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1 de Noviembre de 2015
Física teórica

Geometría y entrelazamiento cuántico

El extraño fenómeno cuántico que tanto inquietaba a Einstein podría explicar la continuidad del espacio y el tiempo.

ISTOCKPHOTO/KTSIMAGE

En síntesis

Según la relatividad general, la materia y la energía cambian la geometría del espacio. Cien años después de que Einstein formulase su teoría, los físicos siguen buscando una descripción cuántica del espacio y el tiempo.

La mecánica cuántica y la relatividad general predicen dos fenómenos que parecen permitir la transmisión instantánea de información: el entrelazamiento cuántico y los agujeros de gusano. Ambos fueron estudiados por Einstein en 1935.

Varios trabajos recientes han demostrado que dichos fenómenos están relacionados: el entrelazamiento puede originar una conexión geométrica entre regiones distantes del espacio. La idea sugiere un nuevo principio en gravedad cuántica.

A principios del siglo XX hubo dos revoluciones en física: la mecánica cuántica y la relatividad general. La mecánica cuántica nos enseñó las leyes que rigen el comportamiento del mundo microscópico. La relatividad general, formulada en 1915 por Albert Einstein, es una teoría del espacio y el tiempo. Según ella, el espaciotiempo es curvo y posee una dinámica propia.

Hasta ahora todas las predicciones de ambas teorías se han visto confirmadas por los experimentos. Sin embargo, solemos aplicar una y otra a fenómenos muy distintos. Acostumbramos a emplear la mecánica cuántica para describir el comportamiento de objetos extremadamente pequeños (como átomos o fotones), mientras que usamos la relatividad general para estudiar cómo cambia la geometría del espaciotiempo en presencia de cuerpos muy masivos (estrellas o galaxias, por ejemplo). Para investigar sistemas físicos muy pequeños y masivos, como el universo pocos instantes después de la gran explosión, necesitaríamos disponer de una descripción cuántica del espaciotiempo. Cien años después de que Einstein formulase su teoría, este sigue siendo uno de los mayores retos a los que se enfrenta la física fundamental.

Hace dos años, motivados por un debate reciente relacionado con las propiedades de los agujeros negros, el físico de Stanford Leonard Susskind y el autor de este artículo propusimos una conexión entre dos fenómenos aparentemente paradójicos que ocurren en mecánica cuántica y en relatividad general: el entrelazamiento cuántico y los agujeros de gusano. El primero hace referencia a un tipo de correlación cuántica que puede existir entre dos sistemas físicos distantes. Los agujeros de gusano son «atajos» que aparecen en algunas soluciones de las ecuaciones de Einstein y que conectan regiones muy lejanas del espacio.

A continuación veremos que ambos fenómenos están relacionados. La equivalencia entre ellos puede argumentarse con solidez para algunos casos concretos en los que intervienen agujeros negros, pero parece ser más general. Nuestra idea es que esta relación entre geometría y entrelazamiento tal vez constituya un principio que toda teoría cuántica del espaciotiempo, o de gravedad cuántica, debería obedecer. Dicho principio tiene consecuencias profundas. Sugiere que, de alguna forma, el espaciotiempo mismo podría emerger a partir del entrelazamiento cuántico de constituyentes microscópicos más fundamentales.

Curiosamente, tanto el entrelazamiento cuántico como los agujeros de gusano se remontan a dos artículos que el propio Einstein escribió en 1935. Ambos trabajos parecen tratar sobre fenómenos muy distintos, y seguramente Einstein nunca sospechó que pudiese haber una conexión entre ellos. De hecho, el entrelazamiento era una propiedad de la mecánica cuántica que molestaba enormemente al físico alemán. En lo que sigue repasaremos ambos artículos y explicaremos su relación desde un punto de vista moderno.

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