Los aficionados a la ciencia ficción recordarán cómo el personaje de Joseph Cooper, en la película Interestellar, viaja a través de un agujero de gusano para romper el continuo espacio-tiempo y acortar la duración de su periplo hacia una distante galaxia en busca de planetas habitables. En nuestro universo no se ha detectado ninguna de estas estructuras predichas por Albert Einstein y Nathan Rosen en 1935, pero científicos de Estados Unidos han conseguido realizar una primera “simulación” de un agujero de gusano gravitacional, aunque –que nadie se asuste– sin romper el espacio-tiempo. Para ello han utilizado un prototipo de ordenador cuántico (y esto justifica en buena medida la importancia de la noticia).

El hito se publica este miércoles en la revista Nature. La demostración ha sido realizada usando el procesador Google Sycamore y sus autores celebran este paso hacia la posibilidad de estudiar la gravedad cuántica en el laboratorio. Su trabajo explora la equivalencia de los agujeros de gusano con el teletransporte cuántico, indagando en la idea de que la información que viaja de un punto del espacio a otro puede describirse tanto en el lenguaje de la gravedad (los agujeros de gusano) como en el de la física cuántica (el entrelazamiento cuántico). 

Para entender bien esto conviene recordar, como hacen los investigadores en una nota de prensa, que la teoría de la relatividad general –la de Albert Einstein– describe el mundo físico a altas energías o densidades de materia, por ejemplo, en objetos astrofísicos; mientras que la mecánica cuántica –la de Max Planck– describe la materia a escala atómica y subatómica. Sin embargo, la relatividad general y la mecánica cuántica son fundamentalmente incompatibles, por lo que no hay consenso sobre una teoría de la gravedad cuántica.

La teoría de la gravedad cuántica es un enfoque que reconciliaría ambas perspectivas: describiría ciertos objetos físicos en los que las dos visiones –la de Einstein y la de Planck– son relevantes. Esos objetos son los agujeros negros, cuerpos cósmicos con masas descomunales con una elevadísima fuerza de gravedad, tanta que atrapan incluso los fotones que componen la luz.

Agujeros negros y agujeros de gusano

“Todo agujero negro tiene una región interior, de la que nada puede escapar, y una región exterior, de la que aún es posible escapar. Las dos regiones están delimitadas por una superficie llamada horizonte de sucesos. Lo que Einstein y Rosen observaron es que, en una teorización matemática de un agujero negro, en realidad no hay una región exterior, sino dos, y están conectadas a través de una especie de agujero de gusano que ahora se conoce como puente Einstein-Rosen”, señalan Adam R. Brown y Leonard Susskind (del Instituto de Física Teórica de Stanford), en un comentario al artículo de Nature.

La idea de llamar 'agujero de gusano' al puente Einstein-Rosen se le ocurrió en 1957 al físico estadonunidense John Wheeler, quien usó la analogía de un gusano perforando una manzana para llegar más rápido de un punto a otro de la fruta.

El trabajo explora la idea de que la información que viaja de un punto del espacio a otro puede describirse tanto en el lenguaje de la gravedad (los agujeros de gusano) como en el de la física cuántica (el entrelazamiento cuántico)

Pero no se trata –continúan Brown y Susskind– de un puente ordinario. Recuerdan que en la versión estudiada por Einstein y Rosen es imposible viajar a través del agujero de gusano desde una región exterior a la otra. Si dos personas intentasen cruzar por ese puente desde extremos distintos, no podrían llegar al otro lado, pero sí se encontrarían brevemente en el centro.

En 2013, Susskind y el físico argentino Juan Martín Maldacena fueron los primeros en especular que los agujeros de gusano y el entrelazamiento eran, de alguna forma, equivalentes, estableciendo un nuevo puente entre las (aún) irreconciliables mecánica cuántica y teoría de la relatividad general.

A esta descripción hay que sumar una propiedad cuántica que Einstein consideraba una “inquietante acción a distancia”, el llamado entrelazamiento cuántico. Se trata de una propiedad de los sistemas cuánticos que les permite estar vinculados, incluso cuando están separados por distancias extremadamente largas.

Las dos regiones exteriores del agujero negro, explican Brown y Susskind, están conectadas por una enorme cantidad de entrelazamiento cuántico, y la incapacidad de viajar de una región exterior a otra se entiende que es “holográficamente dual a la incapacidad de utilizar el entrelazamiento para enviar mensajes más rápidos que la velocidad de la luz”.

La relación entre el entrelazamiento cuántico, el espacio-tiempo y la gravedad cuántica es una de las cuestiones más importantes de la física fundamental y un área activa de investigación teórica

Maria Spiropulu — Investigadora principal, Caltech

El ‘principio holográfico’

Lo que han hecho los investigadores es aplicar el llamado ‘principio holográfico’, una idea que reconcilia dos teorías (de ahí lo de ‘dual’). Este principio sostiene que lo que sucede en un espacio tridimensional –como nuestro universo– puede conocerse estudiando solamente lo que ocurre en sus límites. Algo así como inferir lo que sucede dentro de una habitación por aquello que percibimos en sus paredes (o como si la habitación-universo no fuese más que el holograma de sus paredes)

El principio de dualidad holográfica serviría así para reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad general, explicando las propiedades de la física relativista –las paredes– como surgidas de la física cuántica –lo que sucede dentro de la habitación–.

Siguiendo este principio, los investigadores han diseñado un sistema cuántico sencillo para simular un agujero de gusano holográfico, en el que sus propiedades coinciden con las esperadas en un agujero de gusano gravitacional y, ojo, transitable. Se trata, pues, de establecer una equivalencia analógica entre el universo descrito por la física cuántica y el que describe la física clásica.

El viaje de los cúbits

La simulación se realiza con un ordenador que consiste en un circuito de nueve unidades mínimas de información cuántica, los llamados bits cuánticos o cúbits. Esas nueve unidades constituyen un mensaje. Un cúbit teletransportado a través del procesador muestra la misma dinámica que se esperaría de un cúbit al cruzar un agujero de gusano transitable. En este caso no hay atajos espacio temporales: el mensaje llega ‘al otro lado’ en el tiempo esperado.

“Es importante entender que en este experimento no se ha creado ningún agujero de gusano. Estamos hablando de una analogía. Según el modelo teórico usado por los autores, el teletransporte cuántico de un cúbit en la red de cúbits del laboratorio es equivalente a que un cúbit atravesase un agujero de gusano en un cierto modelo de universo con gravedad, en el sentido de que algunas propiedades del cúbit en el laboratorio se pueden relacionar con las del cúbit del modelo que se simula. En otras palabras, es como si hubiera un diccionario que me traduce lo que le sucede al cúbit real al lenguaje de lo que le ocurriría al cúbit simulado o virtual”, señala Carlos Sabín, investigador investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, al SMC España.

Más capacidad de investigación

Los experimentos ofrecen una primera demostración de la posible viabilidad futura del uso de ordenadores cuánticos para probar las teorías de la gravedad cuántica, indican los investigadores en una nota de prensa. Esa viabilidad es una gran noticia para los físicos teóricos, que ven cómo se amplía su capacidad de investigación.

“La relación entre el entrelazamiento cuántico, el espacio-tiempo y la gravedad cuántica es una de las cuestiones más importantes de la física fundamental y un área activa de investigación teórica”, afirma Maria Spiropulu, investigadora principal en el Instituto de Tecnología de California, Caltech.

En este sentido, Ignacio Cirac, director de la División de Teoría del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania), afirma –también en declaraciones al SMC España– que lo interesante del artículo es que muestra cómo los prototipos de ordenadores cuánticos existentes o los que se van a construir en el futuro próximo “pueden convertirse en una herramienta clave para abordar cuestiones fundamentales”.

Este investigador matiza, sin embargo, que el experimento que se presenta en el artículo es todavía “muy básico” para poder responder esas cuestiones. “Por ejemplo, el prototipo que utiliza no es más potente que los superordenadores que tenemos a nuestra disposición. Aun así, es un paso importante en esa dirección”. 

“La tecnología de los ordenadores cuánticos avanza con rapidez, y otros laboratorios ya están tratando de realizar agujeros de gusano holográficos atravesables en plataformas diferentes a la utilizada por estos autores”, señalan Adam R. Brown y Leonard Susskind en su comentario al artículo de Nature. “Cabe esperar que, en el futuro, se inventen técnicas de comunicación cuántica demasiado difíciles de analizar por medios convencionales, pero que utilicen la dualidad holográfica como una poderosa herramienta de análisis y descubrimiento”, añaden.

Un agujero de gusano o puente de Einstein-Rosen (por los dos físicos que lo describieron) es un ‘túnel’ que conecta puntos distantes en el espacio-tiempo. En realidad son soluciones matemáticas a las ecuaciones de campo de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Por estos ‘atajos’ se podría viajar, siempre a velocidades inferiores a la de la luz, a otros lugares distantes del universo, y también hacia el futuro, no al pasado, de acuerdo a los principios de la física.

Los agujeros de gusano son ‘túneles’ espaciotemporales, de momento puramente teóricos, por los que se podría viajar a lugares distantes del universo y hacia el futuro

De momento estos túneles espaciotemporales son puramente teóricos, no se ha descubierto ninguno, pero los físicos no dejan de plantear formas de atravesarlos sin que se cierre su ‘garganta’ por la atracción gravitatoria. Las dos últimas propuestas llegan desde Europa y EE UU.

Uno de los estudios lo publican el físico argentino Juan Martín Maldacena del Instituto de Estudios Avanzados junto a Alexey Milekhin de la vecina Universidad de Princeton (EE UU) en la revista Physical Review D. Estos autores utilizan un modelo del universo con más de cuatro dimensiones para explicar como un humano podría cruzar uno de estos puentes de Einstein-Rosen.

Por su parte, el otro trabajo, que aparece en Physical Review Letters, lo firma el profesor José Luis Blázquez Salcedo de la Universidad Complutense de Madrid en colaboración con los investigadores Christian Knoll de la Universidad de Oldenburgo (Alemania) y Eugen Radu de la Universidad de Aveiro (Portugal). Los tres creen haber encontrado una forma novedosa de pasar a través de un agujero de gusano sin necesidad de recurrir a materia exótica como hasta ahora.

En principio los dos estudios son consistentes con los principios de la física conocida, aunque entre ambos grupos existen algunas discrepancias al respecto. Para conocer mejor los detalles conviene contextualizar y recordar que la existencia de un agujero de gusano en el que se pueda entrar y salir requiere una distribución de masa-energía que viola varias condiciones energéticas. 

Materia exótica en al agujero

Como solución se han propuesto modelos que plantean la existencia de diversos tipos de materia exótica. Esta proporcionaría la fuerza necesaria para contrarrestar la atracción gravitacional dentro del agujero, de tal forma que se pudiera mantener abierto. 

El problema es que esa materia exótica se escapa del modelo estándar de la física de las partículas, ampliamente aceptado. Un ejemplo de esta extraña materia es el llamado campo escalar fantasma, que posee energía cinética negativa y que nunca se ha observado en la naturaleza.

Los campos escalares de este tipo, utilizados normalmente en modelos de agujeros de gusano atravesables, están constituidos por bosones, uno de los dos tipos básicos de partículas elementales en la naturaleza (como el W, el Z o el higgs).

Maldacena y su colega de Princeton presentan soluciones de agujeros de gusano que podrían atravesar los humanos basándose en el modelo de Randall-Sundrum, que postula una dimensión extra

Los bosones son matemáticamente simples y, por tanto, a menudo se prefieren en los análisis teóricos. Su espín, por ejemplo, es un número entero (0, 1, 2...). Sin embargo, el único campo escalar fundamental que actualmente se observa en la naturaleza es el bosón de Higgs, y no admite una geometría de agujero de gusano.

Pero, por otra parte, estos misteriosos objetos también se pueden explicar usando el otro tipo de partículas de la naturaleza: los fermiones, grupo al que pertenecen los electrones y quarks, por ejemplo. Su espín puede ser semientero: 1/2, 3/2...

En este contexto, Maldacena y su colega de Princeton presentan soluciones de agujeros de gusano que podrían transitar los humanos basándose en una teoría que postula una dimensión extra, que se considera como una posibilidad para materia mas allá del modelo estándar: el modelo Randall-Sundrum.

Dentro de la teoría de supercuerdas y la cosmología de branas, este modelo propuesto por Lisa Randall (que hace unos años lo explicó en la Universidad Autónoma de Madrid) y por Raman Sundrum, describe un universo de geometría deformada con cinco dimensiones, donde casi todas las partículas fundamentales están ancladas en una ‘membrana’.

En este caso, la dimensión extra es responsable de generar una energía negativa que puede mantener abierta la garganta del agujero de gusano, de geometría muy alargada.

“Utilizamos soluciones exóticas que emplean un tipo de materia que no ha sido observada aun y que muy probablemente no exista en nuestro universo”, subraya Maldacena a SINC, “pero lo interesante es que esta materia respeta los principios básicos de la física conocida, como los de la mecánica cuántica relativista, a diferencia de otras propuestas anteriores de agujeros de gusano que no lo hacían”.

Viajar entre galaxias en menos de un segundo

Según su modelo, un ser humano podría viajar entre galaxias a través de uno de estos túneles en menos de un segundo, considerando el tiempo desde el punto de vista del viajero, porque para un observador externo estaría tardando miles de años.

Materia ordinaria para atravesar el agujero

Con un enfoque “semiclásico”, el grupo europeo ha ido un paso más allá, y presenta una forma de atravesar túneles espaciotemporales que no solo consideran que respeta los principios de la física, sino que, además, usa materia ordinaria: fermiones genéricos, descritos por funciones de onda cuánticas.

“En nuestra investigación hemos construido por primera vez agujeros de gusano atravesables en la teoría de Einstein-Dirac-Maxwell, es decir, sin necesidad de introducir materia exótica”, destaca Blázquez a SINC, que insiste: “consideramos materia descrita por el modelo estándar de física de partículas, a la vez que empleamos la teoría de la gravedad de Einstein”.

En nuestra investigación hemos construido por primera vez agujeros de gusano atravesables en la teoría de Einstein-Dirac-Maxwell, es decir, sin necesidad de introducir materia exótica, aunque no incorporamos todos los efectos cuánticos

José Luis Blázquez Salcedo — (UCM)

Usar la teoría de Einstein-Maxwell-Dirac implica utilizar las tres que engloba: la de la relatividad general de Einstein para la gravedad, la de Maxwell para los campos electromagnéticos donde interactúa la materia y la de Dirac para los fermiones. 

“Los campos de Dirac violan naturalmente las condiciones de energía, por lo que los fermiones pueden proporcionar la interacción adicional para equilibrar la atracción gravitacional y mantener abierto el agujero de gusano”, subraya el físico español. 

Blázquez reconoce que, “debido a la naturaleza cuántica de los fermiones, los agujeros de gusano que hemos obtenido, en el hipotético caso de que existieran, serían microscópicos”, aunque su descubrimiento abre nuevas vías de investigación teórica en otros modelos de gravedad, con otra materia o incluyendo más efectos cuánticos.

Debate entre físicos teóricos

Aunque el equipo europeo señala que su propuesta para atravesar agujeros negros emplea materia ordinaria y se ajusta a la física conocida, Maldacena lo cuestiona: “Su artículo utiliza una materia exótica que no está de acuerdo con los principios físicos, así que es similar a otras propuestas anteriores. En particular utilizan un campo de espín 1/2 que es bosónico, en lugar de fermiónico”. 

No creo que nunca encontremos agujeros de gusano, al menos los que discutimos aquí

Juan Martín Maldacena — IAS

Blázquez no está exactamente de acuerdo: “En nuestro trabajo, el campo de Dirac está restringido a un estado particular, lo que se conoce como un estado singlete. El campo posee espín 1/2 y es fermiónico. Normalizamos la función de onda y respetamos el principio de exclusión de Pauli, siendo por tanto consistente con los principios de la física”. 

De todas formas acepta la crítica, reflejada también en el propio paper del equipo europeo: “Aunque nuestro modelo no incluye materia exótica, es verdad que tampoco incorpora todos los efectos cuánticos, y seguramente son muy importantes. Estos podrían alterar las propiedades de los agujeros de gusano, o incluso evitar su existencia, por lo que son necesarias más investigaciones”. 

El debate entre los dos grupos de físicos teóricos y sus estudios continúan, algo habitual en ciencia para seguir avanzando. En cualquier caso el descubrimiento de un agujero de gusano que podamos atravesar todavía parece estar muy muy lejos: “No creo que nunca los encontremos, al menos los que discutimos aquí”, apunta Maldacena, aunque quién sabe si en el futuro se abrirán otras posibilidades.

Referencias:  

J. Maldacena and A. Milekhin. “Humanly traversable wormholes”. Physical Review D, 2021.

Jose Luis Blázquez-Salcedo, Christian Knoll and Eugen Radu. “Traversable wormholes in Einstein-Dirac-Maxwell theory”, Physical Review Letters, 2021.

Fuente: SINC

Derechos: Creative Commons.

El 27 de noviembre de 1997 Juan Martín Maldacena apretó send. Tenía 29 años, vivía en Estados Unidos y estaba sentado en su escritorio de la Universidad de Harvard. Había enviado un artículo al portal de acceso abierto ArXiv.org en el que relacionaba, de manera matemática, teorías físicas que parecían irreconciliables, las teorías de la gravedad y de la física de partículas. No imaginó las repercusiones.

La conjetura Maldacena, tal como fue bautizada, “dice que una teoría de la gravedad en cierto espacio, que son espacios con curvaturas negativas, es igual a una teoría que vive en las fronteras, en una región muy lejos de ese espacio, pero que es una teoría puramente de partículas”, explica Maldacena en la charla organizada en el marco del ciclo de conferencias de Ciencia, Tecnología e Innovación del Instituto de Industria de la Universidad Nacional de General Sarmiento. Y continúa: “La relación tiene la particularidad de que problemas sencillos de un lado se transforman en cosas complicadas del otro. Entonces, si uno asume que existe esa igualdad, uno puede resolver de forma sencilla ciertos problemas complicados”.

Juan Martín Maldacena nació en Caballito en 1968. Carmen, su madre, es traductora de inglés y Luis, su padre, ingeniero. Cursó el secundario en el Liceo Militar de San Martín y luego, en 1986, comenzó a estudiar física en la Universidad de Buenos Aires. “Había escuchado hablar de partículas elementales y de física en general. Estaba dudando en estudiar física o ingeniería y decidí estudiar física para ver de qué se trataba”, dice ante un público atento, en el que también se encuentran sus padres. 

Dos años más tarde ingresó al Instituto Balseiro, en Bariloche, donde se acercó a los agujeros negros y a la teoría de cuerdas. Se recibió en 1991 con la  tesis “Teoría de cuerdas en espacios curvos”, dirigida por el físico Gerardo Aldazabal. Esta tesis le abrió las puertas para realizar su doctorado en la Universidad de Princeton bajo la dirección del físico Curtis Callan. Luego hizo su posdoctorado en la Universidad Rutgers y en 1996 se convirtió en el profesor vitalicio más joven de la historia de Harvard. Desde 2001, hace ya 20 años, trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados (IAS, según sus siglas en inglés), de Princeton, el mismo en el que trabajó Albert Einstein. Maldacena vive a pocas cuadras del Instituto junto a su mujer, sus dos hijas y su hijo.

La Maldacena

“La teoría M está terminada. Juan tiene gran reputación. El agujero negro que hemos dominado Q.C.D. podemos calcular. ¡Ehhhh! ¡Maldacena!”, le cantaron emocionados a mediados de 1998 los físicos asistentes a la conferencia internacional de teorías de cuerdas Strings realizada en California, Estados Unidos. “Los físicos estaban tan entusiasmados con un artículo reciente del Dr. Juan Maldacena, un teórico de Harvard, que bailaron en celebración”, publicó en ese momento el New York Times. Y bailaron al ritmo de la canción “La Macarena”, cuya letra fue adaptada para la ocasión.

“Es una conjetura con más y más evidencia, probarla totalmente por ahora es imposible porque hay uno de los lados de la teoría que no está definido matemáticamente, la teoría de la gravedad. Pero se han verificado ciertos aspectos importantes de esta relación, es una relación matemática de dos tipos de teorías, uno puede hacer una cuenta empezando por una teoría o por la otra y ver si dan los mismo”, explica Maldacena a 24 años de la publicación del artículo “El límite de gran N de las teorías de campos superconformes y de la supergravedad”, conocido como conjetura o dualidad Maldacena, que ya ha superado las 17 mil citaciones y es uno de los trabajos más citados en el campo de estudio.

“Esta teoría fue y sigue siendo útil para entender algunos problemas conceptuales de la gravedad, por ejemplo, los agujeros negros y también es útil para analizar ciertos problemas que aparecen en teorías de partículas”, dice el físico argentino.

Pizarrón, discusiones, correo electrónico, cálculos, fórmulas son las herramientas con las que Maldacena trabaja a diario. Hoy estudia modelos simplificados dedicados a la materia condensada: “Hay un tipo de modelos que fue sugerido por investigadores que se dedican a la materia condensada que son relativamente sencillos, quizá los grados de libertad cuánticos más sencillos que se podrían imaginar, que son  los fermiones de Majorana. Si estos interactúan en forma medio al azar entre sí, genera algo parecido a una teoría de gravedad. No es exactamente una teoría de gravedad pero tiene muchos aspectos similares”. “La razón principal para estudiar la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas, es entender el principio del Big Bang, pero ese problema todavía estamos bastante lejos de entenderlo, entonces hemos tratado de entender otros problemas, por ejemplo el de las propiedades dentro de los agujeros negros. Ese parece ser un problema más sencillo, un problema donde ha habido un poco más de progreso”, cuenta Maldacena desde el IAS y agrega que la idea es entender completamente la singularidad de los agujeros negros: “Como dentro del agujero negro hay como un universo en contracción, quizá uno pueda también entender lo opuesto, que es el universo en expansión. Pero ese es el programa a largo plazo”.

“Estamos en una época donde hay muchos resultados experimentales sobre agujeros negros”, destaca Maldacena durante la charla y hace mención de tres observaciones de los últimos años, la detección en la Tierra de ondas gravitacionales producidas por el choque de dos agujeros negros, la imagen de un agujero negro supermasivo capturada en 2019 por el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos y la evidencia encontrada sobre el agujero negro en el centro de la Vía Láctea.

Durante su carrera, Maldacena recibió numerosos premios y reconocimientos, entre ellos la Medalla Galieo Galilei en 2019, la Medalla Lorentz en 2018, el Premio Yuri Milner a la Física Fundamental en 2012 -del que donó parte al Instituto Balseiro para la creación de un programa de profesores invitados-,  la Medalla Einstein también en 2012 y la Medalla Dirac en 2008. El físico argentino también es miembro de la Academia Mundial de Ciencias (TWAS, sus siglas en inglés), la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos y La Sociedad Estadounidense de Física, entre otras asociaciones científicas.

- Todavía quedan muchas preguntas por responder sobre el comienzo del universo, sobre los agujeros negros, teorías que verificar, ¿cuál es la pregunta que a vos te gustaría particularmente responder?

- Una que me gustaría entender es qué pasa en la singularidad de un agujero negro, en esa región interior donde la curvatura se hace infinita de acuerdo a la gravedad clásica, cómo se describe eso en la teoría completa. Me gustaría entender conceptualmente qué es lo que ocurre ahí: en el interior de un agujero negro.

- ¿Ya tenés una idea?

- No, todavía no, es un misterio.

MB