El espacio-tiempo emerge del entrelazamiento cuántico

Según la física, el cosmos es lo que es gracias a que las partículas subatómicas que lo conforman se relacionan entre ellas a través de cuatro interacciones fundamentales: la interacción nuclear fuerte, la interacción nuclear débil, la interacción electromagnética y la interacción gravitatoria.

Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones para tratar de desarrollar una Teoría del Todo que explique y conecte todos los fenómenos físicos conocidos, que dependen de cómo se relacionan las partículas entre sí.

Sin embargo, hasta ahora, solo se ha logrado unificar tres de esas cuatro fuerzas fundamentales del Universo. La gravedad se ha quedado fuera, porque este tipo de interacción es distinta a las otras y además, matemáticamente, no combina bien con ellas (en términos más técnicos, con la gravedad la renormalización no funciona).

Una explicación para la aparición del espacio-tiempo

Este es, a grandes rasgos, uno de los problemas más importantes de la física actual. Ahora, un equipo de investigadores cree haber encontrado una solución. Se trata de los científicos Hirosi Ooguri (Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo –IPMU- de la Universidad de Tokyo), Matilde Marcolli (matemática del Caltech de EEUU) y otros dos colaboradores llamados Jennifer Lin y Bogdan Stoica. Su descubrimiento aparecerá publicado en la revista Physical Review Letters.

Según informa el IPMU en un comunicado, Ooguri y su equipo han dado un paso significativo en concreto hacia la unificación de la relatividad general y de la mecánica cuántica. La primera teoría se centra en la fuerza de la gravedad y en fenómenos a gran escala, como la dinámica de las galaxias. La segunda, la teoría cuántica de campos, describe las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza, pero está centrada en el nivel subatómico y molecular.

El paso ha consistido en explicar cómo el espacio-tiempo surge del entrelazamiento cuántico (asociación de dos o más partículas subatómicas, de manera que se comporten como una sola, por mucha distancia que haya entre ellas). 

Principio holográfico: información, volumen

El principio holográfico es ampliamente considerado una característica esencial de la Teoría del Todo. Postula que toda la información contenida en cierto volumen de un espacio concreto se puede conocer a partir de la información codificable sobre la frontera de dicha región.

También establece que la gravedad en un volumen tridimensional puede ser descrita por la mecánica cuántica en una superficie de dos dimensiones, que rodea al volumen.

En particular, las tres dimensiones del volumen surgirían de esa superficie bidimensional. Sin embargo, la comprensión de los mecanismos precisos para que tal volumen surja no han podido definirse hasta ahora.

Como mirar una radiografía

Ooguri y sus colaboradores han encontrado que el entrelazamiento cuántico es la clave para resolver esta cuestión. Usando una teoría cuántica (que no incluye la gravedad), demostraron cómo calcular la densidad de energía -que es fuente de interacciones gravitacionales en tres dimensiones- utilizando datos de entrelazamiento cuántico en una superficie bidimensional.

Este cálculo sería análogo al diagnóstico de las condiciones del interior de un cuerpo, a partir del visionado de una radiografía de rayos X, registrada en láminas de dos dimensiones.

El desarrollo ha permitido a los investigadores interpretar las propiedades universales del entrelazamiento cuántico como condiciones en la densidad de energía que deben ser satisfechas por cualquier teoría cuántica consistente de la gravedad, sin llegar a incluir explícitamente la gravedad en la teoría. De este modo, Ooguri y colaboradores han demostrado que este entrelazamiento cuántico genera las dimensiones extra de la teoría gravitacional, siempre según el IPMU (así se unificaría “todo”).

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

La importancia del entrelazamiento cuántico ya había sido sugerida previamente, pero su papel exacto en la emergencia del espacio-tiempo no estaba claro hasta este trabajo.

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual los estados cuánticos de dos partículas subatómicas (como su espín o su polarización) situadas en diferentes lugares no se pueden describir de forma independiente.
De este modo, la medición (y, por tanto, la actuación) sobre una de esas partículas también afectará a la otra; una característica que Einstein describió como "acción fantasmal a distancia".

"Se sabía que el entrelazamiento cuántico se relaciona con cuestiones profundas de la unificación entre relatividad y mecánica cuántica, como la paradoja de la pérdida de información en agujeros negros o la paradoja firewall, nuestro artículo arroja nueva luz sobre la relación entre dicho fenómeno y la estructura microscópica del espacio-tiempo, a través de cálculos explícitos. La conexión entre la gravedad cuántica y la ciencia de la información se está haciendo cada vez más importante para ambos campos. Yo mismo estoy colaborando con científicos de la información para seguir adelante con esta línea de estudio”, concluye Ooguri.
 
Siempre se ha creído que la masa y la energía son los constituyentes básicos de la naturaleza pero, en los últimos años, el papel de la “información” como constituyente del mundo ha ido cobrando interés para la física, como puede verse en el presente trabajo.

Referencia bibliográfica:
 
Jennifer Lin, Matilde Marcolli, Hirosi Ooguri, Bogdan Stoica. Tomography from Entanglement. Actualmente en el repositorio de artículos arxiv.org.