La “magia” cuántica y el caos de los agujeros negros podrían ayudar a explicar el origen del espacio-tiempo

Los físicos vinculan por primera vez la propiedad cuántica de la magia con la naturaleza caótica de los agujeros negros.

Un nuevo análisis matemático realizado por tres físicos de RIKEN sugiere que una propiedad cuántica denominada “magia” podría ser la clave para explicar cómo surgen el espacio y el tiempo.

Es difícil concebir algo más fundamental que el tejido del espacio-tiempo que sustenta el universo, pero los físicos teóricos cuestionan esta suposición. “Los físicos han estado fascinados durante mucho tiempo por la posibilidad de que el espacio y el tiempo no sean fundamentales, sino que se deriven de algo más profundo”, dice Kanato Goto de Ciencias Matemáticas y Teóricas Interdisciplinarias de RIKEN (iTHEMS).

Vista del agujero negro supermasivo M87. Los físicos teóricos de RIKEN han vinculado la naturaleza caótica de los agujeros negros a la propiedad cuántica de la magia por primera vez. Crédito: Colaboración EHT

Esta idea recibió un impulso en la década de 1990, cuando el físico teórico Juan Maldacena conectó la teoría de la gravedad que rige el espacio-tiempo con una teoría que involucra partículas cuánticas. En particular, imagine un espacio hipotético, que podría imaginarse rodeado por algo como una lata de sopa infinita, o “grupo”, que contiene cosas como agujeros negros que se ven afectados por la gravedad. Maldacena también imaginó partículas moviéndose por la superficie de una lata, controladas por la mecánica cuántica. Se dio cuenta de que la teoría cuántica utilizada para describir partículas en el límite en matemáticas es equivalente a la teoría gravitacional que describe los agujeros negros y el espacio-tiempo dentro de un cúmulo.

“Esta relación indica que el espacio-tiempo en sí mismo no existe esencialmente, sino que surge de una naturaleza cuántica”, dice Goto. Los físicos están tratando de entender qué propiedad cuántica es clave.

Kanato Goto y dos colegas han realizado un análisis utilizando agujeros de gusano que arroja luz sobre la paradoja de la información del agujero negro. Crédito: © 2022 RIKEN

La idea original era que el entrelazamiento cuántico, que conecta partículas sin importar cuán separadas estén, era el factor más importante: cuantas más partículas entrelazadas hay en el límite, más uniforme es el espacio-tiempo dentro del cúmulo.

“Pero solo mirar el grado de entrelazamiento en el límite no puede explicar todas las propiedades de los agujeros negros, por ejemplo, cómo pueden crecer sus interiores”, dice Guto.

Por lo tanto, Goto y sus colegas de iTHEMS, Tomoki Nosaka y Masahiro Nozaki, buscaron otro cuanto que pudiera aplicarse al régimen de límites y que también pudiera asignarse a la masa para describir de manera más completa los agujeros negros. En particular, notaron que los agujeros negros tienen una propiedad caótica que necesita descripción.

Cuando arrojas algo[{” attribute=””>black hole, information about it gets scrambled and cannot be recovered,” says Goto. “This scrambling is a manifestation of chaos.”

The team came across ‘magic’, which is a mathematical measure of how difficult a quantum state is to simulate using an ordinary classical (non-quantum) computer. Their calculations showed that in a chaotic system almost any state will evolve into one that is ‘maximally magical’—the most difficult to simulate.

This provides the first direct link between the quantum property of magic and the chaotic nature of black holes. “This finding suggests that magic is strongly involved in the emergence of spacetime,” says Goto.

Reference: “Probing chaos by magic monotones” by Kanato Goto, Tomoki Nosaka and Masahiro Nozaki, 19 December 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.106.126009