radiación se lleva la energía, pero no explica mediante qué proceso desaparecen los protones y neutrones que componen la estrella
- Los artículos de refutación sostienen que el cálculo depende de una aproximación burda que produce resultados erróneos incluso en problemas más simples, y que el resultado de Ashtekar y Magnon de 1975 muestra la estabilidad del vacío en espacios-tiempo estáticos
- Si existe un Killing field de tipo temporal en todas partes, se cumple la simetría de traslación temporal, y bajo esa condición es posible una formulación de teoría cuántica de campos que distingue entre partículas y antipartículas, por lo que no ocurre creación espontánea de partículas
- En los agujeros negros de Schwarzschild, el Killing field deja de ser de tipo temporal en el horizonte de sucesos, por lo que no puede aplicarse la misma lógica, y la afirmación sobre la radiación de estrellas muertas se parece más a un intento de revertir con aproximaciones más débiles un problema resuelto hace décadas
El punto de partida de la controversia: radiación de Hawking en objetos que no son agujeros negros
- Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom y Heino Falcke sostienen en Gravitational pair production and black hole evaporation que incluso los grandes cúmulos de materia que no son agujeros negros emiten radiación de Hawking
- Luego, en un nuevo artículo, afirman que incluso una estrella muerta y fría emite radiación de Hawking, pierde masa lentamente y puede desaparecer con el tiempo
- Para que esta conclusión se sostenga, habría que explicar cómo desaparecen los protones y neutrones dentro de la estrella, lo que entra en conflicto con la conservación del número bariónico
- Los autores reconocen la posibilidad de una violación de la conservación bariónica, pero no presentan qué proceso produciría eso
- Lo que queda es la idea de que el campo gravitatorio de la estrella crea pares partícula-antipartícula, esos pares escapan como radiación y, por conservación de la energía, la estrella debe perder masa
Puntos de conflicto con la física existente
- Si esta afirmación fuera correcta, revertiría los cálculos existentes en teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo según los cuales un cúmulo estático de materia no emite radiación de Hawking
- Al mismo tiempo, llevaría a la conclusión de que, para que la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo sea consistente, la conservación del número bariónico tendría que fallar
- Sin embargo, estos artículos casi no lograron impacto dentro de la comunidad de física, y también aparecieron breves artículos de refutación
- Comment on “Gravitational pair production and black hole evaporation”, de Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas y Silvia Pla, señala que esa aproximación produce resultados erróneos incluso en problemas más simples
- Complex effective actions and gravitational pair creation, de E. T. Akhmedov, D. V. Diakonov y C. Schubert, trata un problema similar
La estabilidad del vacío en espacios-tiempo estáticos
- El artículo de 1975 de Abhay Ashtekar y Anne Magnon, Quantum fields in curved space-times, muestra que en un espacio-tiempo estático puede definirse bien el estado de vacío y que ese vacío es estable
- La frase clave es la siguiente
- “Si el espacio-tiempo de fondo permite un Killing field de tipo temporal en todas partes, el estado de vacío es de hecho estable y no ocurren fenómenos como la creación espontánea de partículas”
- Decir que existe un Killing field de tipo temporal en todas partes significa que el espacio-tiempo tiene simetría de traslación temporal
- Ashtekar y Magnon además imponen las siguientes condiciones
- que el espacio-tiempo sea globalmente hiperbólico (
globally hyperbolic) - que la ecuación de ondas de una partícula masiva de espín 0 tenga soluciones suaves a partir de datos iniciales suaves
- que el espacio-tiempo sea globalmente hiperbólico (
- Bajo estas condiciones puede definirse la energía y dividir las soluciones en soluciones de frecuencia positiva y soluciones de frecuencia negativa
- las soluciones de frecuencia positiva corresponden a partículas
- las soluciones de frecuencia negativa corresponden a antipartículas
- como resultado, es posible una formulación de teoría cuántica de campos con un vacío que no colapsa, como en el espacio-tiempo de Minkowski
El mismo resultado no se aplica tal cual a los agujeros negros
- La solución de Schwarzschild (Schwarzschild solution) que describe un agujero negro estático también tiene un Killing field
- Pero ese Killing field deja de ser de tipo temporal en el horizonte de sucesos, por lo que el resultado de Ashtekar y Magnon no se aplica a los agujeros negros
- Una explicación más didáctica puede encontrarse en Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics, de Robert Wald
- en particular, la sección 4.3 trata la teoría cuántica de campos en stationary spacetimes
- La tesis doctoral de Valeria Michelle Carrión Álvarez, Loop Quantization versus Fock Quantization of p-Form Electromagnetism on Static Spacetimes, trata el caso del electromagnetismo
- Ashtekar, Magnon y Wald se enfocan sobre todo en el campo escalar masivo para simplificar
Los límites del periodismo científico y la revisión por pares
- El artículo de Wondrak, van Suijlekom y Falcke fue publicado en una revista de física prestigiosa, pero se ha planteado la posibilidad de que no haya sido revisado por especialistas del área
- Incluso si un artículo de física aparece en una revista de buena reputación, en lugar de creerle sin más conviene verificarlo con alguien que realmente entienda el tema o con un experto confiable
- Algunos medios de divulgación científica confiaron en comunicados de prensa sin validación experta y publicaron titulares del tipo “el universo terminará mucho antes de lo esperado”
- El resultado de que el campo gravitatorio de un objeto estático no crea pares partícula-antipartícula fue establecido rigurosamente hace décadas, y este nuevo cálculo aproximado se parece mucho más a una formulación improvisada y manual que a un aporte que arroje nueva luz sobre el problema
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Claro, quien dijo eso fue Gandalf. Antes de intentar refutarlo, quiero señalar que Gandalf es un mago que no necesita preocuparse por detalles menores como la continuidad espacio-temporal.
P.D.: https://quoteinvestigator.com/2014/07/13/truth/
En conclusión, la familia de expresiones que contrastan la velocidad de propagación de la mentira y la verdad ha evolucionado durante más de 300 años, y la frase que Jonathan Swift escribió en 1710 puede atribuirse legítimamente a él. Sin embargo, en esa frase todavía no aparece la metáfora de los zapatos.
Si no hay un pozo gravitacional cuya velocidad de escape supere la velocidad de la luz, no entiendo cómo se supone que ocurre la radiación de Hawking en este escenario.
Si tanto la partícula virtual como la antipartícula sobreviven, y ninguna cruzó el horizonte de sucesos, pronto desaparecerán.
Hasta donde sé, no hay una forma precisa y a la vez intuitiva y no matemática de explicarlo, así que los divulgadores científicos suelen describirlo de manera aproximada, de formas que pueden inducir a error a la audiencia.
El propio Hawking dijo que “puede imaginarse que justo fuera del horizonte de sucesos hay pares virtuales formados por una partícula de energía negativa y una partícula de energía positiva. Esta imagen del mecanismo que produce la radiación térmica y la disminución del área es solo heurística, y no debe tomarse demasiado literalmente”.
¿De verdad sigue siendo impactante hoy decir que “la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo solo puede ser consistente si el número bariónico no se conserva”? Me pareció una conclusión que se desprende lógicamente de la radiación de Hawking de los agujeros negros.
Hace mucho que ya me impactó, y pensé que ahora se aceptaba. Puede que los cálculos de los autores de ese paper estén equivocados, pero este post de blog, que suelta una frase así como si fuera una verdad demasiado obvia, no me da buena espina. La escritura emocional del tipo “si no estás de acuerdo, eres un tonto” no le queda bien a alguien cuyo trabajo es la persuasión científica.
Wikipedia[0] también cita al físico de gravedad cuántica del MIT Daniel Harlow diciendo que “la conservación del número bariónico no es consistente con la física de la evaporación de agujeros negros mediante radiación de Hawking”.
[0] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Baryon_number
Además, es John Baez. Es alguien que conoce bien su campo.
Hablando del punto real en disputa: lo impactante aquí es que afirman que el número bariónico no se conserva aunque no intervengan agujeros negros.
En “Comment on ‘Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation’”, Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas y Silvia Pla tratan las ecuaciones usadas en ese paper y proponen una forma mejor que usarlas así.
Explican que “se obtuvo al orden más bajo de la expansión perturbativa, mientras que la forma estándar de obtener el efecto Schwinger no perturbativo usando la aproximación de campo débil consiste en re-sumar todos los términos”.
También dicen que el método del paper criticado ni siquiera maneja correctamente los casos que aparecen en el contexto electromagnético, y que en el caso gravitacional es todavía más difícil. Es lo mismo que dijo Baez, pero el paper citado lo presenta con un tono y un método mucho más especializados.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.13...
Hasta ahora no han encontrado ninguna desintegración, y la conclusión es que la vida media del protón es de al menos 2.4E34 años. https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay#Experimental_evid...
También vi un artículo viejo de Quanta Magazine que describe un experimento con un enorme tanque de agua muy pura y muchos detectores. No hace falta ningún agujero negro. https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-u... (discusión en HN https://news.ycombinator.com/item?id=13201065)
En relación con eso de hablar como si fuera tan obvio que quien no esté de acuerdo es un tonto, también hay afirmaciones tan claramente falsas que quien las acepta queda como tonto. La gente sigue repitiendo las tonterías de Penrose, pero para que funcionen requieren un infinito temporal de tipo tiempo que no es físico.
La explicación actual de divulgación científica, casi de ciencia ficción, dice que uno puede caer en un agujero negro y que en el horizonte de eventos “no pasa nada en especial”. Y luego, casi en el siguiente párrafo, dice que un observador externo jamás puede observar que la víctima cae.
Dos observadores no pueden llegar a conclusiones distintas sobre un problema así. Para sostener eso, habría que creer que el universo se divide en algún momento y permite que los dos observadores discrepen, o renunciar a la lógica, la consistencia, los observadores y todo lo que uno valora como físico.
Si el observador externo no puede observar que la víctima cae, entonces la víctima nunca cae. Esa es la realidad objetiva. Si el diagrama de Penrose dice otra cosa, es porque incluye una cantidad infinita de tiempo no física.
Aunque un tiempo infinito fuera “alcanzable”, no sería matemáticamente sano ni tendría sentido físico, y de todos modos no importa porque existe la radiación de Hawking. La vida de un agujero negro es finita.
Solo hay una interpretación lógicamente consistente y físicamente sana: nada puede caer realmente hacia adentro. Un objeto entrante se ralentiza desde el marco externo y, desde el punto de vista de ese objeto, cuanto más se acerca al agujero negro, más rápido parece transcurrir el tiempo del agujero negro. Por lo tanto, la evaporación de Hawking también parece acelerarse. Para mantener la consistencia con el observador externo, esa evaporación debe ser lo bastante rápida como para que la víctima no llegue a ninguna superficie. En cambio, el agujero negro se aleja de ellos y se evapora cada vez más rápido.
Este modelo y otros similares pueden conservar todos los números cuánticos porque no tienen firewall, ni borde, ni nada que “reinicie” los campos cuánticos. Todo es continuo y consistente, y los números cuánticos también se conservan. El observador externo ve exactamente el mismo agujero negro que esperaría ver, y el agujero negro se comporta y se evapora de la misma manera.
Siento que todavía hay algo en el universo que se nos está escapando, y que las teorías de gran unificación de los próximos mil millones de años también van a pasarlo por alto.
Discusión de HN de ese momento:
Universe expected to decay in 10⁷⁸ years, much sooner than previously thought (phys.org) https://news.ycombinator.com/item?id=43961226 223 puntos, hace 5 días, 323 comentarios
Hace unos días escribí aquí un comentario bastante parecido
https://news.ycombinator.com/item?id=43964524
Sí, ese paper no tiene sentido. No hay mucho más que decir. En los servidores de preprints a veces aparecen textos del tipo que no pasaría una revisión por pares. ¿Se acuerdan del “superconductor” de Corea de hace unos dos años? La prensa debería tener cuidado al escribir sobre estas cosas
“Si yo fuera un periodista científico escribiendo un artículo sobre un avance supposedly impactante como este, habría enviado correos a algunos expertos para verificar si era real”
Con esa actitud, todos habríamos terminado creyendo que la Tierra es plana o que el Sol gira alrededor de la Tierra. Porque los expertos de la época también creían equivocadamente ambas cosas
Lo que este problema muestra no es tanto que los autores originales fueran tontos, sino que mucho conocimiento está encerrado en silos
Eso no es bueno si el objetivo es hacer avanzar el conocimiento de todos. Pase lo que pase en la academia, no es bueno que se esté fallando incluso entre campos relacionados relativamente cercanos
No creo que hayan sido tontos ni malintencionados, pero al impulsar un resultado tan inesperado sin consultar, quizá fueron algo imprudentes
1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory_in_curved...
Pero el mundo es complejo y es fácil equivocarse fuera del campo central de uno. El propósito del procedimiento científico es poner los resultados frente a ojos capaces de detectar errores. El post de blog enlazado es un ejemplo de eso. Entonces todos pelean o se ríen y el mundo sigue girando. El sistema funcionó
Lo que este procedimiento no hace bien es filtrar ideas nuevas antes de que la gente las convierta en titulares de noticias. Eso sin duda es malo, pero no es en absoluto un fracaso de la academia. Los ojos funcionaron correctamente
Podría haberse corregido. Dos años después podrían no seguir dando vueltas por el mismo desagüe, pero todavía lo hacen. Bastante típico y bastante aburrido
Entonces uno termina trabajando solo durante meses o años en algo sobre lo que alguien podría haber dicho “aquí hay un problema” mucho antes
En términos del mundo científico, es parecido a pulir con mucho esmero una rama antes de abrir un pull request y que te digan: “aquí hay una fuga de memoria enorme y, además, lo que quieres hacer ya se puede lograr usando otra API”
No sé muy bien si existe una solución a escala humana. El panorama de investigación es demasiado amplio como para conectar a todos con todos, lograr que todos los que necesitan ayuda reciban aportes valiosos y evitar que todos los que pueden ayudar queden sepultados bajo basura a medio cocinar. Incluso suponiendo que las motivaciones e incentivos de la investigación sean puros de arriba abajo. En la analogía del pull request, también existen cosas como los spammers de CVE
Al menos, si las universidades dejaran de querer publicar comunicados de prensa sobre cualquier cosa que parezca capaz de generar clics sin hacer la debida diligencia, quizá a veces se reduciría el espectáculo público fuera de la academia, pero eso no resolvería el problema de fondo
Si miras la discusión original del artículo en HN[1], hacia abajo hay un comentario de A_D_E_P_T que explica por qué el paper no tiene sentido y señala una de las refutaciones mencionadas en este texto. Ese comentario fue downvoteado por los lectores de HN. Lo sé porque cuando lo upvoteé hace unos días ya aparecía en gris
Así que no se trata de silos de conocimiento, sino de que la gente común como nosotros solo quiere hablar de los últimos avances sin mirarlos demasiado de cerca. Porque si miras a fondo, se arruina la diversión
[1] https://news.ycombinator.com/item?id=43961226
¿Hay una forma fácil de entender por qué un objeto con masa no emite radiación gravitacional? Se dice que un observador acelerado ve un mar de radiación térmica por algo llamado efecto Unruh
Si estás parado sobre un planeta, estás acelerando bajo la gravedad, ¿entonces no verías radiación de Unruh? ¿Esto está relacionado con la radiación de Hawking?
Este detalle me llamó la atención
“En [el paper de 1975], Ashtekar y Magnon también suponen que el espacio-tiempo es globalmente hiperbólico”
¿La suposición moderna no es que el espacio-tiempo es globalmente plano?
Que el espacio sea plano no es una suposición. La relatividad general no especifica la curvatura espacial global, así que también podría tener curvatura global negativa o positiva. Solo que hasta ahora no hay evidencia de eso
En los agujeros negros, considero que en esencia hay una “pérdida de una dimensión”. Explicar qué significa eso requeriría una historia mucho más larga, así que no voy a intentarlo aquí.
Por eso, el arreglo de tres quarks conocido como “barión” quizá se forme según la cantidad de dimensiones espaciales. Si 3 dimensiones == 3 quarks, entonces los bariones solo surgen en 3 dimensiones, y cuando la materia llega al horizonte de sucesos, los quarks podrían desgarrarse y reordenarse para convertirse simplemente en algo en lo que no existe eso llamado barión. Por ejemplo, como en un espacio bidimensional.
Me inclino a pensar que la “superficie” del horizonte de sucesos es donde se conservan las leyes, y que la singularidad, o quizá todo el interior del agujero negro, podría no existir en absoluto.
Muchos puntos en los que la relatividad “rompe” el espacio-tiempo —los problemas con el infinito y la división entre cero— pueden resolverse si se considera que desaparece una dimensión. Por ejemplo, la contracción de longitud comprime y elimina una dimensión a la velocidad de la luz, y la dilatación del tiempo también elimina una dimensión en el horizonte de sucesos o a la velocidad de la luz.
Si te pareció similar al principio holográfico, estás en lo correcto. Desde mi punto de vista, las propias ecuaciones de Lorentz expresan una forma de transformar suavemente un espacio de N dimensiones en un espacio de (N-1) dimensiones. Ocurre con una forma parecida a una curva exponencial que alcanza una asíntota justo en el punto donde se “pierde” la dimensión.
Creo que la razón por la que el “tiempo” siempre parece una dimensión especial en cualquier dimensionalidad es que es la dimensión que está “justo arriba” o “justo abajo” en la jerarquía dimensional. Por eso, en la fórmula de distancia del espacio de Minkowski, el “tiempo” debe tener el signo opuesto (+/-) al de las demás dimensiones, y eso se cumple tanto si se toma el signo del tiempo como positivo o negativo, es decir, sea cual sea la convención de signatura métrica.
Esto, por supuesto, significa que todo nuestro universo de 4 dimensiones es un espacio incrustado en un espacio mayor y, técnicamente, también es una especie de “horizonte de sucesos” desde una perspectiva de dimensiones superiores.