Scientists work on the boundaries of the unknown, where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty. And nothing is more uncertain– or potentially enlightening– than a paradox. Throughout history, paradoxes have threatened to undermine everything we know, and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world. Today, one of the biggest paradoxes in the universe threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics: the black hole information paradox.
Los científicos se dedican a investigar las fronteras de lo desconocido, donde cada nuevo conocimiento abre un camino hacia un vacío de incertidumbre. Y nada es más incierto, o potencialmente revelador, que una paradoja. A lo largo de la historia, las paradojas han desafiado la certeza de nuestro conocimiento y, asimismo, han reformulado nuestra percepción del mundo. Actualmente, una de las mayores paradojas del universo desafía con echar luz sobre el campo de la relatividad general y de la mecánica cuántica: la paradoja de la información en los agujeros negros.
To understand this paradox, we first need to define what we mean by "information." Typically, the information we talk about is visible to the naked eye. For example, this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny. But physicists are more concerned with quantum information. This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple, such as their position, velocity and spin. Every object in the universe is composed of particles with unique quantum properties.
Para comprender esta paradoja, es preciso definir primero qué entendemos por "información". En general, la información que solemos manejar se puede apreciar a simple vista. Por ejemplo, este tipo de información revela que esta manzana es roja, redonda y lustrosa. Pero los físicos centran su investigación en la información cuántica, es decir, en las propiedades cuánticas de todas las partículas que conforman esa manzana, como su posición, velocidad y rotación. Todos los objetos del universo están compuestos por partículas con características cuánticas únicas.
This idea is evoked most significantly in a vital law of physics: the total amount of quantum information in the Universe must be conserved. Even if you destroy an object beyond recognition, its quantum information is never permanently deleted. And theoretically, knowledge of that information would allow us to recreate the object from its particle components. Conservation of information isn’t just an arbitrary rule, but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built. But around black holes, those foundations get shaken.
Este concepto está claramente expresado en una ley fundamental de la física: toda la información cuántica del universo siempre se conserva. Si destruimos un objeto, aunque pierda su forma original, su información cuántica nunca desaparece de manera permanente. Y, en teoría, el acceso a dicha información nos permitiría recrear el objeto a partir de las partículas que lo componen. La conservación de la información no es tan solo una regla arbitraria, sino una necesidad matemática sobre la cual se construye gran parte de la ciencia moderna. Pero cuando de agujeros negros se trata, esos postulados colapsan.
When an apple enters a black hole, it seems as though it leaves the universe, and all its quantum information becomes irretrievably lost. However, this doesn’t immediately break the laws of physics. The information is out of sight, but it might still exist within the black hole’s mysterious void. Alternatively, some theories suggest that information doesn’t even make it inside the black hole at all. Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon. As the black hole’s mass increases, the surface of the event horizon increases as well. So it’s possible that as a black hole swallows an object, it also grows large enough to conserve the object’s quantum information. But whether information is conserved inside the black hole or on its surface, the laws of physics remain intact– until you account for Hawking Radiation.
Cuando una manzana entra en un agujero negro, parece como que se fuera del universo, y que toda su información cuántica se perdiera sin posibilidad de rescatarse. Pero este fenómeno no tiene por qué infringir las leyes de la física. La información desaparece a simple vista, pero podría seguir existiendo dentro del misterioso vacío de un agujero negro. Por otro lado, algunas teorías sugieren que esa información ni siquiera entra al agujero negro. Vista del exterior, es como si la información cuántica de la manzana estuviera codificada en la capa superficial del agujero negro, llamada "horizonte de eventos". A medida que la masa del agujero negro aumenta, también lo hace el horizonte de eventos. Es posible entonces que cuando un agujero negro absorbe un objeto, aumenta su tamaño de tal modo que puede conservar la información cuántica del objeto. De todas maneras, independientemente de dónde se conserve la información cuántica, las leyes de la física permanecen intactas... hasta que aparece la "radiación de Hawking".
Discovered by Stephen Hawking in 1974, this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating. Over incredibly long periods of time black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons. Critically, it seems as though the evaporating particles are unrelated to the information the black hole encodes– suggesting that a black hole and all the quantum information it contains could be completely erased.
Descubierto por Stephen Hawking en 1974, este fenómeno demuestra que los agujeros negros se están evaporando de a poco. A lo largo de períodos de tiempo increíblemente largos, los agujeros negros pierden masa al desprender partículas de su horizonte de eventos. Llama la atención que, al parecer, las partículas evaporadas no guardan relación con la información codificada en los agujeros negros, lo cual sugiere que un agujero negro y toda la información que contiene podrían desaparecer por completo.
Does that quantum information truly disappear? If not, where does it go? While the evaporation process would take an incredibly long time, the questions it raises for physics are far more urgent. The destruction of information would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms. But fortunately, in science, every paradox is an opportunity for new discoveries.
¿En verdad se pierde toda esa información cuántica? De no ser así, ¿adónde va? Si bien el proceso de evaporación tardaría una enorme cantidad de tiempo, los interrogantes que los físicos deben resolver son, sin duda, más urgentes. La destrucción de información nos obligaría a reescribir algunos de nuestros paradigmas científicos más importantes. Pero afortunadamente, en el campo de la ciencia, cada paradoja es una oportunidad para llegar a nuevos descubrimientos.
Researchers are investigating a broad range of possible solutions to the Information Paradox. Some have theorized that information actually is encoded in the escaping radiation, in some way we can’t yet understand. Others have suggested the paradox is just a misunderstanding of how general relativity and quantum field theory interact. Respectively, these two theories describe the largest and smallest physical phenomena, and they’re notoriously difficult to combine. Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes will come naturally with a “unified theory of everything.” But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox is the holographic principle. Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon can store quantum information, this principle suggests that the very boundary of the observable universe is also a 2D surface encoded with information about real, 3D objects. If this is true, it’s possible that reality as we know it is just a holographic projection of that information.
Los científicos buscan una amplia gama de posibles soluciones para abordar la paradoja de la información. Algunos sostienen que, en realidad, la información queda codificada en la radiación liberada mediante algún mecanismo que aún no hemos descifrado. Otros científicos sugieren que la paradoja es solo una mala interpretación de la manera en que interactúan la relatividad general y el campo cuántico. Cada una de estas teorías describen, respectivamente, los fenómenos físicos más grandes y más pequeños, y son extremadamente difíciles de combinar. Algunos científicos sostienen que la explicación de esta y otras paradojas surgirá naturalmente con una "teoría del todo". Pero la teoría más desconcertante que derivaría de esta paradoja sea el principio holográfico. Si expandimos la idea de que la superficie 2D de un horizonte de eventos puede almacenar información cuántica, este principio sugiere que la frontera misma del universo observable también es una superficie 2D con información codificada de objetos reales en 3D. Si esta hipótesis es correcta, puede ser que nuestra realidad conocida sea tan solo una proyección holográfica de dicha información.
If proven, any of these theories would open up new questions to explore, while still preserving our current models of the universe. But it’s also possible that those models are wrong! Either way, this paradox has already helped us take another step into the unknown.
De confirmarse alguna de estas teorías, surgirían nuevos interrogantes en tanto seguimos adhiriendo a los modelos actuales del universo. Pero también existe la posibilidad de que esos modelos sean erróneos. Como fuere, esta paradoja sin duda nos ha ayudado a dar otro paso adelante hacia lo desconocido.