La «magia» cuántica y el caos de los agujeros negros ayudan a explicar el origen del espacio-tiempo

Por primera vez, los físicos han relacionado las propiedades cuánticas de la magia con la naturaleza caótica de los agujeros negros.

Un nuevo análisis matemático realizado por tres físicos de RIKEN sugiere que una propiedad cuántica conocida como «magia» puede ser clave para explicar cómo evolucionaron el espacio y el tiempo.

Es difícil imaginar algo más fundamental que el tejido del espacio-tiempo que subyace al universo, pero los físicos teóricos cuestionan esta suposición. «Los físicos han creído durante mucho tiempo que el espacio y el tiempo no son fundamentales, sino que se derivan de algo más profundo», dijo Kanato Goto de RIKEN Interdisciplinario de Ciencias Matemáticas y Teóricas (iTHEMS).

En la década de 1990, la idea recibió un impulso cuando el físico teórico Juan Maldacena incorporó una teoría de la gravedad que gobierna el espacio-tiempo, involucrando partículas cuánticas. En particular, imagine un espacio hipotético descrito como rodeado por infinitas latas de sopa o «grupos» de objetos como agujeros negros que podrían verse afectados por la gravedad. Maltasena también imaginó partículas moviéndose en la superficie de la lata gobernadas por la mecánica cuántica. Se dio cuenta de que la teoría cuántica utilizada para describir partículas en el límite en matemáticas es equivalente a la teoría gravitacional que describe los agujeros negros y el espacio-tiempo en un cúmulo.

«Esta conexión sugiere que el espacio-tiempo no existe, sino que surge de algunas propiedades cuánticas», dijo Goto. Los físicos están tratando de entender qué propiedades cuánticas son fundamentales. «

Kanato Goto y dos colegas realizaron análisis utilizando agujeros de gusano que destacaron la paradoja de la información del agujero negro. Crédito: © 2022 RIKEN

El entrelazamiento cuántico, que une las partículas sin importar cuán separadas estén, fue el factor más importante: la idea original era que las partículas que estaban más entrelazadas en el límite suavizarían el espacio-tiempo dentro del cúmulo.

«Pero mirar el grado de acoplamiento en su límite no puede explicar todas las propiedades de un agujero negro, por ejemplo, cómo crece su interior», dijo Guto.

Entonces, Goto y sus colegas de iTHEMS, Tomoki Nosaka y Masahiro Nozaki, buscaron otro cuanto que pudiera usarse en el régimen de límites y asignarse a la masa para describir más completamente los agujeros negros. En particular, señalan que los agujeros negros tienen una naturaleza caótica que necesita ser explicada.

Cuando ingresas algo[{” attribute=””>black hole, information about it gets scrambled and cannot be recovered,” says Goto. “This scrambling is a manifestation of chaos.”

The team came across ‘magic’, which is a mathematical measure of how difficult a quantum state is to simulate using an ordinary classical (non-quantum) computer. Their calculations showed that in a chaotic system almost any state will evolve into one that is ‘maximally magical’—the most difficult to simulate.

This provides the first direct link between the quantum property of magic and the chaotic nature of black holes. “This finding suggests that magic is strongly involved in the emergence of spacetime,” says Goto.

Reference: “Probing chaos by magic monotones” by Kanato Goto, Tomoki Nosaka and Masahiro Nozaki, 19 December 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.106.126009