NeoFronteras

Quarks, agujeros de gusano y entrelazamiento

Área: Física — sábado, 7 de diciembre de 2013

La gravedad podría aparecer a partir del entrelazamiento y la curvatura clásica del espacio-tiempo descrita por la Relatividad General podría ser una consecuencia ese entrelazamiento.

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Una de las cosas más extrañas de la Mecánica Cuántica (MC) es el entrelazamiento cuántico. Dos fotones o dos electrones pueden estar en una superposición de dos estados (dos estados de polarización o dos estados de spin respectivamente). Si sus estados cuánticos están correlacionados entonces el colapso de la función de ondas de una partícula determina el colapso de la otra al instante. Es aquí donde aparece lo extraño, pues parece que hay una acción a distancia instantánea que el efecto parece superar la velocidad de la luz. Incluso podemos enviar las partículas en direcciones opuestas de tal modo que estén en sitios opuestos del Universo y el fenómeno se da. Encima, qué partícula es la que colapsa primero o segundo depende del sistema de referencia relativista que elijamos.
Esta acción a distancia es algo que molestaba mucho a Einstein. Sin embargo, este fenómeno no viola la causalidad relativista, pues no se transmite información. No se controla el estado al que colapsa la primera partícula y, por tanto, no se controla el colapso de la segunda. De todos modos esto siempre ha dado mucho juego y esta “comunicación instantánea” siempre ha estado sujeta a interpretación.
En julio pasado Juan Maldacena (Institute for Advanced Study) y Leonard Susskind (Stanford University) propusieron que esta comunicación se podía dar a través de agujeros de gusano. Un agujero de gusano es un ente teórico que forma un túnel en el propio espacio-tiempo que comunica regiones alejadas del Universo a modo de atajo. Sería como unir dos agujeros negros hasta formar un túnel siendo sus bocas los dos agujeros negros. Su geometría viene dictada por la Relatividad General (RG). Parece que es imposible usar algo así para viajar, pues mantener abierto el túnel parece imposible debido a que colapsa en el momento en que se trata de introducir materia o energía por él.
Sin embargo, quizás existan agujeros de gusanos minúsculos que estén abiertos por una fracción de segundo, algo que permitiría, bajo cierto principio de incertidumbre de Heisenberg, una teoría cuántica de la gravedad.
Es aquí en donde los físicos dan palos de ciego, pues no se tiene todavía una teoría cuántica de la gravedad, sino modelos de juguete sobre ella. La MC es buena para describir el mundo de lo pequeños y la RG para describir objetos muy masivos (estrellas, galaxias y el propio Universo), pero hay regímenes en los que ambos mundos coinciden y ninguna de las dos teorías funciona. Hace falta una teoría cuántica de la gravedad de la que todavía carecemos.
El caso es que estos investigadores demostraron que si se crean dos agujeros negros entrelazados y se separan, entonces se forma un atajo entre ellos que, en esencia, es un agujero de gusano. Bajo este esquema incluso si los dos agujeros negros están en partes opuestas del Universo parece que un agujero de gusano los conecta entre sí. Esto sugería que, al menos en el caso de los agujeros de gusanos, la gravedad emerge de un fenómeno más fundamental que sería el entrelazamiento de dos agujeros negros. Este trabajo indicaría, por tanto, que hay una equivalencia entre MC y la geometría clásica de la RG.
Ahora Julian Sonner (MIT), Kristan Jensen (University of Victoria) y Andreas Karch (University of Washington) han obtenido un par de resultados teóricos según los cuales la creación de dos quarks entrelazados tiene como consecuencia la creación de un agujero de gusano que conecta el par. Este resultado indica que quizás las leyes de la gravedad que mantienen el Universo no sean fundamentales, sino que emerjan del entrelazamiento cuántico.
Se ha sugerido que una teoría cuántica de la gravedad llegaría a la conclusión de que la gravedad clásica que todos experimentamos no es un concepto fundamental, sino un fenómeno emergente que aparecería a partir de objetos y/o relaciones más fundamentales.
Es aquí en donde el entrelazamiento podría jugar su papel y a partir de él quizás se construya el propio espacio-tiempo. Esto sería un gran paso importante para alcanzar una teoría cuántica de la gravedad.
Los quark son creados en este marco teórico como un par partícula-antipartícula a partir del vacío durante un breve periodo de tiempo, algo permitido por el principio de incertidumbre. Se asume, además, que un par así creado está correlacionado. Se pueden además separar bajo la influencia de un campo eléctrico.
Para ver cómo la gravedad aparece en este escenario los investigadores hacen uso del principio holográfico, que es un modo de derivar más dimensiones espaciales a partir de otras. Este principio, inventado por Maldacena, viene a decir que la teoría cuántica junto a la gravedad en un espacio dado es equivalente a la teoría cuántica sin gravedad en una espacio con una dimensión menos que hace la veces de frontera o borde del espacio original. Toda la información del interior estaría contenida en esa superficie frontera.
Estos investigadores vieron que la aparición de pares de quark daba lugar a la aparición de agujeros de gusanos que los conectaban en lo que parece ser una creación simultánea de ambos tipos de objetos. Esto sugería además que la gravedad podría aparecer a partir del entrelazamiento y que la curvatura clásica del espacio-tiempo descrita por la RG podría ser una consecuencia del entrelazamiento. Según Sonner, en una representación básica el entrelazamiento da lugar a la aparición de una especie de geometría.
De momento no saben qué pasa si se rompe el entrelazamiento o qué pasa con la geometría en ese momento, así que les queda trabajo por hacer.
De todos modos, algunos expertos del campo argumentan que estos resultados no son más que una mera analogía matemática.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original I.
Copia artículo original.
Artículo original II.
Copia artículo original II.
Copia artículo de Maldacena y Susskind.
Ilustración: AllenMcC (Creative Commons Attribution Sharealike 3.0).

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. Dr. Thriller:

    Es el problema de todas estas hipótesis. Saltan dentro y fuera a gran velocidad de cotos a priori cerrados (o en realidad, abiertos, porque no sabemos muy bien aún acotarlos) y los saltos no acaban de quedar elegantes, digamos. En cierto modo, se puede pensar que todas las propiedades cuánticas son topológicas, y como a fin de cuentas la RG es simplemente una geometría determinada, pues nos despachamos el tema con un empacho de topología. Ahora, si todo es un mejunje topológico, nos metemos en un jardín de mucho cuidado, porque entonces a ver por qué tienen que estar entrelazadas dos partículas en medio del monumental ruido cuántico. No sé si me explico.

  2. Pocosé:

    Cuando me asomo a estas profundidades de la Física (entrar está fuera de mis capacidades intelectuales), siempre me viene a la mente la tremenda frustración de un holograma, consciente de que lo es, ante la enorme dificultad de acceder a la realidad que lo conforma.
    Salud para todos, abrazos para quien los quiera y uno espacial para Tomás.

  3. lluís:

    No deja de ser un tanto extraño que la Relatividad General sea una teoría puramente geométrica del espacio y del tiempo y que esta geometría interactúe, mediante el intercambio de partículas o bosones mensajeros,con otros campos y partículas.Y si las interacciones son debidas al intercambio de bosones mensajeros, parecería más lógico que se pudiera diseñar una teoría gravitatoria por medio del gravitón,que sería el bosón que transportaría la gravedad.
    Se piensda, además, que uno de los principales problemas a la hora de unificar la RG y la MC,es el tiempo, del que se dice que tendría mucho que ver en esa unificación, y al no tenerse una cantidad física ( o un concepto definido) de lo que pueda ser el tiempo (si es que es),hay teóricos que opinan que el problema quedaría resuelto,precisamente, si el tiempo fuera una propiedad emergente basada en el entrelazamiento cuántico.

  4. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Es un tema largo de discutir en un comentario, pero, básicamente, el problema siempre es el mismo: la confusión entre elementos ontológicos y gnoseológicos. ¿Es la gravedad una distorsión real del espacio-tiempo o la gravedad opera como si hubiera una distorsión del espacio-tiempo que permite calcular las cosas, pero en realidad no es así? El primer punto de vista es ontológico y el segundo gnoseológico.
    Desde el punto de vista ontológico la gravedad no puede ser descrita a la vez como una distorsión del espacio-tiempo y un intercambio de gravitones. O bien la gravedad es una teoría de campos como el electromagnetismo en el que hay un “intercambio de gravitones” (y esto también es un modelo incluso en la electrodinámica cuántica con su intercambio de fotones) o bien es una propiedad geométrica. Si ambos esquemas dieran lugar a predicciones cuantitativas realistas (que no es así, porque no hay una teoría cuántica de la gravedad similar a la electrodinámica cuántica) entonces se tendrían dos descripciones gnoseológicas de las cuales una (o las dos) es un mero sistema matemático que permite calcular observables físicos y que no describe cómo es ontológicamente la realidad a ese nivel y ni siquiera es una metáfora.
    El gran logro de la RG fue decir que el espacio-tiempo puede describirse como (o es) un campo y que no hay necesidad de referentes externos. Se asume, además, una descripción ontológica de la realidad. La geometría es real y no un mero instrumento de cálculo.
    La electrodinámica cuántica soluciona los problemas de la MC, pues esta no era relativista, pero se vuele a colocar un marco espacio-temporal en donde el campo electromagnético juega su papel. Esto supuso un retroceso conceptual.
    La posterior ampliación de esta teoría permitió añadir otros tipos de campos. La cromodinámica cuántica, por ejemplo, describe la fuerza fuerte. El añadido de las interacciones débiles permitieron crear un marco teórico para la descripción de los campos que permitían presagiar que también se podría añadir la gravedad. Esa idea de unificación ha influido mucho, quizás demasiado. Pero ni siquiera el electromagnetismo, la fuerza débil y la gravedad están realmente unificadas, sino que se apela a la ruptura espontánea de la simetría para conseguirlo.
    En definitiva, la idea de meter también la gravedad no era más que un deseo de “unificar” aún más, como si la Naturaleza se dejara o fuese así. La realidad es que la gravedad es (ontológicamente) muy distinta al resto de las interacciones.
    Otro aspecto es que la electrodinámica cuántica y sus “hijas” son esquemas matemáticos muy chapuceros que sólo se pueden resolver con métodos perturbativos poco claros (usando diagramas de Feynnman).
    La reciente historia nos dice que, bajo ese esquema, no ha sido posible añadir la gravedad con sus gravitones y etc. De hecho, ninguna de las propuestas parece consistente. Y cuando no pudieron más los chicos que trabajaban en ello se pasaron a las cuerdas y siguieron sin solucionar el problema, pero ahora con una empalizada matemática tan compleja que sólo los del campo pueden entender. Pero claro, cualquier sistema matemático lo suficientemente complejo permite describir cualquier cosa. Lo alucinante es que ni así lo consiguen. Las cuerdas ya son un objeto de fe, como la inmaculada concepción.
    El problema es que, socialmente, en los mundos académicos se construyen limitaciones, prejuicios e impedimentos para así impedir cambiar el estado de las cosas. Hablamos de incapacidad para cambiar de tema o campo por incompetencia u orgullo, tesis doctorales en tu campo, plazas universitarias para los tuyos, artículos en tu campo (con los que se mide tu productividad), proyectos financiados para ti, etc. Si no fuese por el Perimeter casi no habría Física Teórica de interés en el mundo.
    La RG y la MC son incompatibles y por eso no hay manera de crear una teoría cuántica de la gravedad que preserve ambas. Hay que sacrificar una de ellas. Si se trabaja en electrodinámica cuántica, cuerdas y similares se tratará de meter los gravitones por donde sea y cargarse el esquema geométrico de la RG. No hay otra posibilidad según ese camino, porque el espacio-tiempo no es un campo (según ese punto de vista), sino un marco de referencia más o menos fijo en donde hay otros campos.
    Por otro lado, si se trabaja en otras áreas se tiende a considerar el espacio-tiempo como un campo que es generado por unos elementos más fundamentales que están por descubrir y no hay un marco fijo externo. El vacío cuántico gravitatorio carecería de espacio-tiempo. Además, se cuantiza ese espacio-tiempo y se ignoran el resto de las interacciones. En este caso se sacrifica, en definitiva, la unificación a cambio de poder describir la gravedad geométrica y cuánticamente.

    Al final es como las religiones y que cada cual elija la que más le guste. Aunque en esto también hay ateos.

    La Naturaleza es inasible, nunca se deja atrapar por nuestros esquemas mentales porque siempre está más allá.

  5. D-R-A:

    Bastante interesante el tema de agujeros de gusano en nivel de partículas elementales , sin embargo veo un detalle ,¿ en donde queda la “radiación de Hawking” ? la cual tiene la característica que interactua con los hoyos negros , de esta manera gracias a dicha propiedad los pequeños agujeros negros que se llegasen a formar en los grandes aceleradores de partículas se “desvanecen” ya que en su caso contrario no estaríamos aquí , ¿Tendrá alguna afectación dicha radiación , en como se manifiestan los agujeros de gusano en nivel de partículas elementales ? … Yo pienso que si .. ¿ Ustedes que opinan al respecto ?

  6. Miguel Ángel:

    Querido Neo:

    Muchas gracias por otro gran comentario que nos sirve para aclarar conceptos a los que, como yo, somos simples aficionados.
    Tengo una duda que desemboca en dos preguntas: tengo conocimiento de que los de las cuerdas andan como locos porque se descubra una partícula que vehicule la gravedad, pero según tengo entendido podría ser el gravitón o el gravitino. ¿Cualquiera de las dos partículas respaldaría las cuerdas en igual medida?
    ¿Cuál de los dos sería más útil de cara a establecer una teoría cuántica de la gravedad?

    Abrazos.

  7. NeoFronteras:

    Se supone que es el gravitón el que propaga la fuerza gravitatoria. Como esta fuerza es de alcanza ilimitado el gravitón tendría masa nula. Además tendrían spin 2.

    Las partículas terminadas en “ino” se supone que son supersimétricas. Según esta hipótesis todas las partículas conocidas tendrían su correspondiente partícula supersimétrica de tipo de spin contrario. Las partículas de spin entero tendrían supersimétricas de spin semientero y las partículas de spin semientero tendrían supersimétricas de spin entero.
    Así por ejemplo, los fotones tendrían como partículas supersimétricas a los fotinos. Al gravitón el gravitino.
    La idea es interesante, pero hasta el momento no se han encontrado pruebas de que sea cierta, ni en el LHC ni en ningún otro sitio.

    El neutrino no es un partícula supersimétrica y su nombre procede del italiano.

  8. lluís:

    Respecto al comentario de Neo, que agradezco,ya tenía claro que la gravedad no puede ser descrita sumultáneamente como distorsión espacio-temporal e intercambio de gravitones, como si se tratara de una extraña dualidad “distorsión-intercambio de gravitones”. Lo que quise decir es que la gravedad quizás no sería tan “problemática” en las teorías de unificación si realmente acabará siendo completamente descrita dentro de la teoría cuántica de campos.Al parecer, y con respecto a los gravitones, el problema estaría en que los gravitones se propagan por un espacio fijo Minkowskiano (más bien newtoniano que el espacio dinámico de la RG).
    Una visión de la gravedad con gravitones ya fue ensayada por Feynman y consiguió demostrar que daba como resultado, en su límite clásico, la Relatividad Especial. Según Feynman, de este modo, resultaría que lo que vemos como un espacio-tiempo dinámico no sería otra cosa que distintos intercambios de gravitones.Pero como aparecieron los “infinitos” que suelen aparecer en las teorías cuánticas de campos, infinitos que resultaron No renormanizables, pues no parece que el intento de Feynman solventara el problema.
    -Y como que han salido a relucir los neutrinos,su historia es lo suficientemente apasionante como para que el físico Frank Close le haya dedicado un librito delicioso que recomiendo con fuerza su lectura, a quien no lo haya leído,claro. Su título: ” Neutrino, la partícula fantasma”

  9. NeoFronteras:

    Estinado LLuís:
    Pues sí, si se pudiera describir la gravedad como intercambio de gravitones al estilo de las teorías de campo al uso se habría conseguido algo, pero no es así. Pero, si se mide mira por donde la RG funciona muy bien.
    La ciencia funciona mientras se describa lo que se mide y, hasta ahora, la RG funciona bien en ese aspecto.

    Quizás es que nos empeñamos en ver la gravedad como si fuera una fuerza como las demás. Un poco (bastante) más débil, pero del mismo estilo.
    Pero quizás estamos equivocados profundamente y llamamos en este caso “fuerza” a cosas muy distintas cualitativamente. Quizás sea todo un prejuicio nuestro.

  10. Miguel Ángel:

    O sea:

    -El esquema geométrico de la RG resulta útil y fiable sin necesidad de invocar a partículas que aún no se han descubierto. Funciona muy bien para objetos con masa grande. Como teoría que es, no describe esa realidad última e inasible a la que se refiere Neo, pero se trata de un buen modelo hasta que aparezca otra teoría mejor.

    -En el otro extremo tendríamos a las cuerdas, sustentadas por una base matemática bizarra que parece tener sentido sobre el papel, pero que pierde su consistencia cuando tratamos de aplicarla en el mundo real. Veo que tiene muchos requisitos aún sin cumplir o verificar: dimensiones extra; gravitones o gravitinos, o mejor los dos porque, si no estoy equivocado, la supersimetría es también requisito necesario para las cuerdas…vamos, que tiene razón Neo cuando dice que cada vez tiene menos aspecto de teoría y más de doctrina.

    -Si la búsqueda de una teoría unificada es una utopía porque la RG y la MC son irreconciliables, lo más interesante que podría aparecer en el horizonte sería una teoría cuántica de la gravedad.

    Muchas gracias a Neo por su respuesta y a Lluís por abrir el debate, por las cuestiones que ha planteado y por el libro que nos recomienda. Abrazos.

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