PUENTES CUANTICOS
En artículos anteriores vimos como el espacio-tiempo 4-dimensional se curva bajo grandes cuerpos masivos, lo que da lugar a fenómenos increíbles. En este artículo incluiré ciertos aspectos de la mecánica cuántica, lo que nos abrirá la puerta a procesos más impresionantes si cabe.
Vamos a descubrir una de las propuestas recientes más fascinantes de la Física teórica y vamos a realizar un viaje capaz de hacer sombra al guión de la mejor película de ciencia-ficción. Aún nadie sabe si esta propuesta es correcta. Sin embargo, hay indicios serios de que puede serlo. Si finalmente se demuestra correcta, tendría un fuerte impacto en la forma de entender el espacio-tiempo y los fenómenos cuánticos.
Esta propuesta relaciona dos de los fenómenos más exóticos y extraños que existen: los agujeros de gusano y el entrelazamiento cuántico.
Agujeros de gusano: puentes en el espacio-tiempo
En coordenadas máximamente extendidas, las ecuaciones de la relatividad general tienen una solución para un agujero negro esférico y estático (agujero negro de Schwarzschild), que representa dos agujeros negros unidos por una especie de cuello o garganta. Este cuello es un "puente en el espacio-tiempo" o un "agujero de gusano". Los primeros físicos en encontrar esta solución fueron el mismísimo Einstein y su estudiante Rosen: por eso este agujero de gusano se denomina "Puente de Einstein-Rosen"(ER). Por razones de simetría los dos agujeros tienen el tiempo "invertido", es decir, mientras que uno es un agujero negro "normal" con gravedad atractiva, el otro es un agujero blanco donde los cuerpos son expulsados del agujero como si existiese una gravedad repulsiva. Hay que destacar que este agujero de gusano no es transitable: para atravesarlo necesitariamos viajar más rápido que la luz, algo que no está permitido por la Relatividad Especial.
Entrelazamiento: el fenómeno cuántico más extraño
Dos
partículas que han sido generadas en ciertas condiciones especiales (por
ejemplo mediante la desintegración de un rayo gamma en dos fotones) se
comportan como si fuesen un sistema único (como si estuviesen descritas por la
misma función de onda) aunque estén separadas grandes distancias. Es como si
estas partículas estuviesen entrelazadas. Esto produce fenómenos realmente
extraños: supongamos que ambas partículas poseen dos posibles estados (por
ejemplo spin arriba y spin abajo), y supongamos que medimos el estado de una de
las partículas aqui en la Tierra, si
encontramos que el resultado de la medida es spin arriba entonces la otra partícula entrelazada debe estar "automáticamente" en el estado contrario, es decir, spin abajo. Es como si al medir el estado de una automáticamente "colapsaramos" el estado de la otra ¡Aunque estas partículas estén a años luz de distancia! ¿Como es esto posible?
Hay que destacar que no es posible enviar información más rápido que la luz mediante entrelazamiento cuántico, para enviar cualquier tipo de información necesitamos siempre el apoyo de un canal clásico en el que es imposible transmitir información de forma superlumínica.
El entrelazamiento cuántico fue predicho por primera vez por Einstein (de nuevo el gran genio),Podolsky y Rosen, por esto también suele referirrse al fenómeno del entrelazamiento cuántico como experimento de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR).
Recientemente se han realizado numerosos trabajos basados en una magnitud denominada "entropía de entrelazamiento" que básicamente mide el grado de entrelazamiento que existe entre dos sistemas cuánticos. En 2010 un artículo que causó bastante impacto aportaba indicios de que el entrelazamiento cuántico se comporta como el "pegamento" del espacio-tiempo: al reducir el grado de entrelazamiento entre los grados de libertad asociados a dos regiones del espacio-tiempo, las dos regiones se separan y se disgregan. Esto parece indicar que, de alguna forma, que el entrelazamiento sería el pegamento que mantiene unido el espacio-tiempo.
ER=EPR
Es ahora cuando formulamos la increíble propuesta que ha planteado recientemente la Física teórica: existen trabajos que demuestran que los microestados que forman los dos agujeros negros unidos mediante un puente de Einstein-Rosen están máximamente entrelazados, es decir, los dos agujeros negros están cuánticamente entrelazados.
Esto quiere decir que el puente de Einstein-Rosen implica un entrelazamiento como en el experimiento de Einstein-Podolsky-Rosen, lo que se simboliza en la expresión ER=EPR. Esta afirmación está basada en principios bastante sólidos por lo que parece natural preguntarse si el contrario también es cierto, es decir, si todo par de partículas o sistemas entrelazados están unidos por un puente de Eintein-Rosen. Esto es precisamente lo que proponen los físicos: todo sistema cuántico entrelazado podría estar unido por un agujero de gusano. Aunque sabemos que la propuesta ER=EPR está basada en principios más o menos sólidos, su contrario EPR=ER es bastante más especulativo.
Si la propuesta ER=EPR y su contraria son correctas, las partículas que forman la radiación de Hawking emitida por los agujeros negros que está cuánticamente entrelazada con el mismo, estarían unidas con él a través de agujeros de gusano.
Agujeros negros entrelazados: un puente cuántico en el espacio-tiempo
A continuación vamos a realizar uno de los viajes más extraños e increíbles que se podría, en principio, realizar en nuestro Universo. Imaginemos una zona de nuestro Universo hace millones de años: dos grandes nubes de gas molecular inmersas en un campo magnético comienzan a comprimirse por el efecto de la gravedad. Debido a la presencia del campo magnético, las partículas de las moléculas que componen el gas adquirirán un grado de entrelazamiento cuántico, lo que quiere decir que ambas nubes de gas estarán entrelazadas.
Ambas nubes siguen comprimiéndose hasta alcanzar la densidad crítica (cuando la masa se comprime en un radio inferior a R=2GM/c2) y colapsan formando dos agujeros negros esféricos y estáticos. Posteriormente ambos agujeros son atraídos por cúmulos de galaxias cercanas en direcciones opuestas (supongamos que algo así fuese posible) y acaban separándose grandes distancias: uno acaba en nuestra galaxia (cerca de la Tierra) y otro en la galaxia de Andrómeda a 2,5 millones de años luz.
Ahora imaginanemos que la Tierra ha conseguido establecer comunicación con una civilización en Andrómeda (una comunicación no muy fluida de 2,5 millones de años de espera entre cada mensaje) y un científico T ha establecido amistad con una científica de Andrómeda llamada A. Debido a las enormes distancias que los separan, T nunca podrá físicamente llegar a conocer a A ¿o si podría? Ahora viene lo más impresionante: si T contacta con A y ambos acuerdan viajar en una nave espacial hasta sus respectivos agujeros negros entrelazados, podrían, en principio, realizar algo increíble: dejarse caer en sus agujeros negros respectivos y ¡conocerse físicamente en el interior!
Pero, ¿como es esto posible? Debido a que ambos agujeros negros están entrelazados, los microestados de ambos agujeros están unidos por un puente de Einstein-Rosen y el espacio-tiempo del interior es el mismo espacio-tiempo ¡T y A podrían encontrarse en el interior salvando así la distancia de millones de años luz que les separan!
La mala noticia es, por supuesto, que nunca podrían salir del agujero ni escapar de su trágico final antes de chocar con la singularidad. Por esto, cualquier información que se transmitan dentro del agujero quedaría aislada del resto del Universo y de nuevo, no se podría usar este mecanismo para enviar información más rápido que la velocidad de la luz.
Conclusiones
La propuesta ER=EPR es una idea interesante aunque todavía es especulativa. A pesar de ello, hay indicios teóricos sólidos de que podría ser correcta, es más, hay trabajos teóricos que muestran que el entrelazamiento cuántico puede ser un componente fundamental de la naturaleza del espacio-tiempo. Una cosa parece clara: el futuro de la Física teórica promete ser fascinante y estar lleno de sorpresas.
© 2021 JAVIER DE LUCAS