Físicos creen poder «desenredar» la información atrapada en un agujero negro


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Físicos creen poder «desenredar» la información atrapada en un agujero negro
Representación artística de un agujero negro con un disco de acreción, y un chorro de gas caliente, llamado plasma. Crédito: NuSTAR / Caltech

Los agujeros negros son monstruos gravitacionales, exprimiendo gas y polvo hasta un punto microscópico como los grandes compactadores de basura cósmica. La física moderna dicta que, después de ser consumida, la información relacionada a esto debería perderse para siempre en el universo. Pero un nuevo experimento sugiere que podría haber una manera de utilizar la mecánica cuántica para obtener una idea del interior de un agujero negro.

Kevin Landsman, un estudiante graduado de física en el Joint Quantum Institute (JQI) de la University of Maryland en College Park, dijo en un comunicado:

En física cuántica, la información no se puede perder. En su lugar, la información se puede ocultar o mezclar entre las partículas subatómicas e inextricablemente vinculadas”.

Codificando la información del agujero negro

Landsman y sus coautores demostraron que podían medir cuándo y con qué rapidez se codificaba la información dentro de un modelo simplificado de un agujero negro, lo que ofrecía un posible vistazo a las entidades de otro modo impenetrables.

Los agujeros negros son objetos infinitamente densos e infinitamente pequeños formados a partir del colapso de una estrella gigante y muerta que se convirtió en supernova. Debido a su enorme atracción gravitacional, absorben el material circundante, que desaparece detrás de lo que se conoce como su horizonte de eventos, el punto más allá del cual nada, incluida la luz, puede escapar.

Físicos creen poder «desenredar» la información atrapada en un agujero negro
Crédito: WikiImages / Pixabay

En la década de 1970, el famoso físico teórico Stephen Hawking demostró que los agujeros negros pueden encogerse a lo largo de sus vidas. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, las reglas que dictan el comportamiento de las partículas subatómicas a pequeña escala, los pares de partículas aparecen espontáneamente justo fuera del horizonte de eventos de un agujero negro. Una de estas partículas cae en el agujero negro mientras que la otra es impulsada hacia afuera, robando una pequeña cantidad de energía en el proceso. En escalas de tiempo extremadamente largas, roba suficiente energía para que el agujero negro se evapore , un proceso conocido como radiación de Hawking.

Pero hay un enigma escondido en el corazón infinitamente denso del agujero negro. La mecánica cuántica dice que la información sobre una partícula (su masa, momentum, temperatura, etc.) nunca se puede destruir. Las reglas de la relatividad establecen simultáneamente que una partícula que se ha desplazado más allá del horizonte de eventos de un agujero negro se ha unido con el aplastamiento infinitamente denso en el centro del agujero negro, lo que significa que no se puede volver a recuperar ninguna información al respecto. Los intentos por resolver estos requisitos físicos incompatibles no han tenido éxito hasta la fecha; los teóricos que han trabajado en el problema denominan al dilema la «paradoja de la información del agujero negro».

El nuevo experimento

En su nuevo experimento, Landsman y sus colegas mostraron cómo obtener algo de alivio para este problema utilizando la partícula que vuela hacia el exterior en un par de radiación de Hawking. Debido a que está enredado con su compañero, lo que significa que su estado está inextricablemente vinculado al de su compañero, la medición de las propiedades de uno puede proporcionar detalles importantes sobre el otro.

Norman Yao, físico de la University of California en Berkeley y miembro del equipo, dijo en un comunicado:

Uno puede recuperar la información que se dejó caer en el agujero negro haciendo un cálculo cuántico masivo sobre estas [partículas] salientes”.

Las partículas dentro de un agujero negro han tenido toda su información «cuántica-mecánicamente». Es decir, su información se ha mezclado caóticamente de una manera que debería hacer que sea imposible salir de ella. Pero una partícula enredada que se mezcla con este sistema podría potencialmente pasar información a su compañero.

Hacer esto por un agujero negro del mundo real es irremediablemente complicado (y además, los agujeros negros son difíciles de encontrar en los laboratorios de física). Así que el grupo creó una computadora cuántica que realiza cálculos utilizando los bits entrelazados cuánticos, o qubits – la unidad básica de información utilizada en la computación cuántica. Luego establecieron un modelo simple utilizando tres núcleos atómicos del elemento iterbio, que estaban todos enredados entre sí.

Una computadora cuántica permitió realizar la investigación
Una computadora cuántica permitió realizar la investigación

Usando otro qubit externo, los físicos pudieron decir cuándo las partículas en el sistema de tres partículas se desenredaron y pudieron medir cuán revueltos estaban. Más importante aún, sus cálculos mostraron que las partículas se mezclaron específicamente entre sí y no con otras partículas en el medio ambiente.

Raphael Bousso, un físico teórico de la University of California que no participó en el trabajo, dijo en un comunicado:

Es un logro maravilloso. Resulta que distinguir cuál de estas cosas le está sucediendo realmente a su sistema cuántico es un problema muy difícil”.

Los resultados muestran cómo los estudios de agujeros negros están llevando a experimentos que pueden sondear pequeñas sutilezas en la mecánica cuántica, dijo Bousso, que podrían ser útiles en el desarrollo de futuros mecanismos de computación cuántica.

El estudio científico ha sido publicado en la revista Nature.


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