Para comprender qué es una singularidad, imagina la fuerza de la gravedad comprimiéndote en un punto infinitamente diminuto, de modo que literalmente no ocupes ningún volumen. Eso suena imposible… y lo es. Estas «singularidades» se encuentran en los centros de los agujeros negros y al comienzo del Big Bang. Estas singularidades no representan nada físico. Más bien, cuando aparecen en las matemáticas, nos dicen que nuestras teorías de la física se están derrumbando y debemos reemplazarlas por una mejor comprensión.
¿Qué es una singularidad?
Las singularidades pueden ocurrir en cualquier lugar y son sorprendentemente comunes en las matemáticas que los físicos usan para comprender el universo. En pocas palabras, las singularidades son lugares donde las matemáticas «se portan mal», típicamente al generar valores infinitamente grandes. Hay ejemplos de singularidades matemáticas en toda la física. Por lo general, cada vez que una ecuación usa 1 / X, cuando X va a cero, el valor de la ecuación va al infinito.
La mayoría de estas singularidades, sin embargo, generalmente se pueden resolver señalando que a las ecuaciones les falta algún factor, o notando la imposibilidad física de llegar alguna vez al punto de singularidad. En otras palabras, probablemente no sean «reales».
Pero hay singularidades en física que no tienen resoluciones simples. Las más famosas son las singularidades gravitacionales, los infinitos que aparecen en la relatividad general de Einstein (GR), que es actualmente nuestra mejor teoría de cómo funciona la gravedad.
En la relatividad general, hay dos tipos de singularidades: singularidades coordinadas y singularidades verdaderas. Las singularidades de coordenadas ocurren cuando aparece un infinito en un sistema de coordenadas (una opción particular para registrar separaciones en el tiempo y el espacio) pero desaparece en otro.
Por ejemplo, el físico Karl Schwarzschild aplicó la relatividad general al sistema simple de una masa esférica, como una estrella. Descubrió que la solución contenía dos singularidades, una en el mismo centro y otra a cierta distancia del centro, conocida hoy como el radio de Schwarzschild. Durante muchos años, los físicos pensaron que ambas singularidades indicaban fallas en la teoría, pero no importaba siempre que el radio de la masa esférica fuera mayor que el radio de Schwarzschild. Todo lo que los físicos necesitaban era que GR para predecir la influencia gravitacional fuera de la masa, según la Universidad Estatal de San José .
Pero, ¿qué pasaría si un objeto se comprimiera por debajo de su propio radio de Schwarzschild? Entonces esa singularidad estaría fuera de la masa, y significaría que GR se está descomponiendo en una región que no debería.
Pronto se descubrió que la singularidad en el radio de Schwarzschild era una singularidad coordinada. Un cambio en los sistemas de coordenadas elimina la singularidad, salvando GR y permitiéndole seguir haciendo predicciones válidas que escribe el astrofísico Ethan Siegel en Forbes .
¿Dónde ocurren las singularidades gravitacionales?
(Crédito de la imagen: MARK GARLICK a través de Getty)
Pero la singularidad en los centros de masas esféricas permaneció. Si aprietas un objeto por debajo de su radio de Schwarzschild, entonces su propia gravedad se vuelve tan intensa que sigue apretándose por sí solo, hasta un punto infinitamente pequeño, según National Geographic .
Durante décadas, los físicos debatieron si era posible un colapso hasta un punto infinitamente diminuto o si alguna otra fuerza podía evitar el colapso total. Si bien las enanas blancas y las estrellas de neutrones pueden mantenerse indefinidamente, cualquier objeto de más de seis veces la masa del sol tendrá demasiada gravedad, abrumando a todas las demás fuerzas y colapsando en un punto infinitamente diminuto: una verdadera singularidad según la NASA .
¿Qué son las singularidades desnudas?
Estos son los que llamamos los agujeros negros: un punto de densidad infinita, rodeado por un horizonte de eventos ubicado en el radio de Schwarzschild. El horizonte de eventos «protege» la singularidad, evitando que los observadores externos la vean a menos que atraviesen el horizonte de eventos, según Quanta Magazine .
Los físicos pensaron durante mucho tiempo que en RG, todas las singularidades como esta están rodeadas por horizontes de eventos, y este concepto se conocía como la Hipótesis de la Censura Cósmica, llamada así porque se suponía que algún proceso en el universo impedía (o «censuraba») las singularidades. visible. Sin embargo, las simulaciones por computadora y el trabajo teórico han planteado la posibilidad de singularidades expuestas (o «desnudas»). Una singularidad desnuda sería solo eso: una singularidad sin un horizonte de eventos, completamente observable desde el universo exterior. Si existen tales singularidades expuestas sigue siendo un tema de considerable debate.
¿Qué hay realmente en el centro de un agujero negro?
Debido a que son singularidades matemáticas, nadie sabe qué hay realmente en el centro de un agujero negro. Para entenderlo, necesitamos una teoría de la gravedad más allá de GR. Específicamente, necesitamos una teoría cuántica de la gravedad, una que pueda describir el comportamiento de la gravedad fuerte a escalas muy pequeñas, según Physics of the Universe .
Las hipótesis que modifican o reemplazan la relatividad general para darnos un reemplazo de la singularidad del agujero negro incluyen estrellas de Planck (una forma exótica de materia altamente comprimida), gravastars (una capa delgada de materia sostenida por gravedad exótica) y estrellas de energía oscura (una forma exótica de materia). estado exótico de energía del vacío que se comporta como un agujero negro). Hasta la fecha, todas estas ideas son hipotéticas, y una respuesta verdadera debe esperar una teoría cuántica de la gravedad.
¿Qué es la singularidad del Big Bang?
(Crédito de la imagen: Shutterstock)
La teoría del Big Bang, que asume que la relatividad general es cierta, es el modelo cosmológico moderno de la historia del universo. También contiene una singularidad. En el pasado distante, hace unos 13.770 millones de años, según la teoría del Big Bang, todo el universo estaba comprimido en un punto infinitamente diminuto.
Los físicos saben que esta conclusión es incorrecta. Aunque la teoría del Big Bang tiene un enorme éxito al describir la historia del cosmos desde ese momento, al igual que con los agujeros negros, la presencia de la singularidad les está diciendo a los científicos que la teoría – nuevamente, GR – está incompleta y necesita ser actualizada.
Una posible solución a la singularidad del Big Bang es la teoría de conjuntos causales. Según la teoría de conjuntos causales, el espacio-tiempo no es un continuo uniforme, como lo es en GR, sino que está formado por fragmentos discretos, denominados «átomos de espacio-tiempo». Dado que nada puede ser más pequeño que uno de estos «átomos», las singularidades son imposibles, dijo a WordsSideKick.com Bruno Bento, un físico que estudia este tema en la Universidad de Liverpool en Inglaterra.
Bento y sus colaboradores están intentando reemplazar los primeros momentos del Big Bang utilizando la teoría de conjuntos causales. Después de esos momentos iniciales, «en algún lugar a lo largo de la distancia, el universo se vuelve lo suficientemente grande y ‘bien comportado’ como para que una aproximación espacio-tiempo continuo se convierta en una buena descripción y GR pueda tomar el relevo para reproducir lo que vemos», dijo Bento.
Si bien no existen soluciones universalmente aceptadas para el problema de la singularidad del Big Bang, los físicos tienen la esperanza de encontrar una solución pronto, y están disfrutando de su trabajo. Como dijo Bento, «siempre me ha fascinado el universo y el hecho de que la realidad tiene tantas cosas que la mayoría de la gente asociaría con la ciencia ficción o incluso la fantasía».
