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/
