Los físicos relacionan por primera vez la propiedad cuántica de la «magia» con la naturaleza caótica de los agujeros negros.

Una propiedad cuántica denominada «magia» podría ser la clave para explicar cómo surgieron el espacio y el tiempo, sugiere un nuevo análisis matemático realizado por tres físicos de RIKEN.

Es difícil concebir algo más básico que el tejido del espacio-tiempo que sustenta el Universo, pero los físicos teóricos han cuestionado esta suposición. “Los físicos han estado fascinados durante mucho tiempo con la posibilidad de que el espacio y el tiempo no sean fundamentales, sino que se deriven de algo más profundo”, dice Kanato Goto de RIKEN Interdisciplinar Teórico y Ciencias Matemáticas (iTHEMS).

Una vista del agujero negro supermasivo M87. Los físicos teóricos de RIKEN han relacionado por primera vez la naturaleza caótica de los agujeros negros con la propiedad cuántica de la magia. Crédito: Colaboración EHT

Esta noción recibió un impulso en la década de 1990, cuando el físico teórico Juan Maldacena vinculó la teoría gravitatoria que gobierna el espacio-tiempo con una teoría que involucra partículas cuánticas. En particular, imaginó un espacio hipotético, que puede representarse encerrado en algo así como una lata de sopa infinita, o ‘volumen’, que contiene objetos como agujeros negros que están influenciados por la gravedad. Maldacena también imaginó partículas moviéndose sobre la superficie de la lata, controladas por la mecánica cuántica. Se dio cuenta de que matemáticamente una teoría cuántica utilizada para describir partículas en el límite es equivalente a una teoría gravitacional que describe agujeros negros y espacio-tiempo dentro de la masa.

“Esta relación indica que el espacio-tiempo en sí no existe fundamentalmente, sino que surge de alguna naturaleza cuántica”, dice Goto. «Los físicos están tratando de comprender la propiedad cuántica que es la clave».

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

El pensamiento original era que el entrelazamiento cuántico, que une las partículas sin importar qué tan separadas estén, era el factor más importante: cuanto más entrelazadas estaban las partículas en el límite, más suave era el espacio-tiempo dentro del volumen.

“Pero el simple hecho de considerar el grado de entrelazamiento en el límite no puede explicar todas las propiedades de los agujeros negros, por ejemplo, cómo pueden crecer sus interiores”, dice Goto.

Entonces Goto y los colegas de iTHEMS, Tomoki Nosaka y Masahiro Nozaki, buscaron otra cantidad cuántica que pudiera aplicarse al sistema de límites y también asignarse al volumen para describir los agujeros negros de manera más completa. En particular, notaron que los agujeros negros tienen una cualidad caótica que necesita ser descrita.

“Cuando arrojas algo a un[{» 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