Durante más de dos décadas, los físicos han reflexionado sobre cómo el tejido del espacio-tiempo puede surgir de algún tipo de entrelazamiento cuántico. En el laboratorio de Monika Schleier-Smith en la Universidad de Stanford, el experimento mental se está volviendo real.
por Adam Becker
Las perspectivas de probar directamente una teoría de la gravedad cuántica son escasas, por decirlo suavemente. Para sondear la escala ultrapequeña de Planck, donde aparecen los efectos gravitacionales cuánticos, se necesitaría un acelerador de partículas tan grande como la Vía Láctea. Del mismo modo, los agujeros negros contienen singularidades que se rigen por la gravedad cuántica, pero ningún agujero negro está particularmente cerca, e incluso si lo estuvieran, nunca podríamos esperar ver lo que hay dentro. La gravedad cuántica también estuvo en funcionamiento en los primeros momentos del Big Bang, pero las señales directas de esa época desaparecieron hace mucho tiempo, lo que nos permite descifrar pistas sutiles que aparecieron por primera vez cientos de miles de años después.
Pero en un pequeño laboratorio en las afueras de Palo Alto, la profesora de la Universidad de Stanford Monika Schleier-Smith y su equipo están intentando una forma diferente de probar la gravedad cuántica, sin agujeros negros o aceleradores de partículas del tamaño de una galaxia. Los físicos han estado sugiriendo durante más de una década que la gravedad, e incluso el propio espacio-tiempo, pueden surgir de una extraña conexión cuántica llamada entrelazamiento. Schleier-Smith y sus colaboradores están aplicando ingeniería inversa al proceso. Mediante la ingeniería de sistemas cuánticos altamente entrelazados en un experimento de mesa, Schleier-Smith espera producir algo que se vea y actúe como el espacio-tiempo deformado predicho por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.
En un artículo publicado en junio , su equipo anunció su primer paso experimental a lo largo de esta ruta: un sistema de átomos atrapados por la luz, con conexiones hechas por encargo, finamente controladas con campos magnéticos. Cuando se sintoniza correctamente, las correlaciones de larga distancia en este sistema describen una geometría en forma de árbol, similar a las que se ven en modelos simples de espacio-tiempo emergente. Schleier-Smith y sus colegas esperan aprovechar este trabajo para crear análogos de geometrías más complejas, incluidas las de los agujeros negros. En ausencia de nuevos datos de la física de partículas o la cosmología, una situación que podría continuar indefinidamente, esta podría ser la ruta más prometedora para poner a prueba las últimas ideas sobre la gravedad cuántica.
Los peligros de las predicciones perfectas
Durante cinco décadas, la teoría predominante de la física de partículas, el Modelo Estándar , ha tenido casi nada más que éxito, para la frustración interminable de los físicos de partículas. El problema radica en el hecho de que el Modelo Estándar, a pesar de su éxito, está claramente incompleto. No incluye la gravedad, a pesar de la larga búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica para reemplazar la relatividad general. Tampoco puede explicar la materia oscura o la energía oscura, que representan el 95% de todas las cosas del universo. (El Modelo Estándar también tiene problemas con el hecho de que los neutrinos tienen masa, el único fenómeno de física de partículas que no ha podido predecir).
Además, el modelo estándar en sí mismo dicta que más allá de un cierto umbral de alta energía, uno estrechamente relacionado con la escala de Planck, es casi seguro que falla.
Los físicos están desesperados por obtener datos experimentales desconcertantes que puedan ayudarlos a guiarlos mientras construyen el reemplazo del Modelo Estándar. La teoría de cuerdas, que sigue siendo el candidato principal para reemplazar el modelo estándar, a menudo ha sido acusada de no ser comprobable . Pero una de las características más extrañas de la teoría de cuerdas sugiere una forma de probar algunas ideas sobre la gravedad cuántica que no requieren hazañas poco prácticas de la arquitectura galáctica.
La teoría de cuerdas está llena de dualidades: relaciones entre diferentes sistemas físicos que comparten la misma estructura matemática. Quizás la más sorprendente y consecuente de estas dualidades es una conexión entre un tipo de teoría cuántica en cuatro dimensiones sin gravedad, conocida como teoría de campo conforme (CFT), y un tipo particular de espacio-tiempo de cinco dimensiones con gravedad, conocido como un espacio anti-de Sitter (AdS). Esta correspondencia AdS / CFT , como se la conoce, fue descubierta por primera vez en 1997 por el físico Juan Maldacena , ahora en el Instituto de Estudios Avanzados.
Debido a que el CFT tiene una dimensión menos que el espacio AdS, se puede pensar que el primero se encuentra en la superficie del segundo, como la piel bidimensional de una manzana tridimensional. Sin embargo, la teoría cuántica en la superficie aún captura completamente todas las características del volumen en el interior, como si pudieras contar todo sobre el interior de una manzana con solo mirar su piel. Este es un ejemplo de lo que los físicos llaman holografía: un espacio de menor dimensión que da lugar a un espacio de mayor dimensión, como un holograma plano que produce una imagen en 3D.
En la correspondencia AdS / CFT, el espacio interior o “masivo” surge de las relaciones entre los componentes cuánticos en la superficie. Específicamente, la geometría del espacio masivo se construye a partir del entrelazamiento , las conexiones cuánticas “espeluznantes” que inquietaron infamemente a Einstein. Las regiones vecinas de la masa corresponden a porciones de la superficie muy enredadas. Las regiones distantes de la masa corresponden a partes menos enredadas de la superficie. Si la superficie tiene un conjunto simple y ordenado de relaciones de entrelazamiento, el espacio de volumen correspondiente estará vacío. Si la superficie es caótica, con todas sus partes enredadas con todas las demás, la masa formará un agujero negro.
La correspondencia AdS / CFT es una visión profunda y fructífera de las conexiones entre la física cuántica y la relatividad general. Pero en realidad no describe el mundo en el que vivimos . Nuestro universo no es un espacio de cinco dimensiones anti-de Sitter, es un espacio de cuatro dimensiones en expansión con una geometría “plana”.
Entonces, en los últimos años, los investigadores han propuesto otro enfoque. En lugar de comenzar desde la masa, nuestro propio universo, y buscar el tipo de patrón de entrelazamiento cuántico que podría producirlo, podemos ir en el sentido contrario. Quizás los experimentadores podrían construir sistemas con entrelazamientos interesantes, como el CFT en la superficie, y buscar cualquier análogo de la geometría del espacio-tiempo y la gravedad que surja.
Es más fácil decirlo que hacerlo. Todavía no es posible construir un sistema como cualquiera de los sistemas cuánticos que interactúan fuertemente que se sabe que tienen duales gravitacionales. Pero los teóricos solo han trazado una pequeña fracción de los sistemas posibles; muchos otros son demasiado complejos para estudiarlos teóricamente con las herramientas matemáticas existentes. Para ver si alguno de esos sistemas realmente produce algún tipo de geometría de espacio-tiempo, la única opción es construirlos físicamente en el laboratorio y ver si también tienen un dual gravitacional. “Estas construcciones experimentales podrían ayudarnos a descubrir tales sistemas”, dijo Maldacena. “Puede que haya sistemas más simples que los que conocemos”. Entonces, los teóricos de la gravedad cuántica se han dirigido a expertos en la construcción y el control del entrelazamiento en sistemas cuánticos, como Schleier-Smith y su equipo.
La gravedad cuántica se encuentra con los átomos fríos
“Hay algo realmente elegante en la teoría de la mecánica cuántica que siempre me ha gustado”, dijo Schleier-Smith. “Si vas al laboratorio, verás que hay cables por todas partes y todo tipo de componentes electrónicos que tuvimos que construir y aspirar sistemas y hardware de aspecto desordenado. Pero al final del día, puede crear un sistema limpio y controlado de tal manera que se adapte perfectamente a este tipo de teoría elegante que puede escribir en papel “.
Esta elegancia desordenada ha sido un sello distintivo del trabajo de Schleier-Smith desde sus días de licenciatura en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, donde usó la luz para convencer a las colecciones de átomos en estados entrelazados particulares y demostró cómo usar estos sistemas cuánticos para construir relojes atómicos más precisos. . Después del MIT, pasó unos años en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, antes de aterrizar en Stanford en 2013. Un par de años más tarde, Brian Swingle , un físico teórico entonces en Stanford trabajando en teoría de cuerdas, gravedad cuántica y otros temas relacionados, se acercó a ella con una pregunta inusual. “Le escribí un correo electrónico diciendo, básicamente, ‘¿Puedes revertir el tiempo en tu laboratorio?’”, Dijo Swingle. “Y ella dijo si. Y así empezamos a hablar “.
Swingle quería invertir el tiempo para estudiar los agujeros negros y un fenómeno cuántico conocido como codificación. En la codificación cuántica, la información sobre el estado de un sistema cuántico se dispersa rápidamente a través de un sistema más grande, lo que dificulta mucho la recuperación de la información original. “Los agujeros negros son muy buenos codificadores de información”, dijo Swingle. “Ocultan muy bien la información”. Cuando se deja caer un objeto en un agujero negro, la información sobre ese objeto se oculta rápidamente del resto del universo. Comprender cómo los agujeros negros oscurecen la información sobre los objetos que caen en ellos, y si esa información está simplemente oculta o realmente destruida, ha sido un enfoque importante de la física teórica desde la década de 1970.
En la correspondencia AdS / CFT, un agujero negro en la masa corresponde a una densa red de entrelazamiento en la superficie que codifica la información entrante muy rápidamente. Swingle quería saber cómo se vería un sistema cuántico de codificación rápida en el laboratorio, y se dio cuenta de que para confirmar que la codificación se estaba produciendo lo más rápido posible, los investigadores tendrían que controlar estrictamente el sistema cuántico en cuestión, con la capacidad para revertir perfectamente todas las interacciones. “El tipo de forma obvia de hacerlo requería la capacidad de adelantar y rebobinar el sistema de manera efectiva”, dijo Swingle. “Y eso no es algo que puedas hacer en un tipo de experimento diario”. Pero Swingle sabía que el laboratorio de Schleier-Smith podría controlar el entrelazamiento entre átomos con el suficiente cuidado como para revertir perfectamente todas sus interacciones, como si el tiempo corriera hacia atrás.
Entonces Swingle se acercó a Schleier-Smith y le dijo lo que quería hacer. “Me explicó esta conjetura de que este proceso de codificación, que hay un límite de velocidad fundamental para la rapidez con que eso puede suceder”, dijo Schleier-Smith. “Y que si pudieras construir un sistema cuántico en el laboratorio que se revuelva a este límite de velocidad fundamental, entonces tal vez sería una especie de análogo de un agujero negro”. Sus conversaciones continuaron y, en 2016, Swingle y Schleier-Smith fueron coautores de un artículo , junto con Patrick Hayden, otro teórico de Stanford, y Gregory Bentsen, uno de los estudiantes graduados de Schleier-Smith en ese momento, esbozando un método factible para crear e investigando la codificación cuántica rápida en el laboratorio.
Ese trabajo dejó a Schleier-Smith contemplando otras cuestiones gravitacionales cuánticas que su laboratorio podría investigar. “Eso me hizo pensar … tal vez estas sean realmente buenas plataformas para poder realizar algunos modelos de juguete de gravedad cuántica que son difíciles de realizar por otros medios”, dijo. Comenzó a considerar una configuración en la que pares de átomos se entrelazarían, y luego cada par se enredaría con otro par, y así sucesivamente, formando una especie de árbol. “Parecía un poco descabellado hacerlo, pero al menos podría imaginarme en el papel cómo diseñarías un sistema en el que puedas hacer eso”, dijo. Pero no estaba segura de si esto realmente correspondía a algún modelo conocido de gravedad cuántica.
Intensa y afable, Schleier-Smith tiene un entusiasmo contagioso por su trabajo, como descubrió su alumno Bentsen. Había comenzado su trabajo de doctorado en Stanford en física teórica, pero Schleier-Smith logró atraerlo a su grupo de todos modos. “En cierto modo lo convencí de que hiciera experimentos”, recordó, “pero él también mantuvo un interés en la teoría y le gustaba charlar con los teóricos de todo el departamento”. Habló de su nueva idea con Bentsen, quien la analizó con Sean Hartnoll , otro teórico de Stanford. Hartnoll, a su vez, hizo de casamentero, conectando a Schleier-Smith y Bentsen con Steven Gubser, un teórico de la Universidad de Princeton. (Gubser murió más tarde en un accidente de escalada).
En ese momento, Gubser estaba trabajando en un giro en la correspondencia AdS / CFT. En lugar de utilizar el tipo familiar de números que los físicos usan por lo general, estaba usando un conjunto de sistemas de números alternativos conocidos como los p números -adic . La distinción clave entre los p -ádicos y los números “reales” ordinarios es la forma en que se define el tamaño de un número. En los p -ádicos, el tamaño de un número está determinado por sus factores primos. Hay un sistema numérico p -ádico para cada número primo: los 2-adics, los 3-adics, los 5-adics, etc. En cada sistema numérico p -ádico, cuantos más factores tenga un número que sean múltiplos de p, cuanto menor sea ese número. Entonces, por ejemplo, en los 2-adics, 44 está mucho más cerca de 0 que de 45, porque 44 tiene dos factores que son múltiplos de 2, mientras que 45 no tiene ninguno. Pero en los 3-adics, es al revés; 45 está más cerca de 0 que de 44, porque 45 tiene dos factores que son múltiplos de 3. Cada sistema numérico p -ádico también se puede representar como una especie de árbol, con cada rama que contiene números que tienen el mismo número de factores que son múltiplos de p .
Utilizando los p -adics, Gubser y otros habían descubierto un hecho notable sobre la correspondencia AdS / CFT. Si reescribe la teoría de la superficie usando los números p -ádicos en lugar de los reales, la mayor parte se reemplaza con una especie de árbol infinito. Específicamente, es un árbol con infinitas ramas agrupadas en un espacio finito, que se asemeja a la estructura de los números p -ádicos mismos. Los p -adics, escribió Gubser, son “naturalmente holográficos”.
“La estructura de los números p -ádicos que [Gubser] me contó me recordó la forma en que los átomos de Monika interactuaban entre sí”, dijo Hartnoll, “así que los puse en contacto”. Gubser fue coautor de un artículo en 2019 con Schleier-Smith, Bentsen y otros. En el artículo, el equipo describió cómo hacer que algo parecido al árbol p -ádico emerja de los átomos entrelazados en un laboratorio real. Con el plan en la mano, Schleier-Smith y su equipo se pusieron manos a la obra.
Construyendo espacio-tiempo en el laboratorio
El laboratorio de Schleier-Smith en Stanford es un denso bosque de espejos, lentes y cables de fibra óptica que rodean una cámara de vacío en el centro de la habitación. En esa cámara de vacío, 18 diminutas colecciones de átomos de rubidio, alrededor de 10,000 por grupo, están dispuestas en una línea y se enfrían a temperaturas increíblemente bajas, una fracción de grado por encima del cero absoluto. Un láser especialmente sintonizado y un campo magnético que aumenta de un extremo de la cámara al otro permiten a los experimentadores elegir qué grupos de átomos se correlacionan entre sí.
Usando esta configuración de laboratorio, Schleier-Smith y su grupo de investigación pudieron obtener los dos grupos de átomos en los extremos de la línea tan correlacionados como los grupos vecinos en el medio de la línea, conectando los extremos y convirtiendo la línea en una línea. círculo de correlaciones. A continuación, persuadieron a la colección de átomos a formar una estructura en forma de árbol. Todo esto se logró sin mover los átomos en absoluto: la “geometría” de correlación estaba totalmente desconectada de la geometría espacial real de los átomos.
Si bien la estructura de árbol formada por los átomos que interactúan en el laboratorio de Schleier-Smith no es una realización completa de p -adic AdS / CFT, es “un primer paso hacia la holografía en el laboratorio”, dijo Hayden. Maldacena, el creador de la correspondencia AdS / CFT, está de acuerdo: “Estoy muy emocionado con esto”, dijo. “Nuestro tema siempre ha sido muy teórico, por lo que este contacto con el experimento probablemente generará más preguntas”.
Hayden ve esto como el camino del futuro. “En lugar de tratar de comprender el surgimiento del espacio-tiempo en nuestro universo, hagamos universos de juguete en el laboratorio y estudiemos el surgimiento del espacio-tiempo allí”, dijo. “Y eso suena como una locura, ¿verdad? Como una especie de científico loco, un poco loco, ¿verdad? Pero creo que realmente es más fácil hacer eso que probar directamente la gravedad cuántica “.
Schleier-Smith también es optimista sobre el futuro. “Todavía estamos en la etapa de obtener más y más control, caracterizando los estados cuánticos que tenemos. Pero… me encantaría llegar a ese punto en el que no sepamos qué pasará ”, dijo. “Y tal vez medimos las correlaciones en el sistema y aprendemos que hay una descripción geométrica, alguna descripción holográfica que no sabíamos que estaba allí. Eso sería genial.”
Fuente: https://www.quantamagazine.org/one-labs-quest-to-build-space-time-out-of-quantum-particles-20210907/
