El nuevo agujero de gusano permite que la información escape de los agujeros negros

Los físicos han presentado la teoría de que un nuevo tipo de agujeros negros "transitables" puede resolver una paradoja compleja y guardar información que se ha metido en los agujeros negros

En 1985, cuando Carl Sagan escribió su novela "Contacto", necesitaba mover rápidamente a su protagonista, la Dra. Ellie Arroway, de la Tierra a la estrella Vega. Lo hizo para que ella cayera en un agujero negro y saliera a unos años luz de ella, pero no entendía si tal complot tiene sentido. El astrofísico de la Universidad de Cornell y reconocido presentador de televisión consultó con su amigo Kip Thorne , un experto en agujeros negros del Instituto de Tecnología de California (recientemente ganó el Premio Nobel ). Thorne sabía que Arroway no podía llegar a Vega con la ayuda de un agujero negro, que se cree que atrapa y destruye todo lo que entra . Pero se dio cuenta de que ella podría usar un tipo diferente de agujero que no contradiga la teoría general de la relatividad de Einstein: un túnel o un agujero de gusano que conecta lugares remotos del espacio-tiempo.

Los agujeros de gusano teóricos más simples colapsan y desaparecen inmediatamente antes de que algo pueda pasar a través de ellos. Pero Thorne se preguntó si la civilización de ciencia ficción "infinitamente avanzada" sería capaz de estabilizar el agujero de gusano el tiempo suficiente para que algo o alguien lo atraviese. Pensó que tal civilización podría diseñar un túnel con "material exótico" que resistiría el colapso. El material debe tener energía negativa que repele la radiación y el espacio-tiempo. Sagan usó este truco en "Contacto", atribuyendo la invención de material exótico a una civilización anterior y perdida, para no entrar en detalles. Mientras tanto, Thorne, sus estudiantes y muchos otros físicos capturaron estos mismos detalles y pasaron años estudiando agujeros negros pasables y sus aplicaciones teóricas. Descubrieron que estos BH pueden servir como máquinas del tiempo y causar las paradojas del viaje en el tiempo, y esto es evidencia de que la naturaleza prohíbe la existencia de material exótico.

Hoy, décadas después, han aparecido nuevos tipos de BH transitables que no requieren material exótico y que pueden ayudar a los físicos a desentrañar la compleja paradoja de BH. Fue esta paradoja la que impidió el desarrollo del primer borrador de Kontakt y llevó a Thorne a pensar en agujeros negros pasables, es decir, todo lo que cae en el agujero negro desaparece sin dejar rastro. La eliminación completa de la información viola las reglas de la mecánica cuántica y lleva a los expertos a una dificultad tal que en los últimos años, algunos incluso han comenzado a afirmar que un agujero negro no tiene vísceras en absoluto: el espacio y el tiempo terminan de manera extraña en sus horizontes.

Una serie de descubrimientos comenzó en 2016 con un trabajo que informaba sobre el primer agujero de gusano aceptable que no requería la adición de materiales exóticos para permanecer abierto. Según Ping Gao y Daniel Jafferis de la Universidad de Harvard y Aaron Wall de Stanford, la energía negativa repulsiva en el útero de un agujero de gusano puede generarse externamente mediante un enlace cuántico especial entre un par de agujeros negros que forman dos entradas de agujero de gusano. Si los dos BH están conectados correctamente, entonces algo arrojado a uno de ellos volará rápidamente a través del agujero de gusano y, después de ciertos eventos en el universo externo, saltará del segundo. Curiosamente, Gao, Jafferis y Wall notaron que su secuencia de comandos es matemáticamente equivalente a la teletransportación cuántica: esta es la clave para la criptografía cuántica, y ya se ha demostrado en el laboratorio.

John Preskill , un experto en agujeros negros y gravedad cuántica de Caltech, dice que los nuevos agujeros de gusano que se han recorrido son una sorpresa y tienen implicaciones para la paradoja de la información y el agujero negro. "Lo que más me gusta", dice, "es que el observador puede entrar en el agujero negro y luego huir de allí y decir lo que vio". Esto indica la existencia del interior de la BH y que todo lo que ingresa en ellos debería retroceder.

Ecuación misteriosa

El trabajo en un nuevo agujero de gusano comenzó en 2013, cuando Jafferis asistió a una interesante presentación en una conferencia de cuerda en Corea del Sur. El orador, Juan Maldacena , profesor de física en el Instituto Princeton de Estudios Avanzados, concluyó a partir de varias pruebas indirectas y razonamientos que ER = EPR . Es decir, los agujeros de gusano entre los puntos distantes del espacio-tiempo, los más simples llamados puentes de Einstein-Rosen, o ER, son equivalentes (aunque no de la manera más obvia) a las partículas cuánticas enredadas, también conocidas como pares de Einstein-Rosen-Podolsky, EPR. La hipótesis ER = EPR , presentada por Maldasena y Leonard Sasskind de Stanford, está tratando de resolver la versión moderna de la paradoja de la información del agujero negro infame asociando la geometría del espacio-tiempo controlada por TOT con enlaces cuánticos instantáneos entre partículas separadas por la distancia, que Einstein llamó "acción espantosa de largo alcance".

La paradoja se avecina oscuramente desde 1974, cuando el físico británico Stephen Hawking determinó que los BH se evaporan: irradian lentamente calor en forma de partículas, conocidas como "radiación de Hawking". Hawking calculó que este calor era completamente al azar; No contiene información sobre el contenido del agujero negro. Y cuando el agujero negro deja de existir, sucede lo mismo con el registro del universo sobre todo lo que cayó dentro del agujero negro. Pero esto viola el principio de la unitaridad, la base de la teoría cuántica, que afirma que cuando las partículas interactúan, la información sobre ellas nunca se pierde, solo se mezcla, por lo que si gira la flecha del tiempo de la evolución cuántica del Universo, verá cómo reaparecen las cosas, recreando con precisión el pasado.


Daniel Jafferis, profesor asociado de física en la Universidad de Harvard.

Casi todos creen en la unitaridad, por lo tanto, la información simplemente está obligada a escapar del agujero negro, pero ¿cómo? En los últimos cinco años, algunos teóricos, en particular Joseph Polchinski, de la Universidad de California en Santa Bárbara, han afirmado que los agujeros negros son conchas vacías sin ningún relleno, y Ellie Arroway, después de golpear el horizonte de eventos del agujero negro, caería en un "firewall" e irradiaría volver

Muchos teóricos creen en la existencia de BH en el interior (y transiciones más suaves a través de su horizonte), pero para comprenderlos, necesitan descubrir el destino de la información que ingresa. Esto es necesario para construir una teoría cuántica de la gravedad que funcione, una combinación largamente buscada de física cuántica y una descripción del espacio-tiempo, que es más aguda en BH, donde la gravedad extrema funciona en escalas cuánticas.

La gravedad cuántica llevó a Maldasenu, y después de él Jafferis, a la idea de ER = EPR y agujeros de gusano. La supuesta relación entre los túneles espacio-temporales y el enredo cuántico, descrita por una hipótesis, coincidió con la idea reciente de que el espacio se une con el enredo cuántico. Aparentemente, los agujeros de gusano tienen un papel especial en la unión del espacio-tiempo y en el escape de información del agujero negro, pero ¿cómo puede funcionar esto? Cuando Jafferis escuchó el informe de Maldacena sobre su misteriosa ecuación y sus argumentos, supo que el agujero de gusano estándar de ER era inestable e intransitable. Pero se preguntó qué podría significar la dualidad de la ecuación de Maldasena para un agujero de gusano aceptable, uno con el que Thorne y otros jugaron hace varias décadas. Tres años después del informe en Corea del Sur, Jafferis y sus colegas Gao y Wall presentaron su respuesta. Su trabajo amplía la idea de ER = EPR al equiparar no un agujero de gusano estándar y un par de partículas enredadas, sino un agujero de gusano pasable y teletransportación cuántica: una ley abierta en 1993 que permite que un sistema cuántico desaparezca y reaparezca ileso en otro lugar.

Maldacena leyó el trabajo de Gao, Jafferis y Wall: "Me pareció que esta es una muy buena idea, una de esas que parece obvia cuando te enteras". Maldasen y sus asistentes, Douglas Stanford y Zhen-Bin Young, inmediatamente comenzaron a estudiar las consecuencias recientemente descubiertas de esta idea para la paradoja informativa de BH; su nuevo trabajo apareció en abril. Susskind y Yin Zhao de Stanford siguieron la teletransportación a través de agujeros de gusano en julio. Los agujeros de gusano "pintan una imagen geométrica interesante del proceso de teletransportación", dijo Maldacena. "El mensaje se mueve a través del agujero de gusano".


¿Qué sucede al caer en un agujero negro?

Zambullirse en agujeros de gusano

En Diving Into Passable Wormholes , publicado en Fortschritte der Physik, Maldassena, Stanford y Young consideran un nuevo tipo de agujero de gusano que conecta dos agujeros negros: el padre BH y la hija BH, formados por la mitad de la radiación de Hawking emitida por el padre durante la evaporación. Dos sistemas se confunden al máximo. Entonces, el destino de la información del BH más antiguo es claro: penetra a través del agujero de gusano en el BH subsidiario.

Durante una entrevista en su tranquila oficina en el Instituto Maldassen de Estudios Avanzados, un taciturno estadounidense de ascendencia argentina, con varias ideas influyentes detrás de él, describió sus pensamientos radicales. A la derecha de la pizarra manchada de tiza, Maldassen pintó una imagen no tan distinta de dos agujeros negros unidos por un agujero de gusano pasable. A la izquierda, dibujó un experimento sobre teletransportación cuántica, realizado por los famosos experimentadores ficticios Alice y Bob, que posee partículas cuánticas entrelazadas ayb, respectivamente. Supongamos que Alice quiere teletransportar un qubit q a Bob. Ella prepara el estado combinado q y a, lo mide (reduciendo todo a un par de bits clásicos, 1 y 0), y envía el resultado de la medición a Bob. Luego puede usarlo como clave para trabajar en b y recrear el estado q. Y ahora la unidad de información cuántica se teletransporta de un lugar a otro.

Maldacena se volvió hacia el lado derecho del tablero. “Las operaciones se pueden realizar con un par de BH equivalentes a lo que te dije sobre la teletransportación cuántica. Y en esta imagen, el mensaje realmente pasa por el agujero de gusano ".


Juan maldacena

Supongamos que Alice arroja un qubit q a BH A. Luego mide la partícula de radiación Hawking a y envía el resultado de la medición a través de la parte externa del Universo a Bob, quien puede usar este conocimiento para trabajar en b, la partícula de radiación Hawking que emana de BH B. El trabajo de Bob recrea q , que parece haber salido del agujero B, e idealmente coincide con lo que cayó en A. Es por eso que algunos físicos experimentan una emoción tan alegre al respecto: el agujero de gusano Gao, Jafferis y Wall te permite recrear información del agujero negro. En su trabajo, colocaron su agujero de gusano en un espacio-tiempo curvado negativamente, que a menudo sirve como un campo útil, aunque poco realista, para experimentos en la teoría de la gravedad cuántica. Sin embargo, la idea de los agujeros de gusano se extiende al mundo real, siempre que los dos BH estén conectados de la manera correcta: "Deben estar conectados causalmente, y luego la naturaleza de las interacciones que describimos será el caso más simple que se pueda imaginar", explica Jafferis. Si se permite que la radiación de Hawking de un BH caiga en otro, entonces dos BH se enredan, y la información cuántica que cae en uno de ellos proviene del otro.

El formato de teletransportación cuántica prohíbe el uso de agujeros de gusano transitables como máquinas del tiempo. Todo lo que pasa por el agujero de gusano debe esperar hasta que el mensaje de Alice llegue a Bob a través del Universo exterior, hasta que pueda salir del BH de Bob, por lo que el agujero de gusano no proporciona la velocidad superluminal que podría usarse para viajar en el tiempo. Aparentemente, los agujeros de gusano transitables pueden existir en la naturaleza, siempre que no proporcionen ventajas de velocidad. "Los agujeros de gusano pasables son como un préstamo bancario", escriben Gao, Jafferis y Wall en su trabajo. "Solo puedes obtenerlo cuando eres lo suficientemente rico como para no necesitarlo".

Pulpo ingenuo

Aunque los agujeros negros transitables no revolucionarán los viajes espaciales, Preskill argumenta que el nuevo descubrimiento proporciona una "solución prometedora" al problema del firewall del agujero negro, lo que sugiere que no hay firewall en su horizonte. Preskill dijo que el descubrimiento guarda la "complementariedad del agujero negro", lo que significa que el interior y el exterior de los BH no son dos sistemas diferentes, sino que sirven como dos formas diferentes pero complementarias de mirar el mismo sistema. Si la complementariedad persiste, como muchos han sugerido, cuando se mueva a través del horizonte de eventos BH de una parte del Universo a otra, Ellie Arroway de Kontakt no habría sentido nada extraño. Aparentemente, bajo ciertas condiciones, incluso podría deslizarse a través del agujero de gusano de Gao-Jafferis-Wall.

El agujero de gusano también protege la unitaridad, el principio de no pérdida de información, al menos en el caso de los BH confusos que se están estudiando actualmente. Todo lo que cae en un BH proviene de otro en forma de radiación de Hawking, como dice Preskill, que luego "puede considerarse como una versión muy fuertemente encriptada de los interiores del BH".

Resumiendo la apertura a una conclusión lógica, Preskill cree que debería ser posible (al menos para una civilización infinitamente avanzada "influir en el interior de uno de estos BH manipulando su radiación. Esto" suena loco ", como escribió en una de sus cartas, pero "Puede tener sentido si recordamos que la radiación confundida con el agujero negro - EPR - está conectada con el interior del agujero negro con el agujero de gusano - ER. ¡Entonces la manipulación de la radiación puede enviar un mensaje que puede leerse dentro del agujero negro! ¡Pero todavía tenemos mucho trabajo por hacer! como podemos m de descripción detallada de esta imagen ".

Hay muchos obstáculos para generalizar nuevos agujeros de gusano abiertos para describir el destino de toda la información cuántica y el valor de la ecuación ER = EPR.


Un boceto de un pulpo que explica la idea de ER = EPR

El documento de Muldasena y Sasskind, que demuestra que ER = EPR, es un boceto llamado "pulpo": un agujero negro con agujeros de gusano en forma de tentáculo que conduce a partículas distantes de Hawking emitidas por él. El autor explica que el bosquejo ilustra el "enredo entre BH y la radiación de Hawking". Creemos que este enredo conduce a la geometría interna del agujero negro ".

Pero, según Matt Wisser, matemático y experto en relatividad general de la Universidad de Victoria de la Reina de Wellington, que ha estado estudiando agujeros de gusano desde la década de 1990, no es necesario tomar el bosquejo de un pulpo literalmente. Los agujeros de gusano formados antes de las partículas individuales de Hawking serán tan delgados que los qubits no se arrastrarán a través de ellos. "El agujero de gusano pasable es transparente solo para paquetes de onda más pequeños que su radio de tamaño", explica Visser. "Los paquetes de olas grandes simplemente rebotarán en los pequeños agujeros de gusano y no se cruzarán hacia ellos en el otro lado".

Stanford, coautor de un trabajo reciente de Muldasena y Young, admite que esto puede ser un problema en la interpretación más simple de la idea de ER = EPR, en el que cada partícula de Hawking tiene su propio agujero de gusano tentáculo. Sin embargo, una interpretación más abstracta de la idea que él y sus colegas estaban considerando no sufrió este defecto. "Creemos que para recuperar información de la radiación de Hawking usando agujeros de gusano transitables, es necesario recolectar la radiación de Hawking en un lugar y trabajar con ella de una manera bastante complicada". Tal medida colectiva da información sobre partículas que han caído en el BH anteriormente; como él dice, tiene "un gran agujero de gusano transitable compuesto por pequeños tentáculos inútiles. Luego, la información se transmite a través de este gran agujero de gusano ". Maldasena agregó que, más simplemente, la teoría de la gravedad cuántica puede tener una idea nueva y generalizada de la geometría, en la cual ER es igual a EPR. "Creemos que la gravedad cuántica debe obedecer este principio", dice. "Vemos esto más como una guía para la teoría".

En el popular libro de ciencia de 1994 Black Holes and the Creases of Time , Kip Thorne admira el razonamiento utilizado en la investigación de agujeros de gusano. "Ningún experimento mental da tanta carga a las leyes de la física como los que aparecieron debido a una llamada telefónica de Karl Sagan", escribe, "los experimentos mentales hacen la pregunta:" Desde el punto de vista de las leyes de la física, una civilización infinitamente avanzada puede permitirse, ¿Y qué no puede?