Una propiedad cuántica apodada «magia» podría ser la clave para explicar cómo surgieron el espacio y el tiempo, según sugiere un nuevo análisis matemático realizado por tres físicos de RIKEN.

Es difícil concebir algo más básico que el tejido del espacio-tiempo que sustenta el Universo, pero los físicos teóricos han estado cuestionando esta suposición. Los físicos llevan mucho tiempo fascinados con la posibilidad de que el espacio y el tiempo no sean fundamentales, sino que deriven de algo más profundo, afirma Kanato Goto, del Centro Interdisciplinario de Ciencias Teóricas y Matemáticas (iTHEMS) de RIKEN.

Esta noción recibió un impulso 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, Maldacena imaginó un espacio hipotético -que puede imaginarse encerrado en algo parecido a una lata de sopa infinita, o «bulto»- que alberga objetos como agujeros negros sobre los que actúa la gravedad. Maldacena también imaginó partículas moviéndose en la superficie de la lata, controladas por la mecánica cuántica. Se dio cuenta de que, desde el punto de vista matemático, una teoría cuántica que describiera las partículas de la superficie era equivalente a una teoría gravitatoria que describiera los agujeros negros y el espacio-tiempo del interior de la lata.

Vista del agujero negro supermasivo M87. Físicos teóricos del RIKEN han relacionado por primera vez la naturaleza caótica de los agujeros negros con la propiedad cuántica de la magia | foto EHT Collaboration

Esta relación indica que el espacio-tiempo en sí no existe fundamentalmente, sino que emerge de alguna naturaleza cuántica, afirma Goto. Los físicos están intentando comprender la propiedad cuántica que es clave.

La idea original era que el entrelazamiento cuántico -que vincula a las partículas por muy separadas que estén- era el factor más importante: cuanto más entrelazadas estén las partículas, más suave será el espacio-tiempo dentro de la masa.

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

Foto zombiu26 en depositphotos.com

Por ello, Goto y los investigadores de iTHEMS Tomoki Nosaka y Masahiro Nozaki buscaron otra cantidad cuántica que pudiera aplicarse al sistema y que también pudiera trasladarse a la masa para describir los agujeros negros de forma más completa. En concreto, 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.

El equipo se topó con la «magia», que es una medida matemática de la dificultad de simular un estado cuántico con un ordenador clásico (no cuántico) ordinario. 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.

Se trata del primer vínculo directo entre la propiedad cuántica de la “magia” y la naturaleza caótica de los agujeros negros. Este hallazgo sugiere que la “magia” está fuertemente implicada en la aparición del espaciotiempo, afirma Goto.

Fuentes

RIKEN | Goto, K., Nosaka, T. & Nozaki, M. Probing chaos by magic monotones. Physical Review D 106, 126009 (2022). doi:10.1103/PhysRevD.106.126009

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