El entrelazamiento y los agujeros de gusano.

Los agujeros de gusano —túneles a través del espacio-tiempo que conectarían los agujeros negros— pueden ser una consecuencia de la extraña propiedad cuántica conocida como entrelazamiento. Esta redefinición resolvería una acuciante paradoja: que uno puede ser incinerado en vez de resultar aplastado en caso de caer en un agujero negro.

Definir qué cartel indicador de peligro habría que colocar en las cercanías de un agujero negro no es precisamente un problema cotidiano. Para los físicos teóricos, sin embargo, revela una incoherencia entre la mecánica cuántica y la relatividad general. La solución de este acertijo podría dar lugar a la deseada teoría cuántica de la gravedad.

La relatividad dice que si usted cae en un agujero negro, moriría por “espaguetización“: un estiramiento gradual causado por fuerzas gravitatorias cada vez más intensas. Pero el año pasado, cuando Joseph Polchinski en la Universidad de California en Santa Bárbara y sus colegas exploraron las implicaciones cuánticos de los agujeros negros, se toparon con un problema. Los agujeros negros emiten fotones a través de algo a lo que se le ha llamado radiación de Hawking, y ésta se encuentra “entrelazada” con el interior del agujero negro, y también con los demás. Esto rompe una regla cuántica de que las partículas no pueden estar entrelazadas con dos cosas a la vez.

Para preservar la monogamia cuántica (sólo dos partículas pueden estar entrelazadas cuánticamente), el año pasado Polchinski sugirió que el entrelazamiento de fotones se rompe en el agujero negro. Esto crea una pared de energía en el horizonte de sucesos del agujero negro que destruye la relatividad, porque cualquier persona que cae será incinerada en lugar de volverse espagueti. Bienvenida la paradoja de la pared de fuego (firewall) del agujero negro.

Abundan posibles soluciones, pero ahora dos pesos pesados de la física, el argentino Juan Maldacena, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford, California, han llegado con la resolución más audaz hasta el momento: un nuevo tipo de agujero de gusano que implica que —en principio— no debe romperse el entrelazamiento.

En primer lugar, la pareja demostró que estos túneles del espacio-tiempo, generalmente descritos por las matemáticas de la relatividad general, también surgen de la teoría cuántica, si dos agujeros negros se entrelazan. Es como si el agujero fuese la manifestación física del entrelazamiento.

La pareja luego amplió la idea a un único agujero negro y su radiación de Hawking, dando como resultado un nuevo tipo de agujero de gusano (ver diagrama). Fundamentalmente, sugieren que este agujero de gusano, que vincula un agujero negro y la radiación de Hawking, no puede ser un problema para la monogamia cuántica del modo que es un entrelazamiento normal. Como resultado, la pared de fuego no tiene por qué aparecer, preservando la relatividad ( arxiv.org/abs/1306.0533 ).

Patrick Hayden, de la Universidad McGill en Montreal, Canadá, encuentra convincente la idea de los agujeros de gusano entre pares de agujeros negros entrelazados, pero dice que se requiere trabajar más en el caso del agujero negro y un fotón. Polchinski, por su parte, es cautelosamente optimista: “Sin duda, inyecta nuevas ideas, pero hay muchas cosas que todavía tiene que ser completadas.”

Todavía hay sitio para las paredes de fuego en la nueva definición de agujero de gusano. Maldacena y Susskind describen también cómo un observador fuera del agujero negro podría manipular la radiación de Hawking, creando una onda de choque que viajase por el agujero de gusano y se presentara como una pared de fuego. Puede que esto no arruine la relatividad porque la pared de fuego es opcional, no intrínseca al agujero negro. Maldacena espera que el reflexionar sobre estas opciones nos dará un mayor conocimiento acerca de la gravedad cuántica.

Entrelazamiento = Agujeros de gusano (por John Preskill, físico teórico en Caltech)

Uno de los artículos de física más agradables y estimulantes que he leído en los últimos años es Building up spacetime with quantum entanglement por Mark Van Raamsdonk. Sobre la base de las observaciones anteriores de Maldacena y Ryu y Takayanagi,Van Raamsdonk propuso que el entrelazamiento cuántico es el principio fundamental que subyace en la geometría del espacio-tiempo. Desde mi primer encuentro con este provocador artículo, a menudo he reflexionó que podría ser bueno que alguien tome la idea de Van Raamsdonk realmente en serio.

Y ahora alguien lo hizo.

Amo los agujeros de gusano (¿quién no?). Imagínese dos esferas, una aquí en la Tierra y el otra en la galaxia de Andrómeda. Es un largo viaje de una esfera a la otra a través del espacio, pero hay un atajo: Usted puede ir hasta la esfera en la Tierra y momentos después salir de la esfera en Andrómeda. Eso es un agujero de gusano.

He mencionado antes que John Wheeler fue uno de mis héroes durante mis años de formación. De vuelta en la década de lo 50, Wheeler sostuvo una apasionada creencia de que “todo es geometría”, y una idea particularmente intrigante que llamó “carga sin carga”. No hay cargas eléctricas puntuales, proclamó Wheeler, “en cambio, las líneas de campo eléctrico pueden tejer la boca un agujero de gusano. Lo que le parece a usted un electrón es en realidad una pequeña boca de gusano. Si eres lo suficientemente pequeño, se puede bucear en el interior del electrón y emerger en la distancia desde un positrón. En mis sueños universitarios, me hubiera gustado que esta idea pudiese ser verdad”.

Pero más tarde me enteré más sobre los agujeros de gusano, y aprendí sobre la “censura topológica“. Resulta que si la energía es no-negativa, las ecuaciones del campo gravitatorio de Einstein impiden atravesar un agujero de gusano: la entrada siempre se cierra (o el agujero se hace infinitamente largo) antes de llegar al otro lado. Se ha sugerido a veces que los efectos cuánticos podrían ayudar a mantener la garganta abierta (algo que suena como una buena idea para una película), pero por ahora vamos a suponer que los agujeros de gusano no son transitables, no importa lo que uno haga.

El amor en la entrada de un agujero de gusano: Alicia y Roberto están en diferentes galaxias, pero cada uno vive cerca de un agujero negro, y sus agujeros negros están conectados por un agujero de gusano. Si ambos saltan en sus agujeros negros, pueden disfrutar de la compañía del otro por un tiempo antes de conocer un trágico final
 

¿Son divertidos los agujeros de gusano si no podemos pasar por ellos? La respuesta podría ser afirmativa si los dos agujeros negros están conectados por un agujero de gusano. Entonces Alicia en la Tierra y Roberto en Andrómeda se pueden reunir rápidamente si cada uno salta en un agujero negro cercano. Para agujeros negros de masa solar, Alicia y Roberto tendrán sólo 10 microsegundos para conocerse antes de llegar a su destino final en la singularidad. Pero si los agujeros negros son lo suficientemente grandes, Alicia y Roberto podrían tener una relación satisfactoria antes de su trágico final.

Esta observación se explota en el artículo reciente de Juan Maldacena y Lenny Susskind (M.S.) en el que se reconsidera el acertijo de AMPS (llamado así por Almheiri, Marolf, Polchinski y Sully). La versión brebe de este tema es: mientras que las correlaciones clásicas pueden ser fácilmente compartidos por muchas partes, las correlaciones cuánticas son más difíciles de compartir. Si Roberto está muy entrelazado con Alicia, esto evita que sea capaz de entrelazarse con Carina, y si se entrelaza con Carina, en cambio, no se puede entrelazar con Alicia. Por eso decimos que el entrelazamiento es “monógamo”. Ahora bien, si, como la mayoría de nosotros nos inclinamos a creer, la información es “codificada” pero no destruida por un agujero negro que se evapora, entonces la radiación emitida por un antiguo agujero negro hoy en día debe estar muy entrelazada con la radiación emitida hace mucho tiempo. Y si —como la mayoría de nosotros nos inclinamos a creer— nada extraño le sucede (al menos no de inmediato) a un observador que cruza el horizonte de sucesos de un agujero negro, entonces la radiación emitida hoy debe estar muy entrelazada con cosas que todavía están dentro del agujero negro. ¡Pero no podemos tener las dos cosas sin violar la monogamia de entrelazamiento!

El acertijo AMPS requiere respuestas audaces, y AMPS fueron adecuadamente audaces. Se propone que un agujero negro antiguo no tiene interior: un observador en caída libre se encuentra con su destino exactamente en el horizonte y no en una singularidad en el interior.

M.S. también son audaces, pero de una manera diferente. Ellos amablemente resumen su punto clave sucintamente, en una ecuación simple: ER = EPR.

Aquí, EPR significa Einstein-Podolsky-Rosen, cuyo famoso artículo destaca la rareza de las correlaciones cuánticas, mientras que ER significa Einstein-Rosen (lo siento, Podolsky), quien descubrió soluciones de agujero de gusano en las ecuaciones de Einstein. (Ambos artículos fueron publicados en 1935.) 

MS (tomando a Van Raamsdonk muy en serio) proponen que cada vez que de dos subsistemas cuánticos cualquiera están entrelazados, están conectados por un agujero de gusano. En muchos casos, estos agujeros de gusano son altamente de mecánica cuántica, pero en algunos casos (donde el sistema cuántico que se considera presenta un “doble gravitacional” débilmente acoplado), el agujero de gusano puede tener una geometría lisa como la que se describe en ER. Esos agujeros de gusano no son transitables, es importante para la consistencia de ER = EPR: así como Alicia no puede utilizar su entrelazamiento compartido para enviar un mensaje instantáneo a Roberto, tampoco puede enviar a Roberto un mensaje a través de su agujero de gusano compartido.

AMPS imaginaron que Alicia podía separar un qubit C de la radiación primordial del agujero negro y llevarlo de nuevo al agujero negro, verificando con éxito su entrelazamiento con otro qubit B separado de la radiación reciente. La monogamia asegura que un qubit B no puede estar enredado con un qubit A detrás del horizonte. Por lo tanto cuando Alicia cae a través del horizonte, ella no observará el estado de vacío de reposo en el que A y B están enredados, en su lugar se encuentra con una partícula de alta energía. MS están de acuerdo con esta conclusión.

AMPS van a decir que las acciones de Alicia antes de entrar en el agujero negro no podrían haber creado esa partícula energética, sino que debe de haber estado allí todo el tiempo, una de las muchas partículas que constituyen una ardiente pared de fuergo.

En esto MS no están de acuerdo. Ellos argumentan que la excitación encontrada por Alicia mientras cruza el horizonte era, en realidad, creada por Alicia misma cuando interactuaba con el qubit C. 

¿Cómo podrían las acciones de Alicia, realizadas lejos, muy lejos del agujero negro, afectar dramáticamente el estado del interior del agujero negro? ¡Debido a que C y A están conectados por un agujero de gusano!

Parece que la conjetura ER = EPR nos permitiría observar la radiación temprana con la que el agujero negro se entrelazó como una descripción complementaria del interior del agujero negro. Todavía no está claro si esta visión funciona en detalle, e incluso si, si lo hace, seguiría habiendo paredes de fuego; tal vez, en algún sentido, la radiación temprana está conectado con el agujero negro a través de un agujero de gusano, sin embargo, este agujero de gusano es altamente fluctuantes en lugar de una geometría lisa. Aún así, MS proporciona una nueva perspectiva prometedora para un problema profundo.

Como los físicos a menudo confiamos en nuestro sentido del olfato para juzgar las ideas científicas, y las resoluciones propuestas originalmente en el acertijo AMPS (como las paredes de fuego) no olían bien. En la primera bocanada, ER = EPR puede oler fresco y dulce, pero tendrá que madurar en un estante por un tiempo. Si esta idea va en el camino correcto, no debería haber mucho más que decir al respecto. Por ahora, los amantes de los agujeros de gusano pueden disfrutar de todas las posibilidades.

Con el tiempo, Wheeler descartó “todo es geometría” a favor de una idea aparentemente más profunda: “Todo es información”. Sería una justa reivindicación de la visión de Wheeler si todo en el universo, incluyendo los agujeros de gusano, está formado de correlaciones cuánticas.

Fuente: New Scientist y Quantum Frontiers. Aportado por Eduardo J. Carletti

vía/ axxon.com.ar/noticias/2013/07/el-entrelazamiento-y-los-agujeros-de-gusano/