La luz gravita, aunque no tiene masa, porque tiene densidad de energía, que es la fuente de la gravitación. John A. Wheeler (1955) especuló que podrían existir «estrellas de luz», a las que llamó geones. Por desgracia, son inestables bajo pequeñas perturbaciones, colapsando en un agujero negro, bautizado como kugelblitz. Este hipotético agujero negro formado por el colapso gravitacional de radiación electromagnética está descrito por una solución exacta de las ecuaciones de Einstein–Maxwell para el vacío. Solo hay un problema, durante el colapso los campos electromagnéticos son tan intensos que se producen pares electrón-positrón por el efecto de Schwinger y por el proceso de Breit–Wheeler. Se publica en Physical Review Letters un cálculo de estos efectos cuánticos producen una disipación de energía que impide que se forme un kugelblitz con un radio entre 10⁻²⁹ m y 10⁸ m, es decir, con una masa entre 0.67 gramos y 33.8 masas solares. El cálculo usa ciertas simplificaciones, como que el kugelblitz tiene simetría esférica; según los autores una futuro cálculo más general permitirá demostrar que es imposible formar un kugelblitz de cualquier masa. Por ello concluyen que no es posible crear un agujero negro a partir de luz.
Como ya habrás notado, mi titular sigue la ley de los titulares de Betteridge. El cálculo considera un kugelblitz con simetría esférica en un espaciotiempo de Minkowski. Se estima la intensidad máximo del campo eléctrico durante el colapso gravitacional, que resulta ser enorme (inconcebible en cualquier contexto astrofísico); se estima un campo de 10²⁷ V/m, cuando las magnetars más intensas alcanzan 10¹⁹ V/m y en laboratorio hemos alcanzado 10¹⁵ V/m. En intensidad, para un agujero negro con un radio de 1 metro se obtiene 10⁸³ W/m² (unos 50 órdenes de magnitud mayor que lo se puede conseguir con un láser en laboratorio, unos 10²⁷ W/m². Con intensidades tan enormes, el efecto de Schwinger es imposible de evitar; se aproxima su efecto como una disipación de energía, en concreto, para una esfera que emite pulsos de radiación luminosa con forma de sech²(τ). El resultado obtenido es que la fuente de radiación electromagnética original que supera el límite para el colapso se disipa más rápido de lo que ocurre el colapso, siendo imposible que se acabe formando un agujero negro (kugelblitz). Por supuesto, el cálculo es muy simplificado; pero quizás esa es su gran ventaja, pues es muy fácil de entender y resulta muy razonable (si eres físico te recomiendo consultarlo).
El rey de los cálculos de servilleta, el famoso Abraham Loeb (Univ. Harvard), no se ha podido resistir. Ha criticado el cálculo publicado porque usa un espaciotiempo de Minkowski; en su opinión, si se tienen en cuenta los efectos de la curvatura del espaciotiempo sobre la distribución de la luz el colapso nunca se podrá evitar. En su opinión (pues no ofrece ningún cálculo de servilleta), se pueden formar agujeros negros primordiales, incluso con masa estelar, a partir de luz (campos electromagnéticos en los primeros instantes del universo tras la inflación cósmica). Por supuesto, los autores le han contestado afirmando que su crítica es inapropiada. Los posibles efectos de la curvatura del espaciotiempo sobre la distribución de luz durante el colapso son despreciables comparados con los efectos disipativos debidos al efecto de Schwinger. El colapso se detiene mucho antes de alcanzar el momento en el que la curvatura pueda dominar a la disipación. No se pueden formar agujeros negros primordiales por el colapso de radiación. Para convencer a Loeb presentan un pequeño cálculo de servilleta que apoya su respuesta.
Para quienes trabajamos en física computacional, lo que se necesita es una simulación del colapso gravitacional de un geon electromagnético. No creo que nadie se atreva a perder el tiempo haciéndola. Pero quien sabe, hay gustos para todo. Si eres físico te recomiendo disfrutar del artículo de Álvaro Álvarez-Domínguez, …, Eduardo Martín-Martínez, José Polo-Gómez, «No Black Holes from Light,» Physical Revievew Lett. 133: 041401 (26 Jul 2024), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.041401, arXiv:2405.02389 [gr-qc] (03 May 2024); a nivel divulgativo recomiendo Philip Ball, «Black Holes Can’t Be Created by Light,» APS Physics 17: 119 (26 Jul 2024) [https://physics.aps.org/articles/v17/119], y este hilo en 𝕏 de Gastón Giribet. También cito a Abraham Loeb, «Comment on «No Black Holes from Light» [arXiv:2405.02389],» arXiv:2408.06714 [gr-qc] (13 Aug 2024), y Álvaro Álvarez-Domínguez, Luis J. Garay, …, José Polo-Gómez, «Reply to Comment on «No Black Holes from Light» [arXiv:2408.06714],» arXiv:2408.11097 [gr-qc] (20 Aug 2024).
Por cierto, la imagen que abre esta pieza es una recreación artística del colapso de un geon de Wheeler según ChatGPT (GPT-40) gratuito. Me ha parecido más atractiva que usar algunas fórmulas matemáticas del artículo en PRL.
Otra vez el efecto Schwinger…
Hay comprobacion experimental del mismo?
Saludos.
No, Alejol9, todavía no disponemos en laboratorio de campos con la intensidad suficiente. Pero es una consecuencia trivial de la QED; además, en colisiones de partículas se observa un análogo físico (que según la matemática de la teoría cuántica de campos es equivalente a una observación indirecta de dicho efecto). Nadie tiene dudas de que el efecto existe desde que fue propuesto en 1951 (la QED en su versión actual nació entre 1947 y 1949).
«Ha criticado el cálculo publicado porque usa un espaciotiempo de Minkowski; en su opinión, si se tienen en cuenta los efectos de la curvatura del espaciotiempo sobre la distribución de la luz el colapso nunca se podrá evitar.»
Ví hace poco un video interesante de una investigadora del perimeter en un coferencia, a saber, https://youtu.be/aVwbApqpjy8?feature=shared, en el que se trata la idea de superposición de campo gravitacional en cuántica. Una de las conclusiones, cito literalmente, «gravitationally induce entanglement».
Suponiendo que sea cierto y uniéndolo a lo aquí tratado, el efecto del entrelazamiento en un colapso gravitacional como el descrito en el artículo no sería despreciable, de hecho, a más curvatura menos despreciable será el efecto del entrelazamiento.
Loeb en su afán por ser el primero en decir algo que no dijo nadie nunca acaba de apostar al rojo en este asunto (a ver si cuela), pero los autores han apostado al negro habiendo hecho los mismos cálculos que Loeb, ninguno ya que esos cálculos en última instancia dependen de una teoría de gravedad cuántica completa que no tenemos.
Deben introducir la curvatura y ver que sucede además de tener en cuenta correctamente las consideraciones cuánticas, el espacio-tiempo puede curvarse de muchas manera. Del artículo podemos concluir que en las condiciones propuestas por los autores no hay kugelblitz y esto es cierto, pero las condiciones elegidas por los autores tampoco son realistas.
Correcto. Por ahora todos son experimentos mentales de condiciones extremas basados en una física incompleta.
En la naturaleza, vale. Pero que pasaria si se elevara la frecuencia de un foton hasta llevarlo a limite ultimo? Me explico mejor: supongamos que tenemos un mecanismo de Penrose para sacar energia de un agujero negro rotante. Vamos a aumentar cada vez mas su frequencia con algun sistema de refleccion muy avanzado (es un experimento mental) y lo llevamos a tener la frecuencia maxima admitible, digamos que sus ondas tienen una frequencia del orden de f=1/tiempo de Planck. Ya que su energia es dada por E=hf, este limite es de E=h/Tp. Que pasaria al pobre fotoncito si lo lanzaramos una ultima vez hacia el agujero negro para sacarle momento angular y aumentar su frecuencia a E>>h/Tp? Quien sabe ajaja…
Thomas, con las ideas (especulaciones) actuales, la energía máxima de una partícula fundamental (sea fotón o sea electrón) es la escala de Planck. A dicha escala el concepto de partícula no es aplicable. El límite último de la frecuencia, que es proporcional a la energía, del fotón es la frecuencia de Planck; más allá, ni se puede hablar de partícula, ni se puede hablar de frecuencia. Según las ideas vigentes.
Apasionante, gracias Francis. Es una pregunta que me había hecho hace tiempo y parece que no es posible formar un agujero negro.
Apuesto a la menor: sólo utilizando fotones ¿será posible curvar el espacio de tal forma que lo podamos medir?
Cuidado, con esto, no deduzcas de mi pieza, ni del artículo de estos investigadores, que no se puede formar un agujero negro de radiación. Solo se ha ofrecido un argumento muy simplificado y fácil de entender que sugiere que no se puede formar. Pero, cuidado, en ciencia suele ser habitual que este tipo de argumentos sean incorrectos.
Dato curioso: El artículo original tiene los autores ordenados alfabéticamente, pero en las citas en esta pieza se ha decidido suprimir el tercer autor y solo el tercero de los autores (lo cual me ha chocado un poco al verlo) “Álvaro Álvarez-Domínguez, Luis J. Garay, …, José Polo-Gómez, «No Black Holes from Light,» Physical Revievew [sic] Lett. 133: 041401 (26 Jul 2024)”. El orden alfabético típicamente significa que ninguno de los autores ha contribuido más que los demás.
Por referencia, los puntos suspensivos se refieren a solamente un autor. (Prof. Eduardo Martin-Martinez, que según esto https://www.firstprinciples.org/article/what-are-kugelblitze-and-why-can-t-they-exist fue el que tuvo la idea original hace 10 años). Llegue aquí después de leer este artículo en el link y me pareció una omisión curiosa.
Esteban, gracias por el comentario; en este blog tengo que usar un convenio (pues hay artículos con miles de autores, o incluso con solo decenas de autores). Mi convenio es poner tres autores, el primero y el último, y algún autor intermedio. Como los cuatro autores son citados dos veces, quizás convendría poner el segundo en una cita y el tercero en otra. Lo cambio.
leo este articulo escuchando «I’m your Captain» de Grand Funk (me ayudo a cuasi entenderlo) y en la figura he ahi de nuevo la secuencia Fibonacci.
«aunque no tiene masa, porque tiene densidad de energía», aunque siguiendo la formula del principio de equivalencia lorentziano y einsteiniano tiene masa aunque no se la confiera el Higgs y E=mxc2. El Higgs tampoco es dador en gluones y quarks partones hadrones bariones nucleones de la interaccion fuerte en protones y neutrones, y siendo dador en leptones o quiza en axiones o en neutrinos esteriles de materia oscura que carece de carga electrica por no ser materia barionica… la densidad de energia gravita por su masa inherente se sabe desde Maxwell y Lorentz cuando Einstein no habia nacido. Gracias por no delette aplicar a este polemista comentario, se trata siempre de aprender.
Wachovsky, en la relatividad general lo que gravita es la densidad de energía y momento lineal. En tu opinión, como en la teoría newtoniana lo que gravita es la masa entonces la densidad de energía gravita por que es equivalente a una densidad de masa. Esto es falso de toda falsedad. Lo siento, Wachovsky, por mucho que te guste Newton, tu comentario es falso. La ciencia avanza y convierte en obsoleto el pasado.
Así expuesto, dogmático, lo que antigravita es la materia exótica, pues tiene presión, densidad y energía negativas.
Cuidado, la materia exótica es un cajón de sastre que incluye decenas de estados diferentes de la materia, y solo los más especulativos antigravitan, todos los demás gravitan.
He aprendido mucho leyendote Villatoro. Las gracias a tu aporte sobre mi comprensión de tantísimas cosas, tu divulgación vale el oro que nuestro sol no puede sintetizar, y la antimateria que tampoco.
Un agujero negro de solo radiación sin material masivo y con carga eléctrica no sería posible. Los pares positronio y leptón del que conocemos lo tomarían todo y la curvatura por densidad de alta energía no prospera allí. Supongo el límite último para el cálculo es la densidad de Planck.
Enganchando con la afirmación de que el limite de la frecuencia de un fotón es la longitud de Planck me pregunto:¿La frecuencia de un fotón no depende del sistema de referencia desde el que se la mida? ¿Para un fotón dado cualquiera no se posible elegir un sistema en el que por efecto Doppler relativista, tengo cualquier energía posible? El argumento parece llevar a un callejón sin salida, pero no se como salir de él.
Luis, el límite para la energía de un fotón (partícula fundamental del campo electromagnético) es la energía de Planck (10¹⁹ GeV); esto implica una frecuencia máxima para ese fotón (3 × 10⁴² Hz). Aunque solo una futura teoría cuántica de la gravitación podrá explicar qué es un fotón con la energía de Planck, si se puede alcanzar dicha energía, o incluso si es posible superarla en algún sentido.
El efecto Doppler relativista corresponde a la frecuencia medida de un fotón desde cierto sistema de referencia; como es obvio, desde dos sistemas de referencia diferentes se medirán frecuencias aparentes diferentes; pero estas frecuencias aparentes no afectan a la frecuencia del fotón. La frecuencia aparente no está sujeta a ningún límite (salvo que debe ser positiva); aunque solo en teoría, pues en la práctica no es posible medir una frecuencia aparente de un fotón por encima de la frecuencia de Planck, pues en el proceso de medida habría que explorar distancias menores que la escala de Planck.
Supongamos que es correcto y un kugelblitz no es posible, ¿entonces los geones sí?
Perdón si la pregunta es trivial. No conocía ninguno de los dos «objetos» y me ha llamado la atención que uno se dedujera tratando de demostrar la imposibilidad del otro.
Enfant, los kugelblitz fueron propuestos como resultado del colapso de un geón, pero podrían ser resultado del colapso de otras distribuciones de campo electromagnético. El nuevo artículo lo único que propone es que en dicho colapso (sea de un geón o de otro objeto) se esquiva la formación de un kugelblitz, nada más. El nuevo artículo no ofrece ninguna información sobre la posible existencia de los geones. Si los kugelblitz no pueden existir, no podemos decir nada sobre la existencia o inexistencia de los geones, o de cualquier otra distribución de campo electromagnético.
Gracias por tu tiempo, has aclarado mi duda totalmente (y eso que no la expresé muy bien).
las gravitondas y partículas gravitacionales viajan también al límite por permeabilidad magnética y permitividad eléctrica, casi 300.000 km/seg, la velocidad del invariante luminoso y chorro de fotones… pero por qué?
Porque lo que gravita es la densidad de energía y esta energía cual si fuese luz está delimitada por permeabilidad magnética y permitividad eléctrica en el vacío, los campos EM terminan conformando el desplazamiento en el espaciotiempo de un tipo de densidad energética la densidad gravitatoria de la masa en E=mc^2. Aunque mejor sería decir que la estructura del espaciotiempo, su simetría invariante por topología y geometría inherente es lo que ordena el desplazamiento de la densidad de energía que gravita.
Le impone al «fluido» su «viscosidad» de desparrame o tránsito. Sigue siendo un sendero para ir al encuentro de una teoría de la gravitación de campos cuánticos.
Wachovsky, hay una velocidad límite, la velocidad de Einstein. Toda propagación de energía sin masa se tiene que propagar a la velocidad de Einstein. Por ejemplo, las ondas electromagnéticas, pues el electromagnetismo de Maxwell predice que se propagan sin masa, que implica que el fotón no tiene masa, y las ondas gravitacionales, pues la gravitación de Einstein predice que se propagan sin masa, que implica que el gravitón, si existe, no tendrá masa.
exactamente como el fotón de masa cero, sin fotino, un gravifotón seguiría siendo de espín entero 2 y graviescalar con ese fotón boson de spin entero pero 1, ambos con masa 0 o pseudo 0 y 0 además por carga espin-material eléctrica PERO con una diferencia en frecuencia y densidad de energía de Planck notable, de muchos órdenes de magnitud por problema de Jerarquía endógeno no develado, un gravitón tendría un espacio mucho mayor en el tejido y con esa frecuencia menor a cualquier otro fotón invisible X o gamma le gana a una onda de radio y hasta de audio, ese gravitón que no se deja domesticar por renormalización
En teoría de cuerdas bosónicas se predice el gravitón (espín 2), el dilatón (espín 0) y el gravifotón o bosón gauge del campo de Kalb-Ramond (espín 1), todos ellos de masa cero. En la teoría de supercuerdas, tienen asociados gravitinos (espín 3/2), dilatinos (espín 1/2) y fotinos (espín 1/2), cuyo número depende del número de supersimetrías, todos sin masa, pero pueden adquirirla en la rotura de la supersimetría.
pero el dilaton no es vectorial sino escalar entiendo, yo no se acoplar esas formas, fuerzas o simetrias-energias gauge, hasta antimateria es entendible; porque ambos foton y graviton son bosones tensoriales y Dirac no los pudo unificar, ni Feynman, ni Weinberg, ni Witten ni Einstein, Weyl, Kaluza, Los Calabi-Yau, ni Planck, Maldacena? Rovelli? Penrose? o un equipo interdisciplinario. Gracias Francis, sabemos que no hay como constatar en un acelerador circular tantas elucubraciones en esos campos hechos cerebro que crean los campos de la materia decia Maxwell unificador.
Wachovsky, espín 0 significa escalar, espín 1 vectorial y espín 2 tensorial. El dilatón es un escalar (campo cuántico con una sola componente), el fotón es vectorial (campo cuántico con tres componentes que se reducen a dos porque es sin masa) y el gravitón es tensorial (campo con cinco componentes que se reducen a dos porque es sin masa). No se sabe si el gravitón existe, luego es imposible unificar lo que existe (el fotón) con lo que quizás no exista (el gravitón); la teoría de cuerdas propone que existe el gravitón y logra su unificación con el fotón (ambos son excitaciones del mismo tipo de cuerda).
Francis, tengo una duda sobre lo tratado en el artículo, extendamos por un momento la afirmación de los autores y supongamos que en ningún caso podemos formar un agujero negro con fotones, ¿contradice la lección fundamental de «lo que gravita es la densidad de energía»?
Quiero decir, si los fotones NO pudieran formar agujeros negros en ningún caso podríamos tener cierta densidad de energía, la necesaria para formar un agujero negro, pero no tendríamos agujero negro. ¿tener cierta densidad de energía entonces es condición necesaria o suficiente para haber un agujero negro?
Diría que para no contradecir «lo que gravita es la densidad de energía» debe existir al menos un caso de agujero negro fotónico tras introducir la curvatura en el estudio, ¿qué opinas?
Sucede que la densidad de energia y hasta el limite de Planck tiene una distribucion y composicion respecto del tipo de campos que fuerzas son geometrias operadores, para el caso el mismo campo fotonico, ese que Wheeler junto al querido Feynman llevaban hasta lo exasperante en fantasia de decir es uno y el mismo para todo el universo, el graviton existiendo conforma otra distribucion cual ley cinetica de gases a lo Gay-Lussac y el lagrangiano es el operador de ese fluido, cuerpo y viscosidad entiendo, los fotones solos no podrian colapsar y por efecto Schwinger, el profesor de Glashow, que junto a Weinberg unificaron los bosones masivos con el foton y los leptones fermionicos, alli donde los anteriores -en 14 años- Nobel Feynman/Schwinger/Tomonaga no supieron llegar luego… y ahora en Higgs estamos.
No entiendo lo que quieres decir, Wachovsky. Las frases sin sentido lo único que hacen es confundir a otros lectores. Mezclar nombres de científicos sin sentido no conduce a nada.
P, no has entendido mi pieza. La luz gravita porque tiene densidad de energía. Punto. Y los autores lo usan en su cálculo. Lo que afirman es que en el colapso de una distribución de luz (campo electomagnético), se evita el colapso porque se disipa energía (por efecto Schwinger) más rápido que el colapso, con lo que al final la condición de colapso se incumple antes de finalizar y no ocurre el colapso. Nada más, solo discuten como se evita el colapso. Recuerda que antes de los teoremas de Penrose se pensaba que las inhomogeneidades y anisotropías de la materia estelar durante el colapso podían evitar el colapso (lo que en ningún caso se podía interpretar como que la materia no gravitase).
Forman un condensado de Bose-Einstein por ejemplo los fotones con cierta energia, aunque desconozco los procedimientos y tengo que ponerme a leer al respecto (ni en Tik-Tok ni en el chat de la IA se consigue… solo en este blog rudo, arduo y duro)
No, Wachovsky, solo los bosones con masa pueden formar un condensado de Bose-Einstein.
Cierto, mis disculpas, no hay condensados de fotones gamma