Si los fotones no experimentan el tiempo, ¿por qué no pueden escapar de un agujero negro?

Velocidad de la luz:

Porque desde nuestro punto de vista la luz viaja a 300.000.000 m/s.

Si bien es cierto que vemos la luz viajando a$c = 3 \times 10^8 ~\textrm{ms}^{-1}$, es igualmente importante tener en cuenta que no solo nosotros vemos la luz viajando a esa velocidad. La velocidad de la luz es, de hecho, invariable para cualquier observador en el universo, independientemente de qué tan rápido o lento se esté moviendo a través del espacio.

Consulte este enlace sobre la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo para saber cómo cambia la escala de sus medidas a velocidades relativistas.

Agujero negro:

En su horizonte de sucesos, atrae el espacio hacia él más rápido que la velocidad de la luz debido al hecho de que aunque no se puede viajar por el espacio más rápido que la velocidad de la luz, el espacio mismo puede estirarse más rápido que la velocidad de la luz. Entonces esto explicaría por qué no podemos observar ninguna luz que escape del agujero negro.

Tienes razón en la primera afirmación. Sin embargo, en el Horizonte de Sucesos, un Agujero Negro no tira del espacio (tiempo y materia) simplemente para estirarlo/expandirlo. De hecho, deforma y reduce el espacio (el tiempo y la materia) infinitesimalmente hasta lo que se conoce como Singularidad . La atracción gravitatoria de un Agujero Negro en el Event Horizon es tan fuerte que cualquier cosa que caiga necesitaría una velocidad de más de$c$escapar. Y debido a que incluso la luz en sí misma solo puede viajar a$c$, siempre fallaría en escapar del agujero negro una vez atrapado en / dentro del Event Horizon.

Luz escapando del agujero negro.

Hay algunas cosas a considerar aquí. Así que ignoremos la luz/fotón por un breve momento.

Punto de vista de un observador cayendo dentro de un Agujero Negro:

Un observador$O_{bh}$caer dentro de un agujero negro estaría sujeto a una infinita dilatación del tiempo causada por su inmensa gravedad. Por lo tanto, dicho de manera simplista, desde el punto de vista de un observador externo$O_{ext}$, parecería que$O_{bh}$está casi atascado en el Event Horizon. Sin embargo, esto no es lo mismo que$O_{bh}$literalmente estar atrapado en el Event Horizon.$O_{bh}$no sentirían nada especial sucediendo con su experiencia del tiempo. En teoría, aún podrían experimentar golpear la singularidad en un tiempo finito... si pueden sobrevivir siendo espaguetizados primero, eso es.

Dentro del horizonte de eventos:

Ahora, antes de llegar a cualquier cosa que escape de un Agujero Negro, podemos comenzar a preguntarnos qué sucedería con la luz/fotón dentro de un Agujero Negro. Como señalaría la siguiente excelente sesión de preguntas y respuestas, cualquier cosa que caiga dentro de un Agujero Negro debe esencialmente renunciar a su estado original y reducirse a Singularidad.

¿Puede un agujero negro lo suficientemente grande estar libre de singularidades?

También es importante considerar que los fotones tienen una masa en reposo de cero . En otras palabras, nunca pueden estar en reposo. Sin embargo, interactúan fácilmente con cualquier otra partícula con masa, pueden ser absorbidos por dichas partículas y transferirles su energía, y luego esa partícula con masa puede detenerse.

Radiación de Hawking:

Ahora, se teoriza que los Agujeros Negros se evaporan en un tiempo finito a través de un mecanismo llamado Radiación de Hawking , aunque esto no se ha verificado ni ha pasado suficiente tiempo para que ningún Agujero Negro en el universo se evapore todavía. Se puede (¿posiblemente?) argumentar que la radiación de Hawking puede emitirse a través de / como fotones, ¡pero es un bocado demasiado grande para que yo lo mastique!

Sin embargo, con estos consejos anteriores, aquí hay algo que podría suponerse en su pregunta principal...

Con dos temas mutuamente conflictivos:

(a) Espacio-tiempo infinitesimalmente pequeño (Singularidad), y

(b) Sin quietud para los fotones

No se puede decir si un fotón sigue siendo un fotón una vez atrapado en el Horizonte de Sucesos de un Agujero Negro (¡incluso si pudiera escapar como tal más adelante!). Con esa incertidumbre, si todavía consideramos el caso especulativo de un fotón que escapa del Event Horizon debido a la Radiación de Hawking (nuevamente, sin tener ni idea de si es el mismo fotón que cayó en el Agujero Negro o uno nuevo que fue emitido debido a la radiación ), el tiempo que experimentaría / podría experimentar entre su captura y escape (que sin sentido sería cero, de todos modos) no es tan molesto como los otros problemas.

Finalmente, como texto de cierre, tal vez desee leer más sobre un problema no resuelto en Física, a saber: Paradoja de la información .