Diagrama de un agujero de gusano, un "atajo" hipotético a través del universo entre partículas entrelazadas. Fuente: Wikimedia commons.
El entrelazamiento cuántico es una de las teorías más extrañas de la mecánica cuántica; tan extraña, de hecho, que Albert Einstein se refirió a ella como "acción fantasmal a distancia".
En esencia, esta propiedad implica a dos partículas, cada una ocupando varios estados al mismo tiempo, una condición conocida como superposición. Por ejemplo, ambas partículas pueden girar simultáneamente en sentido horario y en sentido antihorario. Pero ninguna de ellas tiene un estado definido hasta que se mide a alguna, haciendo que la otra partícula asuma inmediatamente el estado correspondiente a la primera. Las correlaciones resultantes entre las partículas se conservan, aunque estén en extremos opuestos del universo.
¿Cómo se produce esa comunicación?
¿Pero qué es lo que permite a las partículas comunicarse instantáneamente -y aparentemente más rápido que la velocidad de la luz- a distancias tan grandes? A principios de este año, un grupo de físicos propuso una respuesta en forma de "agujeros de gusano" o túneles gravitacionales.
El grupo demostró que, mediante la creación de dos agujeros negros entrelazados que se separaban a continuación, se formaba un agujero de gusano -esencialmente un "atajo" a través del universo-, que conectaba a los agujeros negros distantes entre sí.
Ahora, un físico del Massachusetts Institute of Technology (MIT, de Boston, EEUU) ha descubierto que, observada a través de la teoría de cuerdas, la creación de dos quarks - los bloques de los que están hechos los protones y los neutrones- entrelazados da lugar simultáneamente a un agujero de gusano que conecta el par.
Los resultados teóricos refuerzan la relativamente nueva y emocionante idea de que las leyes de la gravedad que mantienen unido el universo pueden no ser fundamentales, sino que surgen de algo más: el entrelazamiento cuántico.
Julian Sonner, un post-doc senior del Laboratorio de Ciencia Nuclear y Centro de Física Teórica de MIT, ha publicado sus resultados en la revista Physical Review Letters, donde aparece junto con un artículo relacionado de Kristan Jensen, de la Universidad de Victoria (Canadá) y Andreas Karch, de la Universidad de Washington (Seattle, EE.UU.)
La enmarañada red que es la gravedad
Desde que la mecánica cuántica fue propuesta por primera vez hace más de un siglo, el principal desafío para los físicos de ese ámbito ha sido explicar la gravedad en términos de la mecánica cuántica. Si bien la mecánica cuántica funciona muy bien en la descripción de las interacciones a nivel microscópico, no explica la gravedad, un concepto fundamental de la relatividad, una teoría propuesta por Einstein para describir el mundo macroscópico.
Por lo tanto, parece que hay una barrera importante para la conciliación de la mecánica cuántica y la relatividad general; durante años, los físicos han tratado de llegar a una teoría de la gravedad cuántica para casar los dos campos.
Una teoría de la gravedad cuántica sugiere que la gravedad clásica no es un concepto fundamental, como propuso Einstein por primera vez, sino que surge de un fenómeno más básico, basado en la cuántica. En un contexto macroscópico, esto significaría que el universo está formado por algo más fundamental que las fuerzas de la gravedad .
Aquí es donde el entrelazamiento cuántico podría desempeñar un papel. Podría parecer que el concepto de entrelazamiento -uno de los más fundamentales en la mecánica cuántica- está en conflicto directo con la relatividad general: dos partículas entrelazadas, "comunicándose" a través de grandes distancias, tendrían que hacerlo a velocidades superiores a las de la luz, lo que sería una violación de las leyes de la física, según Einstein.
Por consiguiente, puede resultar sorprendente que el uso del concepto de entrelazamiento para construir el espacio-tiempo sea un paso importante hacia la reconciliación de las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad general.
En esencia, esta propiedad implica a dos partículas, cada una ocupando varios estados al mismo tiempo, una condición conocida como superposición. Por ejemplo, ambas partículas pueden girar simultáneamente en sentido horario y en sentido antihorario. Pero ninguna de ellas tiene un estado definido hasta que se mide a alguna, haciendo que la otra partícula asuma inmediatamente el estado correspondiente a la primera. Las correlaciones resultantes entre las partículas se conservan, aunque estén en extremos opuestos del universo.
¿Cómo se produce esa comunicación?
¿Pero qué es lo que permite a las partículas comunicarse instantáneamente -y aparentemente más rápido que la velocidad de la luz- a distancias tan grandes? A principios de este año, un grupo de físicos propuso una respuesta en forma de "agujeros de gusano" o túneles gravitacionales.
El grupo demostró que, mediante la creación de dos agujeros negros entrelazados que se separaban a continuación, se formaba un agujero de gusano -esencialmente un "atajo" a través del universo-, que conectaba a los agujeros negros distantes entre sí.
Ahora, un físico del Massachusetts Institute of Technology (MIT, de Boston, EEUU) ha descubierto que, observada a través de la teoría de cuerdas, la creación de dos quarks - los bloques de los que están hechos los protones y los neutrones- entrelazados da lugar simultáneamente a un agujero de gusano que conecta el par.
Los resultados teóricos refuerzan la relativamente nueva y emocionante idea de que las leyes de la gravedad que mantienen unido el universo pueden no ser fundamentales, sino que surgen de algo más: el entrelazamiento cuántico.
Julian Sonner, un post-doc senior del Laboratorio de Ciencia Nuclear y Centro de Física Teórica de MIT, ha publicado sus resultados en la revista Physical Review Letters, donde aparece junto con un artículo relacionado de Kristan Jensen, de la Universidad de Victoria (Canadá) y Andreas Karch, de la Universidad de Washington (Seattle, EE.UU.)
La enmarañada red que es la gravedad
Desde que la mecánica cuántica fue propuesta por primera vez hace más de un siglo, el principal desafío para los físicos de ese ámbito ha sido explicar la gravedad en términos de la mecánica cuántica. Si bien la mecánica cuántica funciona muy bien en la descripción de las interacciones a nivel microscópico, no explica la gravedad, un concepto fundamental de la relatividad, una teoría propuesta por Einstein para describir el mundo macroscópico.
Por lo tanto, parece que hay una barrera importante para la conciliación de la mecánica cuántica y la relatividad general; durante años, los físicos han tratado de llegar a una teoría de la gravedad cuántica para casar los dos campos.
Una teoría de la gravedad cuántica sugiere que la gravedad clásica no es un concepto fundamental, como propuso Einstein por primera vez, sino que surge de un fenómeno más básico, basado en la cuántica. En un contexto macroscópico, esto significaría que el universo está formado por algo más fundamental que las fuerzas de la gravedad .
Aquí es donde el entrelazamiento cuántico podría desempeñar un papel. Podría parecer que el concepto de entrelazamiento -uno de los más fundamentales en la mecánica cuántica- está en conflicto directo con la relatividad general: dos partículas entrelazadas, "comunicándose" a través de grandes distancias, tendrían que hacerlo a velocidades superiores a las de la luz, lo que sería una violación de las leyes de la física, según Einstein.
Por consiguiente, puede resultar sorprendente que el uso del concepto de entrelazamiento para construir el espacio-tiempo sea un paso importante hacia la reconciliación de las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad general.
Por el túnel hacia la quinta dimensión
En julio, los físicos Juan Maldacena, del Instituto de Estudios Avanzados, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford (California, EE.UU.) propusieron una solución teórica en forma de dos agujeros negros entrelazados.
Cuando los agujeros negros estaban entrelazados, y luego se separaban, los teóricos encontraron que lo que surgía era un agujero de gusano, un túnel a través del espacio-tiempo que se cree que está sostenido por la gravedad. La idea parecía sugerir que, en el caso de los agujeros de gusano, la gravedad surge de un fenómeno más fundamental, los agujeros negros entrelazados.
Siguiendo el trabajo de Jensen y Karch, Sonner ha tratado de abordar esta idea a nivel de los quarks. Para ver lo que surge a partir de dos quarks entrelazados, primero generó quarks utilizando el efecto Schwinger, un concepto en la teoría cuántica que permite crear partículas de la nada. Más precisamente, el efecto, también llamado "creación de pares", permite que dos partículas surjan del vacío, "sopa de partículas efímeras".
Bajo un campo eléctrico se puede, como explica Sonner en la información de MIT, "atrapar un par de partículas" antes de que desaparezcan de nuevo en el vacío. Una vez extraídas, estas partículas se consideran entrelazadas.
Sonner mapeó los quarks entrelazados en un espacio de cuatro dimensiones, considerado una representación del espacio-tiempo. En cuanto a la gravedad, se considera que existe en la siguiente dimensión, ya que de acuerdo con las leyes de Einstein, actúa "curvando" el espacio-tiempo; es decir, que existe en la quinta dimensión.
La nueva geometría
Para ver qué geometría puede surgir en la quinta dimensión a partir de los quarks entrelazados en la cuarta, Sonner empleó la dualidad holográfica, un concepto de la teoría de cuerdas: Aunque un holograma es un objeto de dos dimensiones, contiene toda la información necesaria para representar una visión tridimensional. Esencialmente, la dualidad holográfica es una manera de derivar una dimensión más compleja a partir de la dimensión inmediatamente inferior.
Usando la dualidad holográfica, Sonner derivó los quarks entrelazados, y descubrió que lo que surgía era un agujero de gusano que conectaba a ambos, lo que implica que la creación de quarks crea al mismo tiempo un agujero de gusano.
A nivel más fundamental, los resultados sugieren que la gravedad puede, de hecho, emerger del entrelazamiento. Lo que es más, la geometría, o curvatura, del universo tal y como lo describe la gravedad clásica, pueden ser una consecuencia del entrelazamiento, como la existente entre los pares de partículas unidos entre sí por los túneles en forma de agujeros de gusano.
"Es la representación más básica hasta ahora que tenemos de cómo el entrelazamiento da lugar a una especie de geometría", explica Sonner. "¿Qué pasa si se pierde parte de este entrelazamiento, y qué le ocurre a la geometría? Hay muchos caminos que pueden recorrerse en esta investigación, y este trabajo puede llegar a ser muy útil en ese sentido".
En julio, los físicos Juan Maldacena, del Instituto de Estudios Avanzados, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford (California, EE.UU.) propusieron una solución teórica en forma de dos agujeros negros entrelazados.
Cuando los agujeros negros estaban entrelazados, y luego se separaban, los teóricos encontraron que lo que surgía era un agujero de gusano, un túnel a través del espacio-tiempo que se cree que está sostenido por la gravedad. La idea parecía sugerir que, en el caso de los agujeros de gusano, la gravedad surge de un fenómeno más fundamental, los agujeros negros entrelazados.
Siguiendo el trabajo de Jensen y Karch, Sonner ha tratado de abordar esta idea a nivel de los quarks. Para ver lo que surge a partir de dos quarks entrelazados, primero generó quarks utilizando el efecto Schwinger, un concepto en la teoría cuántica que permite crear partículas de la nada. Más precisamente, el efecto, también llamado "creación de pares", permite que dos partículas surjan del vacío, "sopa de partículas efímeras".
Bajo un campo eléctrico se puede, como explica Sonner en la información de MIT, "atrapar un par de partículas" antes de que desaparezcan de nuevo en el vacío. Una vez extraídas, estas partículas se consideran entrelazadas.
Sonner mapeó los quarks entrelazados en un espacio de cuatro dimensiones, considerado una representación del espacio-tiempo. En cuanto a la gravedad, se considera que existe en la siguiente dimensión, ya que de acuerdo con las leyes de Einstein, actúa "curvando" el espacio-tiempo; es decir, que existe en la quinta dimensión.
La nueva geometría
Para ver qué geometría puede surgir en la quinta dimensión a partir de los quarks entrelazados en la cuarta, Sonner empleó la dualidad holográfica, un concepto de la teoría de cuerdas: Aunque un holograma es un objeto de dos dimensiones, contiene toda la información necesaria para representar una visión tridimensional. Esencialmente, la dualidad holográfica es una manera de derivar una dimensión más compleja a partir de la dimensión inmediatamente inferior.
Usando la dualidad holográfica, Sonner derivó los quarks entrelazados, y descubrió que lo que surgía era un agujero de gusano que conectaba a ambos, lo que implica que la creación de quarks crea al mismo tiempo un agujero de gusano.
A nivel más fundamental, los resultados sugieren que la gravedad puede, de hecho, emerger del entrelazamiento. Lo que es más, la geometría, o curvatura, del universo tal y como lo describe la gravedad clásica, pueden ser una consecuencia del entrelazamiento, como la existente entre los pares de partículas unidos entre sí por los túneles en forma de agujeros de gusano.
"Es la representación más básica hasta ahora que tenemos de cómo el entrelazamiento da lugar a una especie de geometría", explica Sonner. "¿Qué pasa si se pierde parte de este entrelazamiento, y qué le ocurre a la geometría? Hay muchos caminos que pueden recorrerse en esta investigación, y este trabajo puede llegar a ser muy útil en ese sentido".
Referencia bibliográfica:
Julian Sonner. Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement. Physical Review Letters (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.211603.
Julian Sonner. Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement. Physical Review Letters (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.211603.