"Magia" cuántica podría explicar origen del espacio-tiempo

Físicos llevan mucho tiempo fascinados por la posibilidad de que el espacio-tiempo no sea fundamental, donde todas las leyes de la física no sean más que meros actores, sino que derive de algo más profundo. Esto se debe a que es difícil concebir algo más básico que el tejido del espacio-tiempo que sostiene el universo. Sin embargo, los físicos teóricos han estado cuestionando esta suposición.

Ahora, el turno es para los investigadores del Instituto de investigación de Ciencias Naturales en Japón (RIKEN), que sugieren en un nuevo análisis matemático que el espacio-tiempo podría surgir a partir de propiedades cuánticas. Pero no de cualquier propiedad cuántica, sino de una en concreto, bautizada como "magia" cuántica.

Reconciliar las teorías gravitacionales y cuánticas

De acuerdo con un comunicado del RIKEN, esta noción ya había suscitado mucha atención en la década de 1990, cuando el físico teórico Juan Maldacena relacionó la teoría gravitatoria, que rige el espacio-tiempo, con una teoría en la que intervienen partículas cuánticas. 

En concreto, y con el ánimo de intentar reconciliar ambas teorías, imaginó un reino ficticio, visualizado como un cilindro infinito, o lata de sopa infinita, que contiene objetos sobre los que actúa la gravedad, como un planeta, una estrella o, lo que es más interesante, un agujero negro.

Maldacena también evocó la idea de partículas controladas por la mecánica cuántica que interactuaban con la superficie de la lata. Comprendió que una teoría gravitatoria, que describe los agujeros negros y el espacio-tiempo en el interior de la lata, es matemáticamente idéntica a una teoría cuántica, que se utiliza para describir las partículas en la frontera.

En otras palabras, según Maldacena, es posible considerar las propiedades de las partículas de la superficie del cilindro para describir la teoría gravitatoria que ocurre en su interior.

"Esta relación indica que el espacio-tiempo en sí no existe fundamentalmente, sino que emerge de alguna naturaleza cuántica", afirma Kanato Goto, del Centro Interdisciplinario de Ciencias Teóricas y Matemáticas (iTHEMS) del RIKEN. "Los físicos están intentando comprender la propiedad cuántica que es clave", agrega.

"Magia" cuántica y naturaleza caótica de los agujeros negros

Más allá de lo ya propuesto Maldacena, el nuevo estudio de Goto y sus colegas, que se publica en Physical Review D., es el primero que relaciona la naturaleza caótica de los agujeros negros con la propiedad cuántica conocida como "magia".

La primera hipótesis fue que el componente más significativo era el entrelazamiento cuántico, que conecta las partículas sin importar lo alejadas que estén: cuanto más entrelazadas estén las partículas en la frontera (del cilindro), más suave será el espacio-tiempo dentro de la masa.

"Pero considerar únicamente el grado de entrelazamiento en la frontera no puede explicar todas las propiedades de los agujeros negros, por ejemplo, cómo puede crecer su interior", explica Goto.

En ese sentido, el entrelazamiento cuántico en sí no es capaz de explicar la conexión entre amabas teorías. Por ello, los investigadores buscaron otra cantidad cuántica que pudiera aplicarse al sistema fronterizo y que también pudiera trasladarse a la masa para describir los agujeros negros de forma más completa. En concreto, según el comunicado, observaron que los agujeros negros tienen una característica caótica que es necesario describir.

"Cuando se introduce algo en un agujero negro, la información que contiene se desordena y no puede recuperarse", explica Goto. "Este revuelto es una manifestación del caos".

Así, en sus análisis, Goto y sus colegas se toparon con la "magia", una medida matemática del reto que supone imitar un estado cuántico en un ordenador convencional normal (no cuántico). Sus cálculos demostraron que, en un sistema caótico, casi todos los estados evolucionan hacia un estado "mágico máximo", es decir, el más difícil de simular, según se lee en el comunicado.

"Este hallazgo sugiere que la magia está fuertemente implicada en la aparición del espacio-tiempo", afirma Goto. 

Será interesante observar las predicciones y expectativas que esta teoría de gravedad basada en la magia cuántica pueda proporcionar. Por ahora, es fascinante solo la posibilidad de explorar nuevos campos de investigación.

Editado por Felipe Espinosa Wang.