Durante la mayor parte de un siglo, la física cuántica y la teoría general de la relatividad han sido un matrimonio en las rocas. Cada uno perfecto a su manera, los dos simplemente no se soportan cuando están en la misma habitación.
Ahora, una prueba matemática sobre la naturaleza cuántica de los agujeros negros podría mostrarnos cómo se pueden reconciliar los dos, al menos lo suficiente como para producir una gran teoría nueva sobre cómo funciona el Universo en escalas cósmicas y microcósmicas.
Un equipo de físicos ha demostrado matemáticamente una extraña peculiaridad sobre cómo estos objetos alucinantemente densos podrían existir en un estado de superposición cuántica, ocupando simultáneamente un espectro de posibles características.
Sus cálculos mostraron las superposiciones de masa en un tipo teórico de agujero negro llamado Agujero negro BTZ ocupan sorprendentemente diferentes bandas de masas simultáneamente.
Por lo general, cualquier partícula común y corriente puede existir en una superposición de estados, con características como el giro o el impulso que solo se determinan una vez que se han convertido en parte de una observación.
donde algunas cualidades, como cargosolo vienen en unidades discretas, la masa no suele cuantificarse, lo que significa que la masa de una partícula no observada puede ubicarse en cualquier lugar dentro de un rango de quizás.
Sin embargo, como muestra esta investigación, la superposición de masas en poder de un agujero negro tiende a favorecer algunas medidas sobre otras en un patrón que podría ser útil para modelar la masa de forma cuantizada. Esto podría brindarnos un nuevo marco p ara investigar los efectos gravitacionales cuánticos de los agujeros negros en superposición para aliviar la tensión entre la relatividad general y la teoría cuántica.
“Hasta ahora, no hemos investigado en profundidad si los agujeros negros muestran algunos de los comportamientos extraños y maravillosos de la física cuántica”. explica el físico teórico Joshua Foo de la Universidad de Queensland en Australia.
“Uno de esos comportamientos es la superposición, donde las partículas en una escala cuántica pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo. Esto se ilustra más comúnmente con el gato de Schrödinger, que puede estar vivo y muerto simultáneamente”.
“Pero, para los agujeros negros, queríamos ver si podían tener masas muy diferentes al mismo tiempo, y resulta que sí. Imagina que eres ancho y alto, así como bajo y delgado al mismo tiempo. es una situación que es intuitivamente confusa ya que estamos anclados en el mundo de la física tradicional. Pero esta es la realidad de los agujeros negros cuánticos”.
La extrema gravedad que rodea a los agujeros negros los convierte en un excelente laboratorio para sondear gravedad cuántica – el continuo rodante del espacio-tiempo según la teoría general de la relatividad ligada a la teoría de la mecánica cuántica, que describe el Universo físico en términos de cantidades discretas, como partículas.
Los modelos basados en ciertos tipos de agujeros negros podrían conducir a una única teoría que podría explicar las partículas y la gravedad. Algunos de los efectos observados alrededor de un agujero negro no pueden describirse bajo la relatividad general, por ejemplo. Para esto, necesitamos la gravedad cuántica, una teoría unificada que incorpore ambos conjuntos de reglas y de alguna manera haga que funcionen bien.
Entonces, Foo y sus colegas desarrollaron un marco matemático que permite efectivamente a los físicos observar una partícula colocada fuera de un agujero negro que se encuentra en un estado de superposición cuántica.
La masa fue la principal propiedad que probaron, ya que la masa es una de las únicas propiedades de los agujeros negros que podemos medir.
“Nuestro trabajo muestra que las primeras teorías de Jacob Bekenstein, un físico teórico estadounidense e israelí que hizo contribuciones fundamentales a la base de la termodinámica de los agujeros negros, dieron en el clavo”. dice la física cuántica Magdalena Zych de la Universidad de Queensland.
“[Bekenstein] postuló que los agujeros negros solo pueden tener masas que tengan ciertos valores, es decir, deben estar dentro de ciertas bandas o proporciones; así es como funcionan los niveles de energía de un átomo, por ejemplo. Nuestro modelo mostró que estas masas superpuestas estaban, de hecho, en ciertas bandas o proporciones determinadas, como predijo Bekenstein.
“No asumimos ningún patrón de este tipo, por lo que el hecho de que encontráramos esta evidencia fue bastante sorprendente”.
Los resultados, dicen los investigadores, proporcionan un camino para la investigación futura de los conceptos de gravedad cuántica, como los agujeros negros cuánticos y el espacio-tiempo superpuesto. Para desarrollar una descripción completa de la gravedad cuántica, la inclusión de estos conceptos es crucial.
Su investigación también permite una investigación más detallada sobre ese espacio-tiempo superpuesto y los efectos que tiene sobre las partículas dentro de él.
“El Universo nos está revelando que siempre es más extraño, misterioso y fascinante de lo que la mayoría de nosotros podríamos haber imaginado”. Zych dice.
La investigación ha sido publicada en Cartas de revisión física.