Científicos de la Universidad de Stanford quieren recrear el universo en un laboratorio

La investigadora Monika Schleier-Smith, profesora de física teórica de la Universidad de Stanford, en California, se ha propuesto recrear el espacio-tiempo desde cero en su laboratorio usando las propiedades cuánticas de las partículas de la luz. Un reto que parece sacado de un relato de ciencia ficción, pero que de conseguirlo nos permitiría resolver uno de los grandes problemas de la física moderna: cómo conectar la física cuántica con la relatividad general de Einstein.

En la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, el espacio-tiempo no existe por sí solo, sino que su forma depende de la masa y la energía, que dan lugar a la gravedad. Sin embargo, hoy en día, la mayoría de los físicos se inclinan por pensar que el espacio-tiempo sigue las reglas de la mecánica cuántica, la que rige el mundo atómico y subatómico.

La diferencia es que para la relatividad general el espacio-tiempo aparece como un fondo liso sobre el que se desarrolla todo en el universo, mientras que si hacemos zoom hasta las escalas cuánticas deberíamos ver que en realidad está hecho de algo, como unos píxeles diminutos de espacio-tiempo.

Recrear el espacio-tiempo en el laboratorio

Schleier-Smith es de esta última corriente, la cuántica, y su laboratorio está lleno de espejos, láseres, cámaras de vacío y componentes electrónicos perfectamente calibrados para enfriar átomos, dejarlos quietos en un lugar y manipularlos con luz. Esto, según la investigadora, es el punto de partida para tener un modelo muy bien controlado de un sistema cuántico.

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Sus aparatos le permiten simular la frontera holográfica en dos dimensiones que rodea un universo —un fenómeno teórico que viene del principio holográfico de la teoría de supercuerdas— y que sería capaz albergar toda la información que contiene el universo. Esta "dualidad holográfica" afirma que el espacio-tiempo y la frontera de dimensiones de la que sale son equivalentes.

“Hemos estado estudiando esta idea de dualidad holográfica [atrapando] átomos entre dos espejos que forman un resonador óptico”, comenta Schleier-Smith en declaraciones para New Scientist. “Lo bueno de este resonador óptico es que permite que cualquier átomo hable con cualquier otro átomo. Los fotones pueden viajar entre estos átomos y actúan como mensajeros que transmiten información cuántica entre ellos. La luz genera correlaciones o entrelazamientos”.

Después de preparar los átomos, los investigadores dejan que interactúen y se entrelacen, haciendo que el estado de una partícula afecte instantáneamente al estado de la otra sin importar la distancia que las separe. Luego vuelven a enviar luz para hacer una foto.

“Literalmente, la luz se dispersa entre los átomos. Podemos ver no sólo dónde están los átomos, sino también en qué estado se encuentran. Los átomos tienen un espín interno, pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo y podemos observar las correlaciones de espín entre los diferentes sitios de nuestra matriz de nubes de átomos. Básicamente, tomamos un montón de imágenes y analizamos las correlaciones”, asegura la investigadora.

Detectando la gravedad cuántica

El equipo de Schleier-Smith midió las correlaciones entre diferentes nubes de átomos y trazó una línea que conectaba parejas las nubes que sí estaban correlacionadas. Con ello consiguieron un gráfico de árbol que representa el espacio-tiempo.

“Gracias a una maravillosa colaboración con un teórico, el difunto Steven Gubser de Princeton, supe que este gráfico de árbol es una representación del espacio-tiempo curvo” explica Schleier-Smith. “La geometría que emerge es algo que se parece a un espacio-tiempo con curvatura negativa. [Es el mismo tipo de espacio-tiempo que encontramos en la teoría] de la dualidad holográfica, que no se parece a la gravedad en nuestro universo, pero es fascinante. Para nosotros, los experimentalistas, fue un primer paso importante para entender qué es lo que hay que medir para que la gravedad surja de la mecánica cuántica”.

A pesar de sus avances, la investigadora reconoce que aún es pronto para formar una teoría completa con sus descubrimientos.

La paradoja de los agujeros negros

Las aplicaciones prácticas de este descubrimiento son muchas. Desde la creación de relojes atómicos ultraprecisos o el avance de ordenadores cuánticos a acabar de una vez por todas con las contradicciones entre la física clásica (la que propugna la relatividad general de Einstein) y la física cuántica. También puede arrojar luz sobre los misteriosos agujeros negros.

Hasta hace poco se pensaba que la información que entraba en un agujero negro se perdía irremediablemente. Sin embargo, ahora los científicos se inclinan por pensar que esto no es así y que más que perderse, queda revuelta. La información, dice la investigadora, se vuelve muy difícil de recuperar porque inicialmente estaba almacenada en un bit cuántico —la mínima unidad de informació cuántica o qubit— y al entrar en el agujero negro se deslocaliza y se oculta enredada entre otros qubits.

“Hay una predicción teórica que dice que si se tiene el dual holográfico de un agujero negro [la versión en 2D de la que puede surgir el agujero negro en 3D], debería desordenar la información con extrema rapidez”, afirma la investigadora. “La velocidad a la que se revuelve la información es un límite fundamental para la rapidez con la que esto puede ocurrir en cualquier sistema cuántico. Esto se conoce como "codificación rápida" y es interesante porque [este límite] surgió pensando en la gravedad”.