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  • 05/09/2016

Física cuántica

Observan el entrelazamiento de las partículas emitidas por un «agujero negro» artificial

Un experimento mide las propiedades cuánticas de un fenómeno formalmente análogo a la radiación de Hawking.

Nature Physics

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Emisiones cuánticas: Las leyes de la mecánica cuántica predicen que los agujeros negros deberían emitir un tenue flujo de partículas. Un experimento reciente ha observado un fenómeno análogo en un condensado de Bose-Einstein. [visual7/iStock]

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Un agujero negro se define como aquella región del espacio de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Hace 40 años, sin embargo, Stephen Hawking argumentó que de estos enigmáticos objetos sí debería emanar algo. En 1974, en un artículo hoy célebre, el físico de Cambridge demostró que las leyes cuánticas implicaban que, en realidad, todo agujero negro tendría que emitir un flujo de partículas. No obstante, el cálculo teórico de Hawking predecía que dicha emisión sería tanto más débil cuanto más masivo fuese el agujero negro. En concreto, en el caso de un agujero negro astrofísico —de masa estelar o mayor, como todos los conocidos hasta ahora—, el efecto sería tan minúsculo que, en la práctica, no podría detectarse nunca con ningún telescopio.

Los físicos cuentan con buenas razones para pensar que en los detalles de esta «radiación de Hawking» podría encontrarse la pista que lleve a la tan ansiada teoría cuántica de la gravedad. Pero, si las partículas emitidas por los agujeros negros que se observan en la naturaleza no pueden detectarse, ¿cómo verificar experimentalmente el fenómeno y, más aún, analizar sus propiedades?

En un trabajo cuyos resultados fueron publicados hace unos días en Nature Physics, Jeff Steinhauer, del Instituto Technion de Haifa, en Israel, ha observado un efecto formalmente análogo a la radiación de Hawking en un sistema de átomos ultrafríos. El fenómeno analizado no guarda relación con la gravedad, sino con la manera en que se propagan las vibraciones en un condensado de Bose-Einstein. Sin embargo, las leyes que gobiernan tales vibraciones resultan, desde un punto de vista matemático, equivalentes a las deberían regir en las inmediaciones de un verdadero agujero negro. Aunque la idea de emplear sistemas de materia condensada para emular el comportamiento de un agujero negro no es nueva, el logro del experimento de Steinhauer radica en que, por primera vez, parece haberse observado un aspecto muy significativo de la radiación emitida: su entrelazamiento con los modos cuánticos que quedan atrapados «dentro del horizonte».

En el caso de un agujero negro real, la radiación de Hawking puede entenderse como una consecuencia de las fluctuaciones del vacío cuántico. Las leyes cuánticas establecen que el espacio vacío es en realidad un hervidero de partículas y antipartículas «virtuales» que, en todo momento, se crean y se aniquilan de dos en dos. Sin embargo, si uno de esos pares de partículas se crease muy cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro —la frontera más allá de la cual nada puede regresar—, una de ellas podrá escapar al tiempo que la otra cae hacia el interior. Para un observador externo, eso equivaldría a observar un flujo de radiación procedente del agujero negro.

En los sistemas como el estudiado por Steinhauer, el medio es un condensado de Bose-Einstein cuyos átomos se mueven a velocidad cada vez mayor, como si se tratase de una corriente de agua que baja por una pendiente cada vez más inclinada. El equivalente a los rayos de luz son las ondas acústicas que se propagan por el medio. Si, a partir de cierto punto, la velocidad del fluido supera a la velocidad del sonido en el condensado, las señales acústicas podrán atravesar dicha frontera, pero no podrán regresar jamás: es decir, mostrarán un comportamiento equivalente al que tiene lugar en el horizonte de sucesos de un agujero negro real. En un fluido cuántico, el fenómeno análogo a la creación espontánea de partículas y antipartículas se da con fonones, los cuantos de vibración del medio. Por tanto, dichos fonones tendrían que dar lugar a un fenómeno similar a la radiación de Hawking.

Según la física cuántica, el hecho de que la partícula que escapa hacia el exterior y la que cae al interior tengan un origen común (la creación espontánea de pares) implica que sus propiedades han de estar entrelazadas; es decir, que no pueden ser independientes. Y aunque en un verdadero agujero negro resultaría imposible observar las partículas que caen al interior, no ocurre lo mismo en los sistemas de materia condensada, ya que en ellos el experimentador siempre puede ver qué sucede a ambos lados del «horizonte acústico». Gracias a un ingenioso montaje experimental, Steinhauer pudo comprobar que, en efecto, las partículas situadas a uno y otro lado del horizonte se hallaban entrelazadas.

El nuevo resultado apuntala varios avances previos que, en los últimos años, ya habían obtenido indicios de la existencia de un fenómeno equivalente a la radiación de Hawking en sistemas ópticos o de materia condensada. Con todo, un aspecto poco claro del experimento es que el entrelazamiento solo ha sido observado entre los fonones de mayor energía, pero no así en el resto (algo que, en principio, no debería ocurrir). A pesar de ello, si el resultado consigue reproducirse en futuros experimentos, el fenómeno dará sin duda bastante que hablar en los próximos años.

Más información en Nature Physics (artículo técnico y reseña), Nature News y Physics World.

—IyC

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