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.

La imagen por resonancia magnética nuclear se convirtió en uno de los métodos predilectos de diagnóstico porque posibilita mirar el interior de los tejidos sin ser invasivo. La física Analía Zwick, investigadora del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología en el Centro Atómico Bariloche (INN, CONICET- CNEA), trabaja en un desafío, aumentar la resolución de estas imágenes para poder diagnosticar de manera temprana patologías como el cáncer o el Alzheimer. 

“Las imágenes por resonancia magnética actualmente carecen de una resolución suficiente como para distinguir cambios a nivel celular. Por eso nos interesa mejorar esta técnica no invasiva para poder extraer información relevante a escala microscópica para el diagnóstico médico”, asegura Zwick, que se especializa en el control de información cuántica, es decir, en las propiedades de los átomos para almacenar y transmitir información.

Justamente son estas propiedades de los átomos, las que utilizan desde hace tiempo Zwick y el equipo del Laboratorio de Espectroscopía e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear del Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche para lograr ver lo que hay dentro de un pixel. “Optimizando el control, podemos utilizar a los átomos como sensores cuánticos para estudiar propiedades a escalas muy pequeñas con una precisión sin precedentes”, cuenta la física. 

Hace pocos días Zwick recibió el primer premio de la convocatoria del Programa de Cooperación Científico Tecnológica y de Innovación entre los ministerios de Ciencia de la Argentina (MINCyT) y de Israel (MOST) para financiar una estudio de sobre diagnóstico de cáncer a través de resonancias magnéticas, en el que trabajará junto a sus colegas Gonzalo Álvarez, investigador del Conicet y docente del Instituto Balseiro, y a Lucio Frydman, del Instituto Weizmann de Israel.

¿Por qué es necesario mirar tan detalladamente el tejido en las resonancias?

Porque podríamos obtener cierta información que hoy por hoy solo se logra a través de una biopsia. Es decir, extrayendo parte del tejido del cuerpo del paciente que se quiere examinar en detalle bajo un microscopio para observar su morfología y distinguir por ejemplo si hay células cancerosas. Si logramos extraer esa información relevante para el diagnóstico, de forma rápida y no invasiva, sería un gran beneficio tanto para el paciente como para el médico.

Zwick cuenta que hasta el momento han obtenido resultados alentadores. “Desarrollamos filtros selectivos de tamaños microestructurales del tejido con las imágenes por resonancia magnética. Demostramos que podemos extraer información cuantitativa de parámetros que caracterizan la microestructura que son del orden de 100 veces más pequeño que la resolución actual del píxel que suele medir mm3. Mostramos que podemos estimar el tamaño medio de los axones que comunican distintas regiones del cerebro, su diámetro varía entre 1 a 10 micrones”, detalla y enfatiza que con esta nueva técnica se da un paso más hacia la medicina de precisión y a la posibilidad de “determinar propiedades cuantitativas a escalas microscópicas que aún no son accesibles con las imágenes por resonancia magnética”. 

Esta técnica se podría utilizar con los equipos existentes en los hospitales. “Para implementarla desarrollamos protocolos óptimos de control de los equipos clínicos, que se pueden instalar de manera similar a como instalamos una aplicación en el teléfono. Es decir, podemos agregar esta funcionalidad al equipamiento ya existente en todos los hospitales”, afirma Zwick, que en 2018 recibió una mención especial para jóvenes científicas del Premio Nacional L’Oréal-UNESCO “Por las Mujeres en la Ciencia”.

El conocimiento de la mecánica cuántica, esta rama de la física que estudia los fenómenos de la naturaleza a escalas muy pequeñas, permitió el desarrollo de casi todas las tecnologías que utilizamos a diario, entre ellos, “los transistores que permitieron desarrollar las computadoras y teléfonos rápidos que usamos hoy en día, el láser, el GPS, los equipamientos sofisticados utilizados rutinariamente en la clínica y la lista sigue. A esto se lo llamó la primera revolución cuántica”, ejemplifica Zwick y agrega que hoy estamos viviendo los comienzos de la segunda revolución cuántica que consiste en la utilización de los átomos para guardar información y realizar cómputos cuánticos. “El desafío está en cómo controlar estos átomos para hacerlos más eficientes como sensores cuánticos y que permitirán dar un paso más hacia la medicina personalizada y de precisión.  Esto último es a lo que estamos tratando de aportar con nuestros desarrollos y conocimiento”, enfatiza. 

A principios de octubre los físicos Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger recibieron el Premio Nobel de Física 2022 por sus aportes a la información cuántica, que describe la naturaleza en las escalas más pequeñas. “Con sus experimentos vinieron a demostrar una de las propiedades más controversiales del mundo cuántico: el entrelazamiento. Es la propiedad que permite que 2 partículas formen una única entidad por más que estén a miles km de distancia. Esto es la clave para lograr la teletransportación. Estos trabajos pioneros allanaron el camino al desarrollo de las nuevas tecnologías como los sensores cuánticos, que estamos utilizamos para mejorar la resolución de las imágenes médicas”, dice la doctora en física por la Universidad Nacional de Córdoba.

MB