Los agujeros negros destruyen las superposiciones cuánticas cercanas, revela un experimento mental

Un nuevo experimento mental sugiere que la mera presencia de un agujero negro puede destruir una superposición espacial cuántica cercana. Desarrollado por físicos en los EE. UU., el experimento implica que el campo gravitacional de largo alcance de la partícula en la superposición interactuará con el horizonte de eventos del agujero negro, causando que la superposición cuántica se descoherente dentro de un tiempo finito.

La coherencia es un concepto de la mecánica cuántica que permite que un sistema exista en una superposición de varios estados cuánticos diferentes al mismo tiempo. La decoherencia es el proceso de destruir una superposición al realizar una medición que coloca al sistema en un estado específico. Medición en este caso es un término general y se refiere a una interacción entre un sistema cuántico y su entorno. Una medida podría ser, por ejemplo, un campo magnético perdido o una fluctuación de temperatura, así como una determinación de laboratorio de una propiedad del sistema (como la polarización de un fotón).

La superposición y otros aspectos de la mecánica cuántica hacen un trabajo fantástico al describir el comportamiento de los sistemas microscópicos. Sin embargo, los físicos no han podido incorporar la gravedad en la descripción de la naturaleza de la teoría cuántica. Hoy en día, la teoría general de la relatividad de Albert Einstein describe mejor la gravedad y unificar las dos teorías en una teoría de la gravedad cuántica es un objetivo importante de la física moderna. Sin embargo, esto ha resultado muy difícil porque los efectos de la gravedad cuántica solo se espera que sean relevantes en escalas de longitud muy corta correspondientes a energías extremadamente altas, que están mucho más allá de las capacidades de los aceleradores de partículas actuales y futuros.

pensamiento cuántico

Debido a que no se pueden hacer experimentos reales, los físicos usan experimentos mentales para tratar de desarrollar una teoría consistente de la gravedad cuántica. Estos buscan entender el comportamiento de los sistemas cuánticos bajo condiciones gravitatorias extremas como las que existen en el horizonte de eventos de un agujero negro. Este es un límite que rodea un agujero negro, más allá del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar del inmenso campo gravitatorio del agujero negro. Esto implica que la información puede entrar en un agujero negro, pero no puede salir.

Este último experimento mental ha sido ideado por físicos de la Universidad de Chicago y la Universidad de Princeton y se describe en una preimpresión en el arXiv servidor. Coautor daniela danielson dice que el experimento considera un observador oculto detrás del horizonte de eventos de un agujero negro.

El experimento mental involucra una partícula masiva, como un electrón, que se dispara contra una barrera que contiene dos rendijas. Según la mecánica cuántica, el electrón se comportará como una onda que se difracta a través de ambas rendijas simultáneamente. En otras palabras, el electrón se encuentra en una superposición espacial coherente de dos estados, cada uno viajando a través de su propia rendija. Si los electrones golpean una pantalla detrás de las rendijas, los dos estados se recombinan y crean un patrón de interferencia.

Alice y Bob

El nuevo experimento mental describe un experimento de doble rendija que una física llamada Alice lleva a cabo cerca de un agujero negro. También hay un observador llamado Bob que está dentro del agujero negro.

Mientras Alice lleva a cabo su experimento de doble rendija, una teoría cuántica de la gravedad requiere que la partícula masiva interactúe con el agujero negro a través de "gravitones suaves". Los gravitones son portadores hipotéticos del campo gravitatorio y son análogos a los fotones, que son portadores del campo electromagnético.

Estos gravitones suaves pueden ser absorbidos por el agujero negro, donde Bob puede medirlos, al menos en principio. Al realizar múltiples mediciones de gravitones blandos a lo largo del tiempo, Bob debería poder deducir el estado de la superposición cuántica en el experimento de Alice. En otras palabras, Bob está realizando una medición en el experimento de Alice desde más allá del horizonte de sucesos del agujero negro, desde donde está provocando la decoherencia de la superposición espacial.

Paradoja causal

Ahí radica la paradoja. ¿Cómo puede Bob decoherir el experimento de Alice si la información no puede viajar fuera del horizonte de sucesos? De hecho, hacerlo viola la causalidad. Danielson y sus colegas argumentan que esta paradoja solo puede resolverse si el propio agujero negro descohere el experimento de Alice antes que Bob.

En otras palabras, dicen, el agujero negro afecta la superposición cuántica de la misma manera que un observador clásico. “Aquí tenemos una situación precisa en la que la geometría del universo mismo está dando una 'definición' a una superposición cuántica”, dice Danielson.

La gravedad cuántica pronto podría probarse utilizando átomos ultrafríos

En su artículo, los investigadores argumentan que su análisis también se aplica a otros tipos de horizontes, como el horizonte cosmológico, que define el tamaño del universo observable. Dichos experimentos mentales son útiles para probar las reglas fundamentales que algún día puede tener una teoría consistente de la gravedad cuántica, dicen los investigadores. “Cualquier teoría de la gravedad cuántica, por ejemplo, debe tener la característica fundamental de que los agujeros negros que actúan como sistemas cuánticos actúan como observadores”, dice el coautor. Gautam Satishchandran.

Vlatko Vedral, físico cuántico de la Universidad de Oxford, dice que tiene reservas sobre algunos de los tratamientos del artículo. Él dice que la superposición se trata mecánicamente cuánticamente, pero los autores tratan el campo gravitatorio de fondo, como el propio agujero negro, de forma clásica. “No está claro que una aproximación como esta sea válida en el contexto que ellos consideran”, dice. Sin embargo, si las conclusiones son correctas, Vedral las considera profundas. El experimento mental sugiere que los agujeros negros pueden servir como fuente de irreversibilidad: la destrucción de un estado cuántico que nunca se puede recuperar por completo. Dado que la gravitación es infinitamente de largo alcance, no importa qué tan lejos esté un experimento de un agujero negro, dice, el efecto de decoherencia que calculan los autores sería distinto de cero. Por lo tanto, la creación y recombinación de superposiciones espaciales cuánticas nunca puede ser completamente eficiente porque “parte del [sistema] siempre se pierde irreversiblemente más allá del horizonte”, dice.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/black-holes-destroy-nearby-quantum-superpositions-thought-experiment-reveals/