¿Cortafuegos u Horizontes Fríos?

Por:  William Brown, Biofísico e Investigador de Resonance Science Foundation 

Los físicos intentan enfriar un acalorado debate sugiriendo que el entrelazamiento cuántico se produce a través de los agujeros de gusano del espaciotiempo.

La física teórica de los agujeros negros abunda en paradojas, como la pérdida de información tras el punto de no retorno -el horizonte de sucesos- y dentro de la singularidad (el objeto teórico en el centro de los agujeros negros, donde se cree que toda la masa está comprimida en un punto de dimensión cero y densidad infinita -véase nuestra reseña del artículo sobre las estrellas de Planck, una solución a las singularidades y la pérdida de información). En la investigación de los efectos de los comportamientos cuánticos en torno al horizonte de sucesos de los agujeros negros, un equipo de físicos ha propuesto otra posible situación paradójica: el entrelazamiento múltiple de las partículas emitidas desde el horizonte de sucesos (conocido como la Radiación Hawking), que provocaría violaciones en la dinámica conocida del entrelazamiento cuántico. La resolución del equipo de investigación ha sido proponer una cortina térmica de partículas y radiación a alta temperatura que rodea el horizonte de sucesos - un llamado "cortafuegos" (que llevó a Stephen Hawking a hacer su más reciente proclamación sobre que los agujeros negros son metaestables). En un interesante giro de los acontecimientos, los renombrados físicos Leonard Susskind y Juan Maldacena, no sólo demostraron fallos en el argumento de la paradoja del cortafuegos - sino que también demostraron resoluciones que implican agujeros negros conectados por un agujero de gusano, y lo más interesante de todo quizás - cómo el propio entrelazamiento cuántico puede ser el resultado de las conexiones del espaciotiempo a través de agujeros de gusano.

Todos hemos oído alguna vez el término entrelazamiento cuántico, pero ¿qué es exactamente el entrelazamiento? Cuando dos objetos interactúan, sus comportamientos están correlacionados: un cambio en un objeto provocará un cambio en el otro debido a su interacción mutua. Esto puede observarse en una amplia variedad de circunstancias a muchas escalas de tamaño diferentes, es un comportamiento "clásico". Sin embargo, cuando se investiga esta interrelación en las partículas subatómicas, el comportamiento observado puede ser muy diferente: las partículas pueden estar fuertemente correlacionadas. Se ha pensado que esto es un fenómeno no clásico, o cuántico, y que es el resultado del entrelazamiento máximo. Dos partículas pueden estar tan fuertemente correlacionadas que, sin importar la distancia de separación entre ambas, parece que siguen interactuando, instantáneamente, ¡incluso si están al otro lado del universo!

Imagen: observado "aquí" afectado "allá".

La interacción instantánea implica una transmisión de información más rápida que la luz, o superlumínica, y es este hecho el que llevó a Einstein (famoso por haber fijado el "límite de velocidad" cósmica en 300.000 kilómetros por segundo, la velocidad de la luz) junto con los físicos Rosen y Podolsky a proponer la paradoja EPR. Einstein, Rosen y Podolsky señalaron que, tal como estaba formulada, la mecánica cuántica sugería que podía haber una interacción instantánea entre pares de partículas fuertemente correlacionadas.

Sin un mecanismo físico que explique este comportamiento superlumínico, la EPR sugirió que se trataba de un escenario altamente improbable. Sin embargo, lejos de ser improbable, se ha confirmado y se observa de forma rutinaria en las experimentaciones cuánticas. Con el tiempo, Einstein llamó a este entrelazamiento cuántico "acción fantasmal a distancia".

 Si es cierto que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz (una suposición que cada vez es más endeble), ¿cómo es posible que dos partículas separadas por una distancia considerable, kilómetros en algunos casos, interactúen entre sí más rápido de lo que cualquier señal luminosa puede viajar entre ellas? La respuesta, fascinante, puede estar en una estructura normalmente reservada a las películas de ciencia ficción, pero que muchos físicos de alto nivel consideran muy seriamente: los agujeros de gusano. Los agujeros de gusano son túneles hechos con el propio "tejido" del espacio (¡sí, el espacio tiene estructura y sustancia!) y como tales, pueden conectar regiones separadas del espacio.

Entonces, ¿cómo se asoció el concepto de agujero de gusano con el entrelazamiento cuántico? La evolución se ha producido a raíz de muchas publicaciones, como Building up spacetime with quantum entanglement (Construyendo el espaciotiempo con el entrelazamiento cuántico), de Mark Van Raamsdonk, y la más recientemente Cool Horizons for Black Holes (Horizontes fríos para los agujeros negros). El último artículo, escrito por Juan Maldacena, conocido por haber derivado un principio de correspondencia entre la teoría cuántica de campos y la relatividad general, y Leonard Susskind, un teórico de las cuerdas que ha sido pionero en el trabajo sobre agujeros negros y teoría de la información, sugiere cómo los agujeros de gusano pueden entrelazar no sólo agujeros negros, sino también partículas subatómicas. Su teoría se ofrece como una posible solución a las paradojas que han surgido de la investigación de las propiedades cuánticas de los agujeros negros. Paradojas que, en opinión de muchos físicos, amenazan los fundamentos mismos de la mecánica cuántica.

Imagen: Visión clásica de un entrelazamiento entre pares de partículas - Nuevo entendimiento de entrelazamiento a través de la red de agujeros de gusano.

Tradicionalmente, se ha pensado que los agujeros negros son objetos muy sencillos, que pueden describirse completamente con unos pocos parámetros físicos, como su masa y su tamaño. Esto simplificaba mucho la situación, ya que, independientemente de la complejidad de la materia que existiera antes de formar un agujero negro, después de colapsar en un volumen tan denso que ni siquiera la luz puede escapar, sus únicas características distinguibles serían su masa, su velocidad de giro y, posiblemente, su carga eléctrica (esto se denomina el teorema de la ausencia de pelo, ya que, al parecer, algunos físicos pensaban que al envejecer las estrellas sufrirían calvicie de patrón masculino).

Sin embargo, la situación se volvió más compleja cuando se consideraron los efectos gravitatorios sobre las propiedades cuánticas de un agujero negro. Se trata de un área de investigación extraordinaria, ya que, por lo general, en la escala cuántica (pensemos en tamaños infinitesimales), se considera que la gravedad no desempeña ningún papel significativo, es decir, insignificante. Pero los agujeros negros contienen un campo gravitatorio muy singular: forman un horizonte de sucesos, una frontera virtual delimitada como el volumen (como una esfera) a partir del cual la luz no puede escapar de la "atracción" gravitatoria de la masa condensada en su interior (la singularidad).

Debido a este horizonte gravitatorio -un límite literal similar al de la luz-, las fluctuaciones cuánticas en el espacio, que normalmente se cancelarían como pares de aniquilación de partículas-antipartículas, en realidad emiten partículas reales desde la superficie del límite cuando uno de los socios del par cruza el horizonte de sucesos mientras el otro escapa.

Ilustración de la Paradoja de la Información.

Esta situación confundió a los investigadores, como lo demuestra la terminología utilizada en este campo emergente de la gravedad cuántica, como la paradoja de la pérdida de información y, más recientemente, la paradoja AMPS. La paradoja AMPS, que es un acrónimo derivado de los nombres de los físicos que la propusieron, el principal de los cuales es Joseph Polchinski (la "P" de AMPS, otro teórico de las cuerdas) describe una aparente paradoja que surgiría de la fuerte correlación -es decir, el entrelazamiento- asociada a la partícula emitida y su compañera que cruzó el horizonte de sucesos del agujero negro. El problema, tal y como lo describen, es que si una partícula recién emitida se entrelaza con otra fuera del horizonte, se rompería el vínculo de entrelazamiento entre las partículas emitidas y las del interior. Al igual que cuando se rompen los enlaces químicos en la química -como cuando se enciende la gasolina- se produce una liberación de energía. Por lo tanto, propusieron que el agujero negro debe tener partículas extremadamente calientes en el horizonte - un cortafuegos literalmente.

Esto significaría que no sólo los agujeros negros irradian -con emisión de partículas desde el vacío cuántico del espacio- sino que ¡brillarían desde los cuantos de alta energía del horizonte superficial!

Esto es aún más confuso para muchos físicos porque el "desentrelazamiento" del par de partículas del transhorizonte representa una pérdida de información, lo que viola los principios mecánicos cuánticos de la conservación de la información. Juan Maldacena y Leonard Susskind han propuesto una forma de preservar un horizonte frío para los agujeros negros (de ahí el nombre de su artículo), y la solución es que el agujero negro no es sólo un punto de densidad infinita -una singularidad- sino que es un agujero de gusano conectado a otro agujero negro. 

En este caso, aunque el interior de un agujero negro esté entrelazado con otro sistema -a saber, otro agujero negro, lo que es análogo al entrelazamiento de las partículas radiadas con el interior del agujero negro en la paradoja AMPS, sigue habiendo un horizonte suave (lo que significa que es indetectable -nunca se sabría que está ahí, en este régimen). Es decir, que la producción de un agujero de gusano no produce necesariamente un cortafuegos. Por lo tanto, si se considera que las partículas radiadas (conocidas como radiación de Hawking) están conectadas con el interior del horizonte de sucesos también a través de agujeros de gusano, entonces no hay necesidad de conjeturar un cortafuegos. Esto es notable porque demuestra cómo la modelización del entrelazamiento a escala subatómica con conexiones de agujeros de gusano está resolviendo los aparentes problemas que surgen al considerar el entrelazamiento como una mera "acción fantasmal a distancia".

Imagen: Clásico agujero de gusano y el Nuevo agujero de gusano.

Cabe señalar que no es la primera vez que se propone que el entrelazamiento cuántico es el resultado de las conexiones del espaciotiempo a través de agujeros de gusano. Sergio Santini, un físico brasileño que ha realizado un trabajo pionero en cosmología cuántica causal, sugirió cómo el entrelazamiento cuántico podría ser el resultado de las conexiones de agujeros de gusano en un artículo de 2006. Curiosamente, ninguno de los físicos que han trabajado posteriormente en este campo ha citado a Santini por su innovadora contribución.

Además, Nassim Haramein ha trabajado para dilucidar una red de agujeros de gusano que conecta todo el espaciotiempo. En su último trabajo, Haramein utilizó un enfoque geométrico y holográfico para describir las características fundamentales de las partículas cuánticas, como el origen de su masa, su tamaño y las fuerzas nucleares de enlace. Sorprendentemente, demostró cómo los protones tienen una masa holográfica que es igual a la masa-energía de todo el universo observable.

En esencia, esto significa que el interior de los protones es un único volumen que comparte toda la información. ¿Cómo es esto posible? Los cálculos de Haramein muestran cómo un protón está conectado con todos los demás a través de agujeros de gusano del tamaño de Planck (un volumen de Planck es varios miles de millones de veces más pequeño que un solo protón). La fuerza del entrelazamiento entre las partículas depende de su distancia relativa y del grado en que hayan interactuado. Por lo tanto, aunque todas están fundamentalmente conectadas, la fuerza del entrelazamiento varía en función del grado en que han interactuado físicamente, al igual que lo que se observa empíricamente.

El potencial de formación de agujeros de gusano es un elemento integral de los agujeros negros, con la posibilidad de conectar regiones extremadamente distantes del espaciotiempo con un atajo no local -o superlumínico- (como ha explicado Susskind, los agujeros negros conectados por el agujero de gusano están en un estado de máximo entrelazamiento). 

Si los agujeros de gusano son una característica tan esencial de los agujeros negros, ¿acaso esto sugiere que las partículas cuánticas entrelazadas por los túneles de agujeros de gusano planckianos son más bien agujeros negros? Cuando se consideran la gravitación cuántica y la descripción holográfica de la masa de las partículas similares a los agujeros negros, además del entrelazamiento de los agujeros de gusano, se convierte en una teoría muy atractiva.

La paradoja de AMPS es una paradoja extremadamente sutil cuya resolución, creemos, tendrá mucho que enseñarnos sobre la conexión entre la geometría y el entrelazamiento. AMPS señaló una profunda y genuina paradoja sobre el interior de los agujeros negros. Su resolución fue la de los cortafuegos, pero en nuestra opinión la solución pasa más por los puentes de Einstein-Rosen [agujeros de gusano]. El interior de un agujero negro antiguo sería un puente Einstein-Rosen construido a partir de los microgrados de libertad [entropía - o información] del agujero negro, así como de la radiación". - Juan Maldacena y Leonard Susskind.