La teoría de cuerdas y la termodinámica de un agujero negro

Cuando Stephen Hawking describió la radiación de Hawking emitida por un agujero negro, tuvo que usar su intuición física y matemática, porque la física cuántica y la relatividad general no se reconcilian. Uno de los mayores éxitos de la teoría de cuerdas es en ofrecer una descripción completa de (algunos) los agujeros negros.

Radiación de Hawking se produce cuando la radiación es emitida por un agujero negro, haciendo que se pierda masa. Con el tiempo, el agujero negro se evapora en la nada (o casi nada).

Argumento incompleto de Stephen Hawking

Papel de Hawking sobre la forma en que un agujero negro irradia calor (también llamadas termodinámica) comienza una línea de razonamiento que no acaba de funcionar todo el camino hasta el final. En el medio de la prueba de que hay una desconexión, porque no existe la teoría de la gravedad cuántica que permitiría a la primera mitad de su razonamiento (basado en la relatividad general) para conectar con la segunda mitad de su razonamiento (basado en la mecánica cuántica).

La razón de la desconexión es que la realización de un análisis detallado de la termodinámica de un agujero negro implica examinar todos los posibles estados cuánticos del agujero negro. Pero los agujeros negros se describen con la relatividad general, que los trata como suave - no cuántica - objetos. Sin una teoría de la gravedad cuántica, no parece haber ninguna manera de analizar la naturaleza termodinámica específica de un agujero negro.

En el papel de Hawking, esta conexión se realiza por medio de su intuición, pero no en el sentido de que la mayoría de nosotros probablemente piensa en la intuición. El salto intuitivo que tomó fue la hora de proponer fórmulas matemáticas precisas, llamado factores cuerpo gris, a pesar de que no pudo probar absolutamente de donde vinieron.

La mayoría de los físicos están de acuerdo en que la interpretación de Hawking tiene sentido, pero una teoría de la gravedad cuántica podrían mostrar si un proceso más preciso podría tomar el lugar de su paso intuitivo.

La teoría de cuerdas puede completar el argumento

El trabajo de Andrew Strominger y Cumrun Vafa en la termodinámica de los agujeros negros es visto por muchos teóricos de cuerdas como la evidencia más poderosa en apoyo de la teoría de cuerdas. Mediante el estudio de un problema que es matemáticamente equivalente a los agujeros negros - un problema dual - calcularon con precisión las propiedades termodinámicas del agujero negro de una manera que hacía juego con el análisis de Hawking.

A veces, en lugar de simplificar un problema directamente, puede crear un problema dual, que es esencialmente idéntica a la que usted está tratando de resolver, pero es mucho más fácil de manejar. Strominger y Vafa utilizan esta táctica en 1996 para calcular la entropía de un agujero negro.

En su caso, se encontraron con que el problema dual de un agujero negro describe una colección de 1-branas y 5-branas. Estas " construcciones branas " son objetos que se pueden definir en términos de la mecánica cuántica. Ellos encontraron que los resultados coincidentes precisamente con el resultado de Hawking anticiparon 20 años antes.

Ahora, antes de que te emociones, la Strominger y Vafa resultados sólo trabajo para ciertos tipos muy específicos de los agujeros negros, llamados agujeros negros extremos. Estos agujeros negros extremos tienen la máxima cantidad de carga eléctrica o magnética que se permite sin hacer el agujero negro inestable. Un agujero negro extremo tiene la propiedad extraña de poseer la entropía, pero no hay calor o la temperatura. (La entropía es una medida del desorden, a menudo relacionada con la energía térmica, dentro de un sistema físico.)

Al mismo tiempo Strominger y Vafa estaban realizando sus cálculos, estudiante de Princeton Juan Maldacena estaba abordando el mismo problema (junto con el asesor de tesis Curt Callan). A las pocas semanas de Strominger y Vafa, habían confirmado los resultados y se extendió el análisis a los agujeros negros que son casi extremal. Una vez más, la relación se mantiene bastante bien entre estas construcciones branas y los agujeros negros, y el análisis de las construcciones branas produce los resultados Hawking prevé para los agujeros negros. Más trabajo se ha ampliado este trabajo aún más generalizada casos de agujeros negros.

Para obtener este análisis para el trabajo, la gravedad tiene que ser rechazado a cero, lo que ciertamente parece extraño en el caso de un agujero negro que es, literalmente, que se define por la gravedad. Apagado de la gravedad es necesaria para simplificar las ecuaciones y obtener la relación. Los teóricos de cuerdas conjeturan que por el aumento gradual de la gravedad de nuevo que terminarías con un agujero negro, pero los escépticos teoría de cuerdas señalar que sin gravedad que realmente no tiene un agujero negro.

Sin embargo, incluso un escéptico no puede dejar de pensar que debe haber algún tipo de relación entre las construcciones branas y los agujeros negros, ya que ambos siguen el análisis de la termodinámica Hawking creado 20 años antes. Lo que es aún más sorprendente es que la teoría de cuerdas no fue diseñado para solucionar este problema específico, pero lo hizo. El hecho de que el resultado queda fuera del análisis es impresionante, por decir lo menos.