MINNEAPOLIS — No intentes hacer un experimento cuántico cerca de un agujero negro: su mera presencia arruina todos los estados cuánticos en su vecindad, dicen los investigadores.

El hallazgo proviene de un experimento mental que enfrenta las reglas de la mecánica cuántica y los agujeros negros, informaron los físicos el 17 de abril en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física. Cualquier experimento cuántico realizado cerca de un agujero negro podría generar una paradoja, según los investigadores, en la que el agujero negro revela información sobre su interior, algo que la física dice que está prohibido. La forma de evitar la paradoja, informa el equipo, es si el agujero negro simplemente destruye cualquier estado cuántico que se le acerque.

Esa destrucción podría tener implicaciones para futuras teorías de la gravedad cuántica. Estas buscadas teorías tienen como objetivo unir la mecánica cuántica, el conjunto de reglas que rigen las partículas subatómicas, y la relatividad general, que describe cómo se mueve la masa en las escalas cósmicas.

“La idea es usar las propiedades de las [teorías] que entiendes, que [son] la mecánica cuántica y la gravedad, para probar aspectos de la teoría fundamental”, que es la gravedad cuántica, dice el físico teórico Gautam Satishchandran de la Universidad de Princeton.

Así es como Satishchandran, junto con los físicos teóricos Daine Danielson y Robert Wald, ambos de la Universidad de Chicago, hicieron precisamente eso.

Un experimento cuántico cerca de un agujero negro crea una paradoja

Primero, el equipo imaginó a una persona, llámela Alice, realizando el famoso experimento de doble rendija en un laboratorio que orbita alrededor de un agujero negro ( SN: 5/11/10 ). En este ejemplo clásico de física cuántica, un científico envía una partícula, como un electrón o un fotón, hacia un par de rendijas en una barrera sólida. Si nadie observa el progreso de la partícula, aparece un patrón de interferencia típico de las ondas en una pantalla al otro lado de la barrera, como si la partícula atravesara ambas rendijas a la vez ( SN: 5/3/19 ). Pero si alguien, o algún dispositivo, mide la trayectoria de la partícula, registrará que ha pasado por una rendija o por la otra. El estado cuántico de la partícula de estar aparentemente en dos lugares al mismo tiempo colapsa.

Luego, el equipo imaginó a otra persona, Bob, sentada justo dentro del horizonte de eventos de un agujero negro, el límite más allá del cual ni siquiera la luz puede escapar de la gravedad del agujero negro. Aunque Bob está condenado, todavía puede hacer mediciones ( SN: 16/05/14 ). Las leyes de la física se comportan igual dentro del horizonte que fuera. “En el horizonte, ni siquiera te darías cuenta de que te has caído”, dice Satishchandran.

Cuando Bob observa por qué rendija pasó la partícula de Alice, el estado cuántico de la partícula colapsará. Eso también le permitiría a Alice saber que Bob está allí, estropeando su experimento. Pero eso es una paradoja: nada de lo que se haga dentro de un agujero negro debería afectar el exterior. Según las leyes de la física, Bob no debería poder comunicarse con Alice en absoluto.

“La paradoja es que los agujeros negros son una calle de sentido único”, dice Satishchandran. “Nada que se haga en el interior de un agujero negro puede afectar mi experimento que hago en el exterior. Pero acabamos de inventar un escenario en el que, definitivamente, el experimento se verá afectado”.

La paradoja se resuelve si el agujero negro actúa como un ´observador´

Luego, el equipo adivinó una posible solución a esa paradoja: el propio agujero negro fuerza el colapso del estado cuántico de la partícula de Alice, ya sea que Bob esté allí o no. “Debe ser que hay un efecto que nadie ha calculado en estas teorías que viene al rescate”, dice Danielson.

El rescate provino del hecho de que las partículas cargadas irradian, o emiten luz, cuando se agitan. No importa cuán cuidadosamente Alice configure su experimento, su partícula siempre emitirá una pequeña cantidad de radiación mientras la mueve, mostraron los físicos. Esa radiación tendrá un campo electromagnético diferente dependiendo de en qué dirección haya ido la partícula de Alice.

Cuando la radiación cruza el horizonte de eventos del agujero negro, el agujero negro registrará esa diferencia, observando efectivamente lo suficiente sobre la partícula original para destruir su estado cuántico.

“El horizonte en realidad ´sabe´ en qué dirección se fue la partícula”, dice Satishchandran matemáticamente hablando. Alice culpa al agujero negro por arruinar su experimento, no a Bob, y la paradoja se resuelve.

El equipo llevó la idea un paso más allá. Si la partícula de Alicia es un gravitón, una partícula de gravedad, sucede lo mismo que si fuera un electrón. Y si el horizonte en cuestión no es un agujero negro, sino el horizonte cósmico que marca el borde del universo visible, entonces la partícula de Alice seguirá colapsando, informó el equipo en la misma reunión.

Las teorías de la gravedad cuántica deben tener todo esto en cuenta.

El objetivo final de este experimento mental no es crear una teoría completa de la gravedad cuántica, sino más bien esbozar un esquema en el que debe encajar una posible teoría futura, dicen los investigadores.

“No estamos en el negocio de construir teorías de la gravedad cuántica”, dice Satishchandran. "Pero nos gustaría... proporcionar puntos de referencia que, con suerte, nos digan algo más fundamental sobre cómo son esas teorías".

No está claro cómo llegar desde aquí a una teoría completa, está de acuerdo el físico Alex Lupsasca de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, que no participó en el estudio. Pero la idea de que los agujeros negros pueden actuar como observadores cuánticos es interesante por sí sola.

“Creo que es un hecho real que tiene que ser parte de la eventual teoría de la gravedad cuántica”, dice. "Pero se desconoce si es una pista crucial que estamos obteniendo en el camino hacia la teoría final de la gravedad cuántica, o si es simplemente un desvío interesante en el camino para descubrir esa teoría".