inqnet/A. Müller (Caltech)
Los agujeros de gusano son un tropo clásico de la ciencia ficción en los medios populares, aunque solo sea porque proporcionan un dispositivo de trama futurista tan útil para evitar el problema de violar la relatividad con viajes más rápidos que la luz. En realidad, son puramente teóricos. A diferencia de los agujeros negros, que alguna vez se pensó que eran puramente teóricos, nunca se ha encontrado evidencia de un agujero de gusano real, aunque son fascinantes desde una perspectiva de física teórica abstracta. Se le puede perdonar que piense que el estado no descubierto ha cambiado si solo lee los titulares de esta semana que anuncian que los físicos han usado una computadora cuántica para hacer un agujero de gusano, informando sobre un nuevo artículo publicado en Nature.
Dejemos las cosas claras de inmediato: este no es un agujero de gusano atravesable de buena fe, es decir, un puente entre dos regiones del espacio-tiempo que conecta la boca de un agujero negro con otro, a través del cual puede pasar un objeto físico, en cualquier forma física real. sentido. «Hay una diferencia entre que algo sea posible en principio y posible en la realidad», dijo el coautor Joseph Lykken de Fermilab durante una rueda de prensa esta semana. «Así que no aguantes la respiración por enviar a tu perro a través de un agujero de gusano». Pero sigue siendo un experimento bastante inteligente e ingenioso por derecho propio que proporciona una tentadora prueba de principio para los tipos de experimentos de física a escala cuántica que podrían ser posibles a medida que las computadoras cuánticas continúan mejorando.
«No es real; ni siquiera se acerca a lo real; apenas es una simulación de algo que no se parece a lo real», escribió el físico Matt Strassler en su blog. «¿Podría este método conducir a una simulación de un agujero de gusano real algún día? Tal vez en un futuro lejano. ¿Podría conducir a hacer un agujero de gusano real? Nunca. No me malinterpreten. ¡Lo que hicieron es genial! Pero la exageración en el prensa? Salvajemente, espectacularmente exagerado «.
Entonces, ¿qué es esto que fue «creado» en una computadora cuántica si no es un agujero de gusano real? ¿Un análogo? ¿Un modelo de juguete? La coautora Maria Spiropulu de Caltech se refirió a él como un nuevo «protocolo de teletransportación de agujeros de gusano» durante la sesión informativa. Podrías llamarlo una simulación, pero como escribió Strassler, eso tampoco es del todo correcto. Los físicos han simulado agujeros de gusano en computadoras clásicas, pero no se crea ningún sistema físico en esas simulaciones. Es por eso que los autores prefieren el término «experimento cuántico» porque pudieron usar la computadora cuántica Sycamore de Google para crear un sistema cuántico altamente entrelazado y realizar mediciones directas de propiedades clave específicas. Esas propiedades son consistentes con las descripciones teóricas de la dinámica de un agujero de gusano atravesable, pero solo en un modelo teórico simplificado especial del espacio-tiempo.
Lykken lo describió a The New York Times como «el agujero de gusano más pequeño y horrible que puedas imaginar hacer». Incluso entonces, tal vez una «colección de átomos con ciertas propiedades similares a las de un agujero de gusano» podría ser más precisa. Lo que hace que este avance sea tan intrigante y potencialmente significativo es cómo el experimento se basa en algunos de los trabajos recientes más influyentes y emocionantes en física teórica. Pero para comprender con precisión lo que se hizo y por qué es importante, debemos emprender un viaje algo serpenteante a través de algunas ideas abstractas bastante embriagadoras que abarcan casi un siglo.
APS/Alan Stonebraker
Revisitando el principio holográfico
Comencemos con lo que popularmente se conoce como el principio holográfico. Como he escrito anteriormente, hace casi 30 años, los físicos teóricos introdujeron la teoría alucinante que postula que nuestro universo tridimensional es en realidad un holograma. El principio holográfico comenzó como una solución propuesta a la paradoja de la información del agujero negro en la década de 1990. Los agujeros negros, tal como los describe la relatividad general, son objetos simples. Todo lo que necesitas para describirlos matemáticamente es su masa y su giro, además de su carga eléctrica. Por lo tanto, no habría ningún cambio notable si arrojara algo a un agujero negro, nada que proporcionara una pista sobre qué podría haber sido ese objeto. Esa información se pierde.
Pero surgen problemas cuando la gravedad cuántica entra en escena porque las reglas de la mecánica cuántica sostienen que la información nunca se puede destruir. Y en mecánica cuántica, los agujeros negros son objetos increíblemente complejos y, por lo tanto, deberían contener una gran cantidad de información. Jacob Bekenstein se dio cuenta en 1974 de que los agujeros negros también tienen entropía. Stephen Hawking trató de demostrar que estaba equivocado, pero terminó demostrando que tenía razón y concluyó que los agujeros negros, por lo tanto, tenían que producir algún tipo de radiación térmica.
Entonces, los agujeros negros también deben tener entropía, y Hawking fue el primero en calcular esa entropía. También introdujo la noción de «radiación de Hawking»: el agujero negro emitirá una pequeña cantidad de energía, disminuyendo su masa en la cantidad correspondiente. Con el tiempo, el agujero negro se evaporará. Cuanto más pequeño es el agujero negro, más rápido desaparece. Pero, ¿qué sucede entonces con la información que contenía? ¿Se destruye realmente, violando así la mecánica cuántica, o se conserva de alguna manera en la radiación de Hawking?
Según el principio holográfico, la información sobre el interior de un agujero negro podría codificarse en su área de superficie bidimensional (el «límite») en lugar de dentro de su volumen tridimensional (el «bulto»). Leonard Susskind y Gerard ‘t Hooft extendieron esta noción a todo el universo, comparándolo con un holograma: nuestro universo tridimensional en todo su esplendor emerge de un «código fuente» bidimensional.
Juan Maldacena descubrió a continuación una dualidad crucial, técnicamente conocida como la correspondencia AdS/CFT, que equivale a un diccionario matemático que permite a los físicos ir y venir entre los lenguajes de dos mundos teóricos (la relatividad general y la mecánica cuántica). Las dualidades en física se refieren a modelos que parecen ser diferentes pero que se puede demostrar que describen una física equivalente. Es un poco como el hielo, el agua y el vapor son tres fases diferentes de la misma sustancia química, excepto que una dualidad mira el mismo fenómeno de dos maneras diferentes que están inversamente relacionadas. En el caso de AdS/CFT, la dualidad es entre un modelo de espacio-tiempo conocido como espacio anti-de Sitter (AdS), que tiene una curvatura negativa constante, a diferencia de nuestro propio universo de De Sitter, y un sistema cuántico llamado teoría de campo conforme (CFT). ), que carece de gravedad pero tiene entrelazamiento cuántico.
Es esta noción de dualidad la que explica la confusión del agujero de gusano. Como se señaló anteriormente, los autores del artículo de Nature no crearon un agujero de gusano físico: manipularon algunas partículas cuánticas enredadas en el espacio-tiempo plano ordinario. Pero se conjetura que ese sistema tiene una doble descripción como un agujero de gusano.