Científicos americanos intentarán crear el tejido del espacio-tiempo desde cero en un laboratorio
La investigadora Monika Schleier-Smith, profesora de
física teórica de la Universidad de Stanford, en California, se ha propuesto
recrear el espacio-tiempo desde cero en su laboratorio usando las propiedades
cuánticas de las partículas de la luz. Un reto que parece sacado de un relato
de ciencia ficción, pero que de conseguirlo nos permitiría resolver uno de los
grandes problemas de la física moderna: cómo conectar la física cuántica con la
relatividad general de Einstein. En la teoría general de la relatividad de
Albert Einstein, el espacio-tiempo no existe por sí solo, sino que su forma
depende de la masa y la energía, que dan lugar a la gravedad. Sin embargo, hoy
en día, la mayoría de los físicos se inclinan por pensar que el espacio-tiempo
sigue las reglas de la mecánica cuántica, la que rige el mundo atómico y
subatómico. La diferencia es que para la relatividad general el espacio-tiempo
aparece como un fondo liso sobre el que se desarrolla todo en el universo,
mientras que si hacemos zoom hasta las escalas cuánticas deberíamos ver que en
realidad está hecho de algo, como unos píxeles diminutos de espacio-tiempo.
Schleier-Smith es de esta última corriente, la
cuántica, y su laboratorio está lleno de espejos, láseres, cámaras de vacío y
componentes electrónicos perfectamente calibrados para enfriar átomos, dejarlos
quietos en un lugar y manipularlos con luz. Esto, según la investigadora, es el
punto de partida para tener un modelo muy bien controlado de un sistema
cuántico.
Sus aparatos le permiten simular la frontera
holográfica en dos dimensiones que rodea un universo —un fenómeno teórico que
viene del principio holográfico de la teoría de supercuerdas— y que sería capaz
albergar toda la información que contiene el universo. Esta "dualidad
holográfica" afirma que el espacio-tiempo y la frontera de dimensiones de
la que sale son equivalentes. “Hemos estado estudiando esta idea de dualidad
holográfica [atrapando] átomos entre dos espejos que forman un resonador óptico”,
comenta Schleier-Smith en declaraciones para New Scientist. “Lo bueno de este
resonador óptico es que permite que cualquier átomo hable con cualquier otro
átomo. Los fotones pueden viajar entre estos átomos y actúan como mensajeros
que transmiten información cuántica entre ellos. La luz genera correlaciones o
entrelazamientos”. Después de preparar los átomos, los investigadores dejan que
interactúen y se entrelacen, haciendo que el estado de una partícula afecte
instantáneamente al estado de la otra sin importar la distancia que las separe.
Luego vuelven a enviar luz para hacer una foto. “Literalmente, la luz se
dispersa entre los átomos. Podemos ver no sólo dónde están los átomos, sino
también en qué estado se encuentran. Los átomos tienen un espín interno, pueden
apuntar hacia arriba o hacia abajo y podemos observar las correlaciones de
espín entre los diferentes sitios de nuestra matriz de nubes de átomos.
Básicamente, tomamos un montón de imágenes y analizamos las correlaciones”,
asegura la investigadora.
“Gracias a
una maravillosa colaboración con un teórico, el difunto Steven Gubser de
Princeton, supe que este gráfico de árbol es una representación del
espacio-tiempo curvo” explica Schleier-Smith. “La geometría que emerge es algo
que se parece a un espacio-tiempo con curvatura negativa. [Es el mismo tipo de
espacio-tiempo que encontramos en la teoría] de la dualidad holográfica, que no
se parece a la gravedad en nuestro universo, pero es fascinante. Para nosotros,
los experimentalistas, fue un primer paso importante para entender qué es lo
que hay que medir para que la gravedad surja de la mecánica cuántica”. A pesar
de sus avances, la investigadora reconoce que aún es pronto para formar una
teoría completa con sus descubrimientos.
Las aplicaciones prácticas de este descubrimiento
son muchas. Desde la creación de relojes atómicos ultraprecisos o el avance de
ordenadores cuánticos a acabar de una vez por todas con las contradicciones
entre la física clásica (la que propugna la relatividad general de Einstein) y
la física cuántica. También puede arrojar luz sobre los misteriosos agujeros
negros. Hasta hace poco se pensaba que la información que entraba en un agujero
negro se perdía irremediablemente. Sin embargo, ahora los científicos se
inclinan por pensar que esto no es así y que más que perderse, queda revuelta.
La información, dice la investigadora, se vuelve muy difícil de recuperar
porque inicialmente estaba almacenada en un bit cuántico —la mínima unidad de
informació cuántica o qubit— y al entrar en el agujero negro se deslocaliza y
se oculta enredada entre otros qubits. “Hay una predicción teórica que dice que
si se tiene el dual holográfico de un agujero negro [la versión en 2D de la que
puede surgir el agujero negro en 3D], debería desordenar la información con
extrema rapidez”, afirma la investigadora. “La velocidad a la que se revuelve
la información es un límite fundamental para la rapidez con la que esto puede
ocurrir en cualquier sistema cuántico. Esto se conoce como "codificación
rápida" y es interesante porque [este límite] surgió pensando en la
gravedad”.
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