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El entrelazamiento cuántico puede espiar a un agujero negro

El entrelazamiento cuántico, que permite a dos partículas elementales distantes compartir identidad, puede confirmar en laboratorio la radiación de los agujeros negros, clave para conciliar Relatividad con la Física Cuántica.

Una Investigadora japonesa ha ideado una forma original para simular en laboratorio la radiación de Hawking, que supuestamente emiten los agujeros negros por la interacción con pares de partículas.

La fórmula se basa en provocar la creación de esa radiación en laboratorio valiéndose de pares de partículas en entrelazamiento cuántico, lo que permite conocer lo que ocurre dentro de un agujero negro a través de la partícula «espejo» que escapa de un agujero blanco.

El célebre Stephen Hawking, fallecido en 2018, revolucionó la astronomía en 1974, cuando aseguró que los efectos de la física cuántica provocan que los agujeros negros no sean en realidad «tan negros» como se decía.

Un agujero negro es una región finita del espacio que contiene una concentración elevada de masa con un potente campo gravitatorio del que nada puede escapar, ni siquiera la luz. Por eso se le llama agujero negro.

Tema relacionado: La gravedad cuántica estaría escondida en los agujeros negros

Pares de partículas

Según Hawking, los agujeros negros son capaces de emitir energía, de perder materia e incluso de desaparecer.

Esa energía (radiación) se origina porque un agujero negro estaría emitiendo constantemente pares de partículas:  una de ellas queda efectivamente atrapada por la gravedad, pero la otra escapa hacia fuera, provocando una emisión espontánea de radiación conocida como radiación de Hawking.

Aunque la predicción de Hawking tiene casi 50 años, aún no se ha medido en agujeros negros reales (cósmicos). Por ello, científicos de todo el mundo llevan décadas tratando de imitar este fenómeno en el laboratorio.

A principios de este año, científicos israelíes anunciaron que habían creado un agujero negro sónico, análogo del cósmico, del que las ondas sonoras no pueden escapar: demostraron que la radiación estacionaria de Hawking se emite realmente desde su interior, con temperatura y fuerza constantes.

Nueva fórmula

Ahora, Haruna Katayama, una investigadora de la Universidad de Hiroshima en Japón, asegura haber dado con una fórmula para replicar la radiación de Hawking en un laboratorio.

Propone una teoría de láser de circuito cuántico que utiliza un agujero negro analógico y un agujero blanco como resonador.

Esta teoría proporciona en laboratorio un equivalente de agujero negro cósmico con ventajas sobre las versiones propuestas anteriormente por otros científicos, según explica en un artículo publicado en Scientific Reports.

La finalidad sigue siendo la misma: permitir que los científicos puedan observar y estudiar la radiación de Hawking sin tener que adentrarse en un agujero negro real, algo inimaginable para la tecnología actual.

Agujeros blancos y entrelazamiento cuántico

Para conseguirlo, esta investigación combina de forma original varios elementos. En primer lugar, aprovecha los agujeros blancos.

Los agujeros blancos, al igual que los agujeros negros, son soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, pero entre sí ambos son paradójicos: mientras que nada puede escapar de un agujero negro, nada puede penetrar en uno blanco.

En segundo lugar, aprovecha también un fenómeno misterioso, el entrelazamiento cuántico, que une de tal manera a dos partículas elementales, que podemos conocer una a través de la otra, aunque estén separadas entre sí.

Lo que ha hecho la autora de esta investigación es diseñar un circuito eléctrico que juega con ambos componentes: agujeros negros y blancos, y entrelazamiento cuántico, según se explica en un comunicado.

Material especial

Ha diseñado un metamaterial que no está en la naturaleza que puede generar la radiación de Hawking: las partículas que lo forman viajan a una velocidad superior a la de la luz y se posicionan en el entorno de ambos agujeros (horizonte de sucesos).

Como Hawking decía que esa radiación se produce por pares de partículas, una atrapada en un agujero negro, y otra en un agujero blanco, lo que han ideado estos investigadores es crear en laboratorio la radiación de Hawking utilizando dos partículas en entrelazamiento cuántico.

Según Katayama, la partícula entrelazada observable (la que termina fuera) contiene el reflejo especular de su partícula compañera. De esta manera, la correlación cuántica entre las dos partículas se puede determinar matemáticamente, sin la observación simultánea de ambas partículas, añade.

«La detección de este entrelazamiento es indispensable para la confirmación de la radiación de Hawking», señala Katayama.

De confirmarse esta radiación, estaríamos mucho más cerca de una teoría unificada y circular de todo, que combina la mecánica cuántica y la Relatividad General.

Limitaciones

Katayama aclara, sin embargo, que la radiación de Hawking de laboratorio propuesta difiere de la radiación de Hawking del agujero negro verdadero debido a la dispersión normal de la luz:  en esta simulación, los componentes de la luz se dividen en una dirección, como en un arco iris.

Ahora bien, si los componentes se pueden controlar para que algunos puedan retroceder y recuperarse, la radiación de Hawking resultante, fabricada en laboratorio, reflejaría la misma frecuencia positiva de la verdadera radiación de Hawking del agujero negro, según Katayama.

Ahora está investigando cómo integrar la dispersión anómala de la luz para lograr un resultado más comparable.

“En el futuro, nos gustaría desarrollar este sistema para la comunicación cuántica entre distintos espacio-tiempos utilizando la radiación de Hawking”, concluye Katayama, señalando la escalabilidad y controlabilidad del sistema como ventajas en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.

Referencia

Quantum-circuit black hole lasers. Haruna Katayama. Scientific Reports volume 11, Article number: 19137 (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-021-98456-0

Foto superior: En la actualidad se cree que muchas galaxias suelen tener un agujero negro en su centro, incluida la nuestra. NASA/JPL-Caltech

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

1 comentario

  • «De confirmarse esta radiación, estaríamos mucho más cerca de una teoría unificada y circular de todo, que combina la mecánica cuántica y la Relatividad General».

    Es todo lo contrario. Se confirmaría por Física-Matemática que la verdad es un entrelazamiento de lo virtual = 0 (vacío), con la realidad = 1 (lleno), nace una nueva Física: On-Física Sustancial.