El universo no siempre es determinista

Bajo ciertas condiciones extremas, la teoría de la relatividad general de Einstein parece violar el determinismo, según un equipo internacional de físicos.

Este grupo ha demostrado que en un universo que se expande bajo la influencia de la constante cosmológica, los agujeros negros generados por el colapso de estrellas altamente cargadas eléctricamente deben contener una región donde las condiciones físicas no están fijadas por el estado inicial de esas estrellas y por ello es una región del universo no determinista.

La investigación rompe un consenso de 40 años, conocido como censura cósmica, y concluye que los signos de este indeterminismo del universo pueden aparecer en las detecciones de ondas gravitacionales.

Según explica la revista Physicsworld,  la mecánica de Newton nos permite, en principio, calcular el estado exacto de un sistema físico en cualquier punto en el futuro, siempre que conozcamos perfectamente su estado inicial.

Lo mismo ocurre con la relatividad general: un conocimiento preciso de la geometría del espacio y su tasa de variación en el presente nos permite en teoría predecir exactamente cómo evolucionará el espacio-tiempo. En consecuencia, la mayoría de los físicos consideran que la teoría de Einstein es completamente determinista.

Sin embargo, los agujeros negros cargados eléctricamente desafían esta imagen determinista del universo. La relatividad general  describe un agujero negro creado cuando una estrella esférica que está cargada eléctricamente colapsa sobre sí misma bajo la fuerza de la gravedad.

Oculto a la vista dentro del horizonte de sucesos (una hipersuperficie frontera del espacio-tiempo) de ese agujero negro, se encuentra un segundo límite conocido como el horizonte de Cauchy, más allá del cual el espacio-tiempo es suave pero indeterminado. En otras palabras, el futuro ya no se puede predecir.

Censor cósmico

Una idea presentada por el físico británico Roger Penrose en la década de 1970 parecía prohibir ese comportamiento no determinista. Su conjetura de "fuerte censura cósmica" establece que hay algún mecanismo dentro de la relatividad general, un censor, que prohíbe la aparición de los horizontes de Cauchy.

En el caso de un agujero negro cargado, Penrose calculó que incluso la más mínima perturbación en las condiciones iniciales de la estrella colapsada destruye el horizonte de Cauchy y cede una singularidad. En este punto de infinita curvatura espacio-tiempo, las ecuaciones de campo relativistas se rompen y el determinismo, o el indeterminismo,  dejan de ser un problema.

Pero en el nuevo trabajo, descrito en Physical Review Letters, Vitor Cardoso y sus colegas de la Universidad de Lisboa, encuentran que debe haber algunas circunstancias en las que no se forme la singularidad impuesta por la censura cósmica.

Consideraron el efecto neto de dos influencias opuestas en el horizonte de Cauchy: la amplificación de cualquier pequeña perturbación por la inmensa gravedad de un agujero negro, por un lado, y el efecto amortiguador del entorno externo del agujero negro, por el otro.

Específicamente, resolvieron lo que sucedería si una estrella altamente cargada colapsara en un universo cuya expansión está siendo acelerada por una constante cosmológica, como parece ser el caso de nuestro universo.

Universo no determinista

Para hacerlo, Cardoso y su equipo estudiaron las oscilaciones amortiguadas conocidas como modos cuasinormales. Han demostrado que cuando la estrella colapsada tiene suficiente carga, la amortiguación gana frente a la amplificación y las oscilaciones desaparecen rápidamente.

Como explica Cardoso, la carga y la constante cosmológica esencialmente proporcionan fuerzas de repulsión que contrarrestan la atracción de la gravedad y disminuyen sus efectos amplificadores.

El resultado, añaden, es que el horizonte de Cauchy está dañado pero no completamente destruido. Como tal, concluyen, hay una región dentro del agujero negro donde las ecuaciones de campo relativistas funcionan, pero donde el determinismo se descompone, abriendo la puerta a un universo no determinista.

Como señalan Cardoso y sus colegas en su artículo, no se espera que los agujeros negros cargados existan en la naturaleza. Es posible, sin embargo, que el problema se solucione observando las ondas gravitacionales.

Referencia

Quasinormal Modes and Strong Cosmic Censorship. Vitor Cardoso, João L. Costa, Kyriakos Destounis, Peter Hintz, and Aron Jansen. Phys. Rev. Lett. 120, 031103. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.031103