Un tipo de agujero de gusano recién descubierto permite que escape información de agujeros negros

En 1985, Cuando Carl Sagan estaba escribiendo la novela Contacto, necesitaba transportar rápidamente a su protagonista, la Dra. Ellie Arroway, desde la Tierra a la estrella Vega. La hizo entrar en un agujero negro y salir a años luz de distancia, pero no sabía si esto tenía algún sentido…

El astrofísico y estrella de televisión de la Universidad de Cornell consultó a su amigo Kip Thorne, un experto en agujeros negros del Instituto de Tecnología de California que ganó un Premio Nobel a principios del mes pasado. Thorne sabía que Arroway no podía llegar a Vega a través de un agujero negro, ya que se piensa que engulle y destruye todo lo que cae en él. Pero se le ocurrió que podría utilizar otro tipo de agujero consistente con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein: un túnel o «agujero de gusano«, que conecta ubicaciones distantes en el espacio-tiempo.

Mientras que los agujeros de gusano teóricos más simples colapsan y desaparecen de inmediato antes de que pueda pasar algo, Thorne se preguntó si sería posible que una civilización de ciencia ficción «enormemente avanzada» estabilizara un agujero de gusano el tiempo suficiente para que algo, o alguien, lo atravesara. Se dio cuenta de que una civilización de este tipo podría alinear un «material exótico» —que contrarresta su tendencia al colapso— en la garganta de un agujero de gusano. El material poseería energía negativa, que desviaría la radiación y haría que el espacio-tiempo se aparte de sí mismo.

Sagan usó el truco en Contacto y, para evitar entrar en detalles, atribuyó la invención del material exótico a una antigua civilización desaparecida.





Mientras tanto, esos detalles cautivaron a Thorne, sus estudiantes y muchos otros físicos, que pasaron años explorando agujeros de gusano transversales y sus implicaciones teóricas. Descubrieron que estos agujeros de gusano pueden servir como máquinas del tiempo, y producir paradojas del viaje en el tiempo: evidencia de que el material exótico está prohibido en la naturaleza.

Ahora, décadas más tarde, ha surgido una nueva especie de agujero de gusano atravesable, libre de material exótico y lleno de potencial para ayudar a los físicos a resolver una paradoja desconcertante sobre los agujeros negros. Esta paradoja es el problema que atormentó a Sagan en el primer borrador de Contacto, y llevó a Thorne a considerar los agujeros de gusanos transitables; ya que las cosas que caen en agujeros negros parecen desaparecer sin dejar rastro.

Este borrado total de la información rompe las reglas de la mecánica cuántica, y tanto desconcierta a los expertos que en los últimos años, algunos han argumentado que los interiores de agujeros negros realmente no existen, que el espacio y el tiempo, extrañamente, terminan en sus horizontes.

La ráfaga de hallazgos comenzó el año pasado con un artículo que informó sobre el primer agujero de gusano transitable que no requiere la inserción de material exótico para permanecer abierto. En cambio, según Ping Gao y Daniel Jafferis de la Universidad de Harvard y Aron Wall de la Universidad de Stanford, la energía negativa de repulsión en la garganta del agujero de gusano se puede generar desde el exterior mediante una conexión cuántica especial entre el par de agujeros negros que forman las dos bocas del túnel de gusano.

Cuando los agujeros negros están conectados de la manera correcta, algo arrojado en uno se deslizará a lo largo del agujero de gusano y, siguiendo ciertos eventos en el universo exterior, saldrá del segundo. Sorprendentemente, Gao, Jafferis y Wall notaron que su escenario es matemáticamente equivalente a un proceso llamado teleportación cuántica, que es clave para la criptografía cuántica, y se puede demostrar en experimentos de laboratorio.

John Preskill, experto en gravedad cuántica y agujeros negros en Caltech, dice que el nuevo agujero de gusano atravesable es una sorpresa, con implicaciones para la paradoja de la información del agujero negro y los interiores del agujero negro. «Lo que realmente me gusta», dijo, «es que un observador puede entrar al agujero negro y luego escapar para contar lo que vio». Esto sugiere que los interiores del agujero negro realmente existen, explicó, y que lo que entra puede salir.

Una ecuación críptica

El nuevo trabajo sobre agujeros de gusanos comenzó en 2013, cuando Jafferis asistió a una intrigante charla en la conferencia Strings en Corea del Sur. El disertante, Juan Maldacena, un profesor argentino de física en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, había concluido recientemente, basándose en varios indicios y argumentos, que » ER = EPR». Es decir, los agujeros de gusano entre puntos distantes en el espacio-tiempo, los más simples de los cuales se llaman Einstein-Rosen o puentes «ER», son equivalentes (aunque de alguna manera mal definida) a partículas cuánticas entrelazadas, también conocidas como pares de Einstein-Podolsky-Rosen o «EPR».

La conjetura ER = EPR, planteado por Maldacena y Leonard Susskind de Stanford, fue un intento de resolver la encarnación moderna de la infame paradoja de la información del agujero negro atando la geometría espacio-temporal, gobernada por la relatividad general, a las conexiones cuánticas instantáneas entre partículas muy distantes que Einstein llamó «espeluznante acción a distancia».

La paradoja apareció en 1974, cuando el físico británico Stephen Hawking determinó que los agujeros negros se evaporan, emitiendo lentamente calor en forma de partículas conocidas ahora como «radiación de Hawking«. Hawking calculó que este calor es completamente aleatorio; no contiene información sobre el contenido del agujero negro. A medida que el agujero negro se apaga, también desaparece del universo el registro de todo lo que entró. Esto viola un principio llamado «unitaridad«, la columna vertebral de la teoría cuántica, que sostiene que a medida que las partículas interactúan, la información sobre ellas nunca se pierde, solo se perturban y mezclan, de modo que si inviertes la flecha del tiempo en la evolución cuántica del universo, se puede ver como las cosas se desenvuelven en una recreación exacta del pasado.

Casi todos creen en la unitaridad, lo que significa que la información debe escapar de los agujeros negros, pero ¿cómo? En los últimos cinco años, algunos teóricos, en especial Joseph Polchinski de la Universidad de California, Santa Bárbara, han argumentado que los agujeros negros son conchas vacías sin interiores en absoluto, que Ellie Arroway, al impactar el horizonte de sucesos del agujero negro, chisporretearía en un «firewall» y sería irradiada de regreso.

Muchos teóricos creen en los interiores de agujeros negros (y en transiciones más suaves a través de sus horizontes), pero para comprenderlo deben descubrir cuál es el destino de la información que cae dentro. Esto es crítico para construir una teoría cuántica de la gravedad funcional, la unión largamente buscada de las descripciones cuánticas y las espaciotemporales de la naturaleza, que entra en mayor relieve en los interiores del agujero negro, donde la gravedad extrema actúa a escala cuántica.

La conexión de gravedad cuántica es lo que atrajo a Maldacena, y más tarde a Jafferis, a la idea ER = EPR, y a los agujeros de gusano. La relación implícita entre túneles en el espacio-tiempo y el entrelazamiento cuántico planteado por ER = EPR resonó con una creencia reciente popular de que el espacio está, en esencia, unido a la existencia por entrelazamiento cuántico. Parecía que los agujeros de gusano tenían un papel que desempeñar al unir el espacio-tiempo y dejar que la información del agujero negro se escapara de los agujeros negros, pero ¿cómo podría funcionar esto?

Cuando Jafferis escuchó a Maldacena hablar sobre su ecuación críptica y la evidencia de ello, él era consciente de que un agujero de gusano ER estándar es inestable e intransitable. Pero se preguntó qué significaría la dualidad de Maldacena para un agujero de gusano atravesable como los que Thorne y otros estuvieron jugando hace décadas. Tres años después de la conferencia en Corea del Sur, Jafferis y sus colaboradores, Gao y Wall, presentaron su respuesta. El trabajo amplía la idea ER = EPR al igualar, no un agujero de gusano estándar y un par de partículas entrelazadas, sino un agujero de gusano atravesable y la teletransportación cuántica: un protocolo descubierto en 1993 que permite que un sistema cuántico desaparezca y reaparezca intacto en otro lugar.





Cuando Maldacena leyó el documento de Gao, Jafferis y Wall, opinó: «lo vi como una idea realmente agradable, una de estas ideas que después de que alguien te la dice, es obvia». Maldacena y dos colaboradores, Douglas Stanford y Zhenbin Yang , inmediatamente comenzaron a explorar las ramificaciones del nuevo agujero de gusano respecto a la paradoja de la información del agujero negro; su artículo apareció en abril. Susskind y Ying Zhao de Stanford lo siguieron con un artículo sobre teletransportación en agujeros de gusano en julio. El agujero de gusano «da una imagen geométrica interesante de cómo ocurre la teletransportación», dijo Maldacena. «El mensaje en realidad pasa por el agujero de gusano».

Buceando en agujeros de gusano

En su artículo, “Diving Into Traversable Wormholes” («Buceando dentro de agujeros de gusano transversables»), publicado en Fortschritte der Physik , Maldacena, Stanford y Yang consideran un nuevo tipo de agujero de gusanoque conecta dos agujeros negros: un agujero negro parental y uno secundario, formado a partir de la mitad de la radiación Hawking emitida por el progenitor al evaporarse. Los dos sistemas están tan entrelazados como es posible. Aquí, el destino de la información del antiguo agujero negro es claro: sale del agujero negro «hijo».

Durante una entrevista este mes en su tranquila oficina en el IAS, Maldacena, un reservado argentino-estadounidense con una trayectoria de ideas influyentes, describió sus radicales reflexiones. En el lado derecho de una pizarra con tiza, Maldacena dibujó una imagen de dos agujeros negros conectados por el nuevo agujero de gusano atravesable. A la izquierda, esbozó un experimento de teletransportación cuántica, realizado por los famosos experimentadores ficticios Alice y Bob, que están en posesión de partículas cuánticas enredadas «a» y «b», respectivamente. Digamos que Alice quiere teletransportar un qubit «q» a Bob. Ella prepara un estado combinado de «q» y «a», mide ese estado combinado (reduciéndolo a un par de bits clásicos, 1 o 0) y envía el resultado de esta medición a Bob. Él luego puede usar esto como una clave para operar sobre «b» de una manera que recrea el estado «q». Y voila, una unidad de información cuántica se ha teletransportado de un lugar a otro.

Maldacena giró hacia el lado derecho de la pizarra. «Puedes hacer operaciones con un par de agujeros negros que son honradamente equivalentes a lo que discutí [sobre la teletransportación cuántica]. Y en ese panorama, este mensaje realmente pasa por el agujero de gusano».

Digamos que Alice lanza el qubit «q» en el agujero negro A. Luego mide una partícula de su radiación Hawking, «a», y transmite el resultado de la medición a través del universo externo a Bob, quien puede usar este conocimiento para operar en «b», una partícula de Hawking que sale del agujero negro B. La operación de Bob reconstruye «q», que parece salir de B, una perfecta copia de la partícula que cayó en A. Esta es la razón por la que algunos físicos están entusiasmados: Gao, Jafferis, y el agujero de gusano de Wall, permiten recuperar información de los agujeros negros. En su artículo, configuran su agujero de gusano en una geometría espacio-tiempo negativamente curva que a menudo sirve como un espacio de pruebas útil, si bien poco real, para los teóricos de la gravedad cuántica.

Sin embargo, su idea de agujero de gusano parece extenderse al mundo real, siempre y cuando dos agujeros negros se acoplen de la manera correcta: «Tienen que estar conectados causalmente y entonces la naturaleza de la interacción que tomamos es de lo más simple que puedas imaginar, «Explicó Jafferis. Si permite que la radiación Hawking de uno de los agujeros negros caiga en la otra, los dos agujeros negros se entrelzanan, y la información cuántica que cae en uno puede salir de la otra.

El formato de teletransportación cuántica impide usar estos agujeros de gusano transversales como máquinas del tiempo. Todo lo que pasa por el agujero de gusano tiene que esperar a que el mensaje de Alicia viaje hacia Bob por el universo exterior antes de que pueda salir del agujero negro de Bob, por lo que el agujero de gusano no ofrece ningún impulso superlumínico que pueda explotarse para viajar en el tiempo. Parece que se pueden permitor los agujeros de gusano transitables en la naturaleza siempre que no ofrezcan una ventaja de velocidad. «Los agujeros de gusano que se pueden atravesar son como obtener un préstamo bancario», escribieron Gao, Jafferis y Wall en su periódico: «Solo puedes obtener uno si eres lo suficientemente rico como para no necesitarlo».

Un pulpo ingenuo

Aunque los agujeros de gusano transversales no revolucionarían los viajes espaciales, según Preskill, el descubrimiento del nuevo agujero de gusano proporciona «una resolución prometedora» para la cuestión del firewall del agujero negro, al sugerir que no hay un cortafuegos en los horizontes de los agujeros negros. Preskill dijo que el descubrimiento rescata «lo que llamamos ‘complementariedad del agujero negro’, lo que significa que el interior y el exterior del agujero negro no son realmente dos sistemas diferentes, sino dos formas muy diferentes y complementarias de mirar el mismo sistema». Si la complementariedad se sostiene, como se supone ampliamente, entonces al pasar a través del horizonte de un agujero negro de una realiad a la otra, Ellie Arroway de Contact no notaría nada extraño. Esto parece más probable si, bajo ciertas condiciones, ella podría incluso deslizarse a través de un agujero de gusano Gao-Jafferis-Wall.

El agujero de gusano también salvaguarda la unitaridad —el principio de que la información nunca se pierde—, al menos para los agujeros negros entrelazados que se estudian. Lo que cae en un agujero negro sale al fin del otro como radiación de Hawking, dijo Preskill, que «se puede considerar, en cierto sentido, como una copia muy revuelta del interior del agujero negro».

Llevando los hallazgos a su conclusión lógica, Preskill piensa que debería ser posible (al menos para una civilización infinitamente avanzada) influir en el interior de uno de estos agujeros negros mediante la manipulación de su radiación. Esto «suena loco», escribió en un correo electrónico, pero «podría tener sentido si podemos pensar en la radiación, que está entrelazada con el agujero negro —EPR—como que está conectada al interior del agujero negro por agujeros de gusano ER. ¡Entonces, al hacerle cosquillas a la radiación se puede enviar un mensaje que se puede leer desde el interior del agujero negro!», añadió,» Todavía tenemos mucho camino por recorrer, antes de que podamos completar esta imagen con más detalle «.

De hecho, quedan obstáculos en la búsqueda de generalizar los nuevos hallazgos de agujeros de gusano en una declaración sobre el destino de toda la información cuántica, o el significado de ER = EPR.

En el artículo de Maldacena y Susskind que propone ER = EPR, incluyeron un boceto que se conoce como el «pulpo»: un agujero negro con agujeros de gusano en forma de tentáculos que conducen a partículas distantes de Hawking que se han evaporado. Los autores explicaron que el boceto ilustra «el patrón de entrelazamiento entre el agujero negro y la radiación de Hawking. Esperamos que este entrelazamiento conduzca a la geometría interior del agujero negro «.

Pero según Matt Visser, matemático y experto en relatividad general de la Universidad Victoria de Wellington en Nueva Zelanda que ha estudiado los agujeros de gusano desde la década de 1990, la lectura más literal de la imagen del pulpo no funciona. Las gargantas de los agujeros de gusano formadas por partículas de Hawking serían tan finas que los qubits nunca podrían pasar. «Una garganta de agujero de gusano atravesable es ‘transparente’ solo para transmitir paquetes con un tamaño más pequeño que el radio de la garganta», explicó Visser. «Los paquetes grandes simplemente rebotan en toda garganta de gusano sin cruzar al otro lado».

Stanford, quien co-escribió el trabajo reciente con Maldacena y Yang, reconoció que este es un problema con la interpretación más simple de la idea ER = EPR, en la que cada partícula de radiación Hawking tiene su propio agujero de gusano en forma de tentáculo. Sin embargo, una interpretación más especulativa de ER = EPR que tienen en mente él y otros no adolece de este inconveniente. «La idea es que para recuperar la información de la radiación Hawking usando este [tipo de] agujero de gusano», dijo Stanford, uno tiene que «juntar la radiación Hawking y actuar de una manera complicada». Esta complicada medición colectiva revela información sobre las partículas que cayeron adentro; tiene el efecto, dijo, de «crear un gran agujero de gusano atravesable a partir de los pequeños e inútiles tentáculos de pulpo. La información se propagaría luego a través de este gran agujero de gusano». Maldacena agregó que, en pocas palabras, la teoría de la gravedad cuántica podría tener una nueva noción generalizada de geometría para la cual ER se iguala a EPR. «Creemos que la gravedad cuántica debe obedecer este principio», dijo. «Lo vemos más como una guía para la teoría».

En su popular libro de ciencia de 1994, Black Holes and Time Warps («Agujeros negros y deformaciones del tiempo»), Kip Thorne hizo famoso el estilo de razonamiento involucrado en la investigación de agujeros de gusanos. «Ningún tipo de experimento mental empuja las leyes de la física más fuerte que el tipo desencadenado por la llamada telefónica que me hizo de Carl Sagan», escribió; «Experimentos mentales que preguntan: ‘¿Qué cosas permiten hacer las leyes de la física a una civilización infinitamente avanzada, y qué cosas prohiben?'».

Historia original reimpreso con permiso de Revista Quanta , una publicación editorial independiente del Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia mediante la cobertura de los desarrollos de investigación y las tendencias en las matemáticas y las ciencias físicas y de la vida.

Fuente: Wired. Traducido y adaptado por Eduardo J. Carletti

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