Revista Quanta

2 de agosto de 2023

¿Un astronauta dentro de un agujero negro describiría la misma realidad que un astronauta afuera?

Kouzou Sakai para la revista Quanta

Redactor del personal

2 de agosto de 2023

En agosto de 2013, decenas de físicos teóricos de renombre se reunieron en Santa Bárbara, California, para discutir una crisis. Su tenue conocimiento de los agujeros negros se estaba desmoronando. Visto desde lejos, como a través de un telescopio, un agujero negro debería comportarse como un planeta, una estrella o cualquier otro conglomerado de partículas elementales. Pero si los físicos creyeron en el trabajo de Albert Einstein, como lo hizo la mayoría de ellos, entonces se produjeron consecuencias imposibles cuando consideraron el agujero negro desde el punto de vista de alguien que se encontraba justo dentro de sus límites.

Un experimento mental realizado el año anterior había agudizado este choque de perspectivas, poniendo fin abruptamente a un armisticio de dos décadas entre quienes creían que la visión exterior era la fundamental y quienes se centraban en la vista desde el interior. De repente, todo tipo de creencias físicas sacrosantas estaban en debate. Quienes estaban detrás del experimento mental sugirieron, desesperadamente, que el interior de los agujeros negros podría simplemente no existir: que el espacio-tiempo terminaba en el borde del agujero negro en un literal muro de fuego.

Como una extensión de ese pensamiento, un asistente a la conferencia incluso sugirió, en gran medida en broma, que la paradoja parecía implicar que las leyes conocidas de la física podrían simplemente fallar en todas partes todo el tiempo, una observación que se ganó una risa digna de Comedy Cellar. . Uno de los participantes más jóvenes, Daniel Harlow, tomó el micrófono y reaccionó con un único e incrédulo “Amigo”, antes de llevar la conversación de nuevo a un terreno menos herético.

"Hubo simplemente una ráfaga" de lluvia de ideas, dijo Patrick Hayden, un científico informático convertido en físico de la Universidad de Stanford. "La disposición de la gente a arriesgarse con ideas locas fue impactante".

Después de otra década de discutir y calcular, Harlow, ahora físico senior en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, cree que él y un equipo de teóricos prometedores finalmente han encontrado la manera, o al menos una manera, de cuadrar el exterior. y vistas interiores. Al hacerlo, han establecido una especie de distensión entre los mundos en guerra de la relatividad y la teoría cuántica. Su resolución, que entrelaza ideas lejanas de la teoría de la información cuántica y cálculos innovadores de 2019, es un intento difícil y doloroso de tener el exterior y conservar gran parte del interior también.

"Han logrado demostrar que, al menos en principio, esta tensión puede resolverse", afirmó Tom Hartman, físico de la Universidad de Cornell, que ha encontrado una característica emblemática de su teoría en otro modelo de gravedad.

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Stephen Hawking predijo que los agujeros negros emiten radiación, lo que desató un debate que ha continuado durante 50 años.

Santi Visalli/Getty Images

Si bien su procedimiento actualmente funciona sólo con una caricatura básica de un agujero negro, captura muchas de las características peculiares de las estrellas colapsadas. Si es válido para los agujeros negros reales, responderá de manera concluyente a una serie de preguntas clásicas sobre los agujeros negros, desde lo que experimentaría un astronauta al caer en un agujero negro hasta el destino final de la información contenida en la disposición de sus moléculas.

"Representa hasta cierto punto el final de una revolución, más que el comienzo", dijo Geoff Penington, físico de la Universidad de California, Berkeley y colaborador del nuevo trabajo.

"Es muy emocionante. Podría estar mal, pero creo que esta es la esencia correcta”, afirmó Oliver DeWolfe, físico de la Universidad de Colorado en Boulder y uno de los pocos investigadores que han aprovechado la propuesta de Harlow y su compañía durante el último año.

El grupo se esfuerza por salvar el interior del agujero negro de un sacrificio total infligiendo una herida superficial: en un giro irónico, Harlow y compañía proponen que las conocidas leyes de la física se descomponen dentro de un agujero negro, y tal vez en todas partes, todo el tiempo. Pero lo hacen de una manera hasta ahora desconocida, demasiado sutil para que alguien la haya notado. En el fondo hay una restricción que no proviene de la materia ni del espacio-tiempo. Más bien, proviene de argumentos relacionados con la complejidad: las posibilidades esencialmente infinitas contenidas en vastos volúmenes de información cuántica.

Una sesión en el taller de Santa Bárbara estuvo dirigida por el principal arquitecto de la revolución de los agujeros negros. Hablando por Skype desde su oficina de Cambridge a través de una enorme pantalla de proyección, un Stephen Hawking descomunal defendió la noción de que el espacio y el tiempo sobreviven en el interior del agujero negro. “Hace algún tiempo escribí un artículo que inició una controversia que dura hasta el día de hoy”, comenzó.

Esa controversia se centra en la forma en que los agujeros negros parecen ser escenarios del mayor acto de desaparición del universo.

En 1974, Hawking calculó que alrededor del horizonte de sucesos (la esfera sin retorno que rodea un agujero negro) las fluctuaciones cuánticas crean pares de partículas. Uno de los socios cae al agujero negro mientras el otro escapa. Con el tiempo, los socios se acumulan tanto dentro como fuera del agujero negro, donde emprenden vuelo en una nube en expansión de “radiación de Hawking”.

El problema comenzó con el hecho de que, según los términos de la mecánica cuántica, cada dúo está vinculado por entrelazamiento, lo que significa que las dos partículas transportan juntas una unidad de información. Cada compañero es como la cara de una moneda, que podría usarse para responder una pregunta de sí o no. Esta capacidad única de sí o no se llama "bit" o "qubit" si el objeto puede existir en una combinación cuántica llamada superposición. Pero a diferencia de las dos caras de una moneda, las partículas entrelazadas pueden separarse. Aún así, si una medición encuentra que un socio externo lee "cara", otra medición seguramente encontrará que el socio interno lee "cruz".

Esto parece entrar en conflicto con una segunda consecuencia del cálculo de Hawking. A medida que el agujero negro irradia partículas, eventualmente se evapora por completo. Después de incontables eones, sólo queda la nube de radiación. Pero como cada socio exterior comparte una parte con su socio interior, la radiación de Hawking por sí sola tiene tan poco sentido como una alcancía llena de monedas de una sola cara. Los qubits de información dentro del agujero negro, que registran la vida del agujero negro y todo lo que ha caído en él, aparentemente desaparecen: un acontecimiento absurdo.

Video: David Kaplan explora uno de los mayores misterios de la física: la aparente contradicción entre la relatividad general y la mecánica cuántica.

Filmación de Petr Stepanek. Edición y gráficos en movimiento por MK12. Música de Steven Gutheinz.

"Está bien siempre y cuando esas cosas estén dentro en alguna parte", dijo Samir Mathur, físico de la Universidad Estatal de Ohio y uno de los coordinadores de la conferencia de 2013. "Pero si el agujero negro desaparece, los que están afuera no tendrán ningún estado definido".

La desconcertante desaparición de los viejos agujeros negros llevó a los físicos a adoptar uno de dos puntos de vista opuestos, dependiendo de si eran leales a la teoría de Einstein del espacio-tiempo curvo, conocida como relatividad general, o a la mecánica cuántica. Hawking, durante muchos años, apostó por Einstein. Si atrapar partículas y borrar sus qubits violaba la prohibición de la mecánica cuántica sobre las monedas de una sola cara, creía Hawking, entonces mucho peor para la mecánica cuántica.

Otros prefirieron mantener su mente fuera del agujero negro. Se pusieron del lado de la mecánica cuántica, que garantiza rigurosamente la noción romántica de que la información nunca se pierde realmente. Después de quemar un diario, por ejemplo, uno puede imaginarse capturando la nube de humo, ceniza y calor y reconstruyendo las frases perdidas. Un agujero negro podría revolver las partículas de un diario con más violencia que una hoguera, pero se aplicaría la misma lógica. Si la radiación de Hawking fue todo lo que quedó, entonces la información del texto debe haberse filtrado de alguna manera, sin importar que la teoría del espacio-tiempo de Einstein requiera que permanezca atrapado en su interior.

La última parte de la paradoja fue que el análisis de Hawking había descubierto que la radiación era perfectamente aleatoria, sin información que decodificar. Su trabajo sugirió dos conclusiones contradictorias: que los agujeros negros se evaporan (lo que implica que la radiación eventualmente debería llevarse la información) y que la radiación no transporta información. No podían ambos tener razón, por lo que la mayoría de los físicos supusieron que Hawking se había equivocado de alguna manera.

Pero su error no fue obvio. Hawking había descubierto tanto la radiación como su aleatoriedad analizando la forma en que actúan los campos cuánticos en un espacio-tiempo que se curva suavemente, un marco rigurosamente probado conocido como física semiclásica. El enfoque semiclásico de Hawking se basaba únicamente en aspectos de la mecánica cuántica y la relatividad general que parecían irreprochables. Tratamientos similares forman la base de la mayoría de las teorías modernas, incluido el célebre Modelo Estándar de física de partículas.

Los físicos esperan que la física semiclásica flaquee cuando la gravedad se vuelva intensa, como ocurre en el centro aún inescrutable de un agujero negro, mucho más allá de su horizonte de sucesos. Pero en el caso de los agujeros negros grandes, el horizonte de sucesos en sí debería ser en su mayor parte inofensivo; un astronauta curioso y bien provisto podría caer y sobrevivir durante mucho tiempo antes de encontrarse con su inevitable desaparición cerca del centro. De hecho, en el horizonte del enorme agujero negro en el centro de la galaxia M87, el primer agujero negro del que se obtuvieron imágenes directamente, la gravedad no ejerce mucha más fuerza que en la Tierra. Si Hawking estaba haciendo suposiciones semiclásicas erróneas, también lo están haciendo todos los demás habitantes del planeta. "Si las leyes de la física descritas por [la física semiclásica] funcionan aquí en la Tierra", dijo Alex Maloney, físico de la Universidad McGill, "¿por qué no deberían funcionar en el horizonte de sucesos?"

Después de décadas de debate sobre el presunto error de Hawking, algunos físicos intentaron negociar una tregua entre las dos partes. En 1993, Leonard Susskind de la Universidad de Stanford comenzó a defender la idea de que no había error. En términos generales, el conflicto surgió de una aspiración poco realista de tener en la mente tanto el interior como el exterior del agujero negro al mismo tiempo.

En cambio, argumentaron Susskind y sus colaboradores, la historia que contaría un astronauta afuera era simplemente diferente de lo que contaría un astronauta en caída libre. Un astronauta a lo lejos sería testigo de cómo su compañero caía sobre la superficie del agujero negro, que se ondularía al absorber al intruso. Observarían cómo la información se extendía por la superficie del agujero negro y eventualmente desaparecía en forma de radiación, sin desaparecer nunca en su interior. Sin embargo, desde la perspectiva del compañero, ella entra sana y salva en el agujero negro, donde tanto ella como su información quedan atrapados. Su relato difiere del de su amiga, pero dado que no puede enviar un mensaje para contradecir su informe, ¿existe realmente algún problema? Las dos narrativas podrían ser, en cierto sentido, complementarias.

"Siempre me pareció confuso", dijo Scott Aaronson, científico informático teórico de la Universidad de Texas, Austin, pero "la gente se decidió por eso durante una década o dos".

En 2012, llegaron cuatro físicos y quemaron hasta los cimientos el argumento de la complementariedad. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski y James Sully, un equipo comúnmente llamado por sus iniciales AMPS, detallaron un experimento mental de dos pasos que permitiría a un solo observador presenciar el agujero negro que esconde información en dos lugares a la vez.

Primero, un astronauta en el exterior recoge cada partícula que emite un agujero negro durante la mayor parte de sus 1.067 años de vida. Suponiendo que la información llegue a la radiación, algunos socios externos deben haberse entrelazado entre sí, dándoles estados definidos. El astronauta analiza estas partículas y confirma que están entrelazadas. "Supongamos que tiene una beca [de investigación] muy larga", dijo Aaronson.

Luego se sumerge en el agujero negro y confirma que algunos compañeros que estudió en el exterior también están entrelazados con compañeros del interior. El cálculo semiclásico de Hawking indica que encontrará esto, lo que implica que lo que parecían monedas justas de dos caras fuera del agujero negro esconden una tercera cara ilegal en su interior.

AMPS había demostrado que no se podía ocultar la paradoja de Hawking. A regañadientes se pusieron del lado de la mecánica cuántica fuera del agujero negro y, como consecuencia, sacrificaron el espacio interior: tal vez el agujero negro vaporizó la materia que caía con un "cortafuegos" en el horizonte, impidiendo que los astronautas entrometidos terminaran el experimento. "El agujero negro simplemente no tiene ningún interior", dijo Aaronson, describiendo su conclusión. "Cuando intentas saltar, te encuentras con el fin del espacio-tiempo".

Nadie se sintió bien con esta idea, ya que no había ninguna indicación de la física semiclásica de que cruzar el horizonte debiera ser diferente de cruzar la frontera de Illinois a Iowa. La comunidad organizó una serie de talleres para pensar en formas de salir del desastre, que culminaron en la reunión de Santa Bárbara.

“Pasamos unos meses divertidos en los que todos intentaban acabar con ese argumento y no lo conseguían”, dijo Harlow.

En medio del caos, Harlow formó una colaboración con Hayden, entonces científico informático, para estudiar lo que se necesitaría para que un astronauta realmente hiciera el experimento AMPS. Trataron el agujero negro como un dispositivo de cifrado cuántico, algo que recibe información legible (materia normal) y escupe lo que parece ser información codificada (la radiación). En este contexto, uno podría imaginarse llevar a cabo el experimento AMPS utilizando una máquina para descifrar la información, una máquina como una computadora cuántica. Y con un resultado clave de la tesis doctoral de Aaronson sobre los límites de la computación cuántica, descubrieron algo curioso.

Un agujero negro pulveriza la materia que cae tan a fondo que si un astronauta realmente encargara a una computadora cuántica descifrar la radiación, la tarea llevaría eones. Pasaría tanto tiempo que el agujero negro desaparecería antes de que la barra de progreso alcanzara siquiera una fracción del 1%. Y para entonces, el astronauta no podría saltar para captar información externa pluriempleada en el interior, porque el interior no existiría.

"Esa fue una observación con la que realmente no sabíamos qué hacer", dijo Harlow. "Finalmente, 10 años después, sabemos qué hacer con ello".

Después del trabajo de 2013, Harlow dejó de lado los agujeros negros para centrarse en un problema más simple: el espacio vacío en sí. Comenzó a estudiar un tipo poco realista de espacio invertido conocido como espacio anti-de Sitter que también admite dos descripciones muy diferentes, de forma muy parecida a como parecían admitirlo los agujeros negros.

"Si entiendo lo suficientemente bien el espacio anti-de Sitter, eso me sugerirá la forma de avanzar, de regreso a los agujeros negros", recordó haber pensado Harlow. “Y eso realmente ha dado resultado”.

El grabado en madera de MC Escher de 1959, Circle Limit III, muestra la misma curvatura negativa que una porción del espacio-tiempo anti-de Sitter.

MC Escher

Los físicos están fascinados con el espacio anti-de Sitter porque se curva de una manera exótica que permite que un volumen infinito de espacio quepa dentro de un límite finito. Aún más sorprendente es que parece haber una manera de reformular cualquier evento que tenga lugar en el espacio anti-de Sitter en términos de partículas que viven en el límite, que se rigen por reglas físicas completamente diferentes. Un sistema solar en la región central anti-de Sitter, por ejemplo, puede describirse como una colección de partículas dispersas alrededor del límite que obedecen únicamente a la teoría cuántica y no tienen ningún sentido de gravedad o espacio-tiempo.

La pregunta principal para Harlow era cómo las partículas en la frontera, que no tienen ningún concepto de espacio-tiempo, podrían capturar la experiencia de un habitante de un planeta en la región central, para quien el espacio-tiempo es innegablemente importante. Ingenuamente, podríamos esperar encontrarnos con un problema en el que los eventos límite podrían reverberar instantáneamente en todo el centro, un lugar donde los efectos deberían tardar tiempo en propagarse. Debido a ese problema, la relación entre las partículas límite y el espacio-tiempo central debe ser laxa, de modo que los cambios en los límites no afecten inmediatamente al medio, pero no tan laxa como para que el límite pierda completamente la pista de lo que sucede en el centro. .

“Hay que ser independiente de todas las piezas del sistema, pero no independiente del sistema, lo cual es como aaargh”, dijo Harlow, levantando las manos con frustración.

Finalmente, Harlow se dio cuenta de que un grupo de investigadores ya había resuelto el problema. No habían estado pensando en absoluto en la estructura del espacio-tiempo. Estaban inventando formas para que las computadoras cuánticas corrigieran sus errores.

Para tener una idea de cómo la corrección de errores encarna la relación Ricitos de Oro que buscaba Harlow, consideremos un esquema simple para codificar un mensaje clásico de un bit en una transmisión de tres bits. Para indicar 1, transmita 111. Para indicar 0, transmita 000. Incluso si ocurre un error, el receptor puede simplemente tomar un voto mayoritario. Aún entenderá que 001 significa 0 o 011 que significa 1. Un solo error no estropea el mensaje, porque la información se encuentra en todos los dígitos. El mensaje es independiente de cada pieza individual, pero no independiente de toda la transmisión: justo lo que Harlow necesitaba. Corregir errores cuánticos en qubits (a diferencia de los bits clásicos) requiere esquemas más complicados, pero los dos problemas comparten esta característica de difuminar información entre múltiples piezas. En 2014, Harlow colaboró ​​con Almheiri de AMPS y Xi Dong de la Universidad de California en Santa Bárbara para explicar cómo los códigos de corrección de errores cuánticos podrían difundir información espacio-temporal anti-de Sitter entre qubits límite.

La esencia de la idea era la siguiente. Imagine el punto central en el espacio anti-de Sitter como un mensaje de un bit. Las partículas límite son los dígitos de la transmisión. Divide el límite en tres arcos. Las partículas de cualquier arco conocen los puntos anti-de Sitter dentro de la región adyacente. Pero no conocen puntos fuera de esa región. Ningún arco conoce el punto central, situación que recuerda cómo ningún dígito de transmisión es suficiente para reconstruir el mensaje.

En el espacio anti-de Sitter, las partículas a lo largo de cada uno de los tres límites, aquí denominadas A, B y C, sólo conocen los puntos de la región adyacente.

Merrill Sherman/Revista Quanta

Pero el punto central se encuentra dentro de la región combinada que pertenece a dos arcos cualesquiera, lo que refleja cómo dos dígitos de transmisión son suficientes para descifrar el mensaje. De esta manera, la corrección de errores parecía ser un lenguaje adecuado para comprender el espacio vacío anti-de Sitter desde dos perspectivas: ya sea como espacio-tiempo básico o, curiosamente, como una colección de qubits cuánticos sin espacio.

Combine dos regiones cualesquiera y las partículas límite a lo largo de esa región más grande ahora podrán detectar el punto en el centro. Desde la izquierda: la combinación de las regiones A y B, B y C, y C y A.

Merrill Sherman/Revista Quanta

"Esto es algo sorprendente", dijo DeWolfe. La información cuántica no sirve sólo para construir computadoras cuánticas. "Resulta que estas son ideas lo suficientemente importantes como para que la gravedad cuántica parezca utilizarlas".

Harlow había logrado vincular las dos formas de ver el espacio-tiempo. El único problema fue que el marco no cumplió con su propósito previsto. Cuando el espacio-tiempo contenía un agujero negro, la corrección del error cuántico falló.

Ya en 2012, los físicos habían planteado la idea de abordar el interior del agujero negro con códigos de corrección de errores. Pero una vez más, las perspectivas contradictorias en los cálculos de Hawking los habían dejado perplejos. Un astronauta dentro del horizonte de sucesos vería caer indefinidamente los compañeros de radiación que caen. La capacidad de información del agujero negro, si lo imaginamos como un disco duro cósmico, aumenta cada vez más a lo largo de su vida.

Mientras tanto, un astronauta fuera de un agujero negro en sus años dorados lo vería literalmente reducir su tamaño a medida que se evapora. Para lograr la aspiración de cuadrar las dos perspectivas con corrección de errores, Harlow parecía necesitar una forma de codificar el creciente interior en su límite cada vez más reducido, una tarea como pedirle a un marinero que encajara el mensaje "SOS" en una transmisión de un carácter.

“La historia excluyó el interior de los agujeros negros”, dijo Christopher Akers, un investigador del MIT que, como estudiante de posgrado de segundo año en 2016, se inspiró en un influyente artículo de corrección de errores de Harlow. “Eso me pareció extraño, así que pasé mucho tiempo pensando en cómo incluir mejor los agujeros negros”.

Le llevaría cuatro años encontrar uno y otro año para ayudar a convencer a Harlow de que tenía algún sentido.

Mientras Harlow y Akers investigaban por separado el interior de un agujero negro, una constelación de investigadores estaba a punto de descifrar el exterior. Penington, un físico británico en ascenso, fue uno de los actores clave. Se había perdido el drama del cortafuegos en la conferencia de Santa Bárbara, ya que en 2013 tenía 21 años y estaba en medio de sus estudios universitarios en la Universidad de Cambridge.

Cuando Penington visitó Stanford en 2015 como posible estudiante de posgrado, se sintió dividido entre estudiar la gravedad cuántica y la información cuántica para su doctorado. Luego conoció a Hayden. Penington se sorprendió al descubrir que su madre, Frances Kirwan, una matemática de Oxford, había sido una de las supervisoras de posgrado de Hayden, y que Hayden, un canadiense nativo, había ayudado a su madre a planificar un viaje en canoa a la zona rural de Ontario al que él había ido cuando tenía 8 años. Se sorprendió aún más al saber que Hayden estaba en el centro del esfuerzo por explicar los agujeros negros con qubits, combinando los dos intereses de Penington. La pareja decidió trabajar juntos.

Hayden y Penington comenzaron con lo que pensaban que era un problema abstracto sobre códigos imperfectos de corrección de errores y publicaron un llamativo artículo de información cuántica en 2017. Ese trabajo no mencionaba los agujeros negros ni el espacio-tiempo, pero al año siguiente llevaron sus códigos a Espacio anti-de Sitter. Finalmente, siguiendo una fórmula desarrollada en 2014 por Netta Engelhardt, una física milenial, Penington llegó a sospechar que una región particular del espacio anti-de Sitter estaba rastreando la entropía, una cantidad relacionada con la capacidad de información de la nube de radiación de Hawking entrelazada que surge de un agujero negro. Pasó el invierno de 2018-2019 trabajando solo en los detalles para comprobar su intuición.

"Es lo más duro que he trabajado continuamente en física en mi vida", dijo Penington. “Estaba de vacaciones en México durante la Navidad, pero pensaba en ello en secreto todo el tiempo. Mis amigos seguían preguntando: '¿Por qué estás tan callado?'”

Casi al mismo tiempo, Engelhardt estaba realizando un cálculo esencialmente idéntico. A principios de 2019, unió fuerzas con Almheiri y Marolf de AMPS y Henry Maxfield en Stanford para utilizar la fórmula de 2014, que proporciona la entropía en una situación que involucra la gravedad, para estudiar la información en la radiación entrelazada fuera del agujero negro.

Los dos equipos obtuvieron la misma respuesta, que revelaron en artículos coordinados en mayo de 2019. Los cálculos consistieron en contar las "cabezas" en la radiación exterior, lo que indica cuántas "colas" entrelazadas se esconden dentro del agujero negro. Para los agujeros negros jóvenes y vacíos, el número de caras de monedas separadas aumenta a medida que el horizonte de sucesos divide los pares de Hawking, tal como Hawking esperaba. Pero con la edad, el número de caras separadas comienza a disminuir, lo que implica que el agujero negro se ha llenado y de alguna manera está vaciando información en la radiación exterior, tal como lo requiere la mecánica cuántica.

Merrill Sherman/Revista Quanta

“Estos artículos de mayo fueron realmente asombrosos”, dijo Harlow. Quedó impresionado de que tuvieran “las agallas para hacer el cálculo”. Pensé que era demasiado difícil”.

Por fin, Penington, Engelhardt y sus colaboradores creyeron entender lo que estaba sucediendo fuera del agujero negro. De hecho, la información se estaba filtrando a través de la radiación, como muchos físicos habían supuesto. Este hecho tuvo tres consecuencias cruciales.

En primer lugar, redujo las posibilidades de que Hawking cometiera un error. La radiación no podía ser verdaderamente aleatoria, entonces ¿por qué la física semiclásica, por lo demás confiable, sugirió que lo fuera?

En segundo lugar, movió su frontera de comprensión desde fuera del agujero negro hacia el interior. ¿Cómo experimentaría la evaporación un astronauta justo dentro del horizonte de sucesos de un viejo agujero negro?

Finalmente, sugirió que el marco semiclásico de Hawking era casi correcto y que dar el primer paso hacia el interior no debería requerir una teoría completa de la gravedad cuántica. Habían logrado analizar el exterior utilizando ingredientes familiares del espacio-tiempo. Pero con sólo una receta ligeramente modificada (la fórmula de entropía de 2014) descubrieron que la información sí escapa al interior. Los cálculos les hicieron sentirse seguros de que no era necesario abandonar la visión semiclásica del interior del agujero negro. Los cortafuegos parecían cada vez más ir demasiado lejos.

"Si desechamos la descripción del interior, estamos desechando al bebé con el agua del baño", dijo Engelhardt. "Hay una manera de utilizar la gravedad semiclásica para hacer un cálculo que sea correcto".

Engelhardt, experto en entropía gravitacional, tenía algunas de las piezas, y parecía que Harlow tenía algunas más. La oficina de Engelhardt en el MIT comparte pared con la de Harlow, por lo que era natural que unieran fuerzas. Casi al mismo tiempo, Akers se mudó al MIT para convertirse en su postdoctorado, y los tres comenzaron a abordar el problema.

Cuando la pandemia obligó al mundo a entrar a principios de 2020, el trío de académicos trasladó sus experimentos mentales sobre agujeros negros de las pizarras del MIT al entorno digital de Zoom.

Su objetivo era reunir todos los hilos y desarrollar una especie de proceso de conversión para convertir la perspectiva interior semiclásica en la perspectiva exterior de la mecánica cuántica. Una teoría así sería útil para un astronauta que se encontrara justo dentro del agujero negro. Podía tomar una instantánea de su entorno, ejecutar el procedimiento y obtener una imagen que le dijera lo que estaba viendo un colega afuera. Si bien las dos fotografías pueden parecer capturar eventos diferentes, al estilo Rashomon, la conversión debería revelar que las escenas son secretamente compatibles. Sería un resurgimiento más sofisticado de la visión de complementariedad de Susskind.

Netta Engelhardt, física del MIT, ha propuesto una forma de rastrear información en sistemas que cuentan con gravedad.

Tira Khan para la revista Quanta

Akers ya se había convencido de que el programa de conversión debería escribirse en el lenguaje de corrección de errores cuánticos, como ya lo había hecho Harlow para el espacio vacío. El interior semiclásico sería el mensaje y el exterior cuántico sería la transmisión. Y dado que el interior parecía crecer dentro de un horizonte cada vez más reducido, iban a tener que inventar un código de corrección de errores que pudiera meter un SOS en una sola S.

Akers enfrentó el escepticismo de sus colegas. La forma en que la codificación tendría que borrar información dentro del agujero negro violaba la prohibición de la mecánica cuántica contra la pérdida de información. Si la astronauta del interior quemara el registro de su misión, es posible que no pudiera reconstruir una réplica a partir de las cenizas.

"Si estás modificando la mecánica cuántica, la gente pensará que estás loco y, por lo general, tendrán razón", dijo Harlow. “Estaba indeciso”.

Más tarde ese año, una estudiante graduada del MIT (ahora en Stanford) llamada Shreya Vardhan se unió al equipo. Hizo algunos cálculos concretos de entropía que finalmente convencieron a todos de que romper ligeramente la mecánica cuántica en el interior era la única forma de salvarlo por completo en el exterior.

"Shreya y Chris en particular estaban impulsando eso de diferentes maneras", dijo Harlow. “Shreya rompió la última barrera para mí y me di cuenta de que esto realmente tiene sentido”.

Akers había estado trabajando con Penington, por lo que él también se involucró. El esfuerzo requirió algunos años de trabajo intermitente. Y justo cuando se sentaban a escribir sus resultados, tres quintas partes del equipo enfermaron simultáneamente con Covid-19. Pero en julio pasado finalmente publicaron una preimpresión que detalla su teoría de cómo el interior del agujero negro podría codificarse en su exterior con el código de corrección de errores más extraño del mundo.

Así es como funciona. Una astronauta abnegada dentro del agujero negro registra la configuración de todos los fotones, electrones y otras partículas que la rodean a ella y al agujero negro: un archivo de datos cuánticos compuesto por un grupo de qubits que capturan su experiencia semiclásica. Su objetivo es comprender la perspectiva cuántica de su pareja afuera en ese momento. El grupo desarrolló un algoritmo de dos pasos que uno podría imaginar ejecutándose en una computadora cuántica para convertir esa instantánea interior.

En primer lugar, el programa codifica los qubits semiclásicos hasta dejarlos casi irreconocibles utilizando una de las transformaciones más aleatorias de las matemáticas.

Luego viene la salsa secreta. El segundo paso implica la poselección, una extraña operación más comúnmente utilizada por los teóricos de la información que por los físicos. La poseselección permite al experimentador manipular un proceso aleatorio para obtener el resultado deseado. Digamos que quieres lanzar una moneda y obtener 10 caras seguidas. Puedes hacerlo, siempre que tengas la paciencia de empezar de nuevo cada vez que salga cruz. De manera similar, el programa de codificación comienza a medir los qubits semiclásicos, pero se reinicia cada vez que obtiene un 1. Finalmente, cuando ha medido la mayoría de los qubits codificados y ha obtenido con éxito una cadena de ceros, descarta esos qubits. Los pocos qubits restantes sin medir representan los píxeles de la imagen cuántica del agujero negro visto desde el exterior. Por lo tanto, el código comprime un gran archivo RAW semiclásico en un JPEG cuántico compacto.

Es "una forma sin pérdidas de comprimir una gran cantidad de información semiclásica en un espacio cuántico finito", dijo Hartman de Cornell.

Pero hay un gran problema. ¿Cómo podría un programa así borrar tanta información semiclásica sin borrar ningún detalle esencial? El procedimiento implica que la física semiclásica está llena de tonterías: configuraciones de partículas que el astronauta interior podría observar y que en realidad no son reales. Pero la física semiclásica ha sido probada rigurosamente en colisionadores de partículas en la Tierra, y los experimentadores no han visto signos de tales espejismos.

“¿Cuántos estados están codificados de forma fiable? ¿Y qué tan bien puede funcionar la teoría semiclásica? dijo Hartman. "Dado que tiene que generar pérdidas, no es obvio que pueda hacer algo en absoluto".

Para explicar cómo una teoría defectuosa podía funcionar tan bien, el equipo recurrió a la extraña observación que Hayden y Harlow habían hecho en 2013: decodificar la radiación para el experimento AMPS requeriría tantos pasos que sería efectivamente imposible. Quizás la complejidad podría estar tapando las grietas de la física semiclásica. La codificación no eliminaba configuraciones de cualquier manera. Sólo borró ciertas disposiciones de partículas que eran complejas en el sentido de que tardarían tanto en producirse que el astronauta interior nunca podría esperar presenciarlas.

Argumentar que el código dejaba estados simples esencialmente intactos constituía la mayor parte del trabajo. El grupo argumentó que para cualquier versión de su proceso de dos pasos, crear una configuración semiclásica compleja sin contraparte desde la perspectiva exterior tomaría esencialmente una eternidad: algo así como 10.000 veces la edad actual del universo sólo para un sistema subatómico de 50 qubits. partícula de un agujero negro. Y para un agujero negro real, como M87 con sus 1070 y tantos qubits, un experimento que rompiera la física semiclásica llevaría exponencialmente más tiempo que eso.

El equipo propone que los agujeros negros resaltan una nueva ruptura en el marco establecido de la física. Así como Einstein predijo una vez que la noción de distancias rígidas de Newton fallaría a velocidades suficientemente altas, predicen que la física semiclásica falla en experimentos extremadamente complejos que involucran números impensables de pasos y períodos de tiempo incomprensibles.

Los cortafuegos, cree el grupo, serían una manifestación de una complejidad tan impensable. Un agujero negro real como el de M87 sólo ha existido durante miles de millones de años, lo que no es suficiente para que su interior semiclásico se rompa en un cortafuegos. Pero si uno fuera capaz de hacer experimentos increíblemente complicados, o si un agujero negro viviera durante un tiempo extremadamente largo, todas las apuestas semiclásicas estarían canceladas.

"Existe una frontera de complejidad", dijo Harlow. "Cuando empiezas a hacer cosas exponenciales, entonces [la física] realmente empieza a ser diferente".

Una vez que los físicos se convencieron de que la pérdida del código no provocaría grietas notables en la física semiclásica dentro del agujero negro, el equipo investigó las consecuencias. Descubrieron que el aparente error resultó ser la característica definitiva.

“Parece malo. Parece que vas a perder información porque estás eliminando muchos estados”, dijo Akers. Pero "resulta que es todo lo que siempre quisiste".

En particular, va más allá del trabajo de 2019 al abordar cómo sale la información del agujero negro. O más bien, sugiere que, para empezar, los qubits no están exactamente dentro.

El secreto está en el segundo paso de la conversión, la poselección. La poseselección implica los mismos ingredientes matemáticos, es decir, la medición de parejas entrelazadas, que un proceso cuántico de libro de texto que teletransporta información de un lugar a otro. Entonces, si bien el proceso de conversión no es un evento físico que se desarrolla en el tiempo, explica cómo la información parece cambiar del interior al exterior.

Esencialmente, si el astronauta interior convierte una instantánea tomada al final de la vida del agujero negro, aprenderá que la información que parece residir en las partículas a su alrededor (o incluso en su propio cuerpo) desde la perspectiva externa en realidad flota en el Hawking. radiación exterior. A medida que pasa el tiempo, el proceso de conversión revelará que su mundo es cada vez más irreal. Un instante antes de que el agujero negro desaparezca, a pesar de la impresión contraria de la astronauta, su información existirá casi por completo en el exterior, mezclada por la radiación. Al rastrear este proceso, instantánea por instantánea, el grupo pudo derivar la fórmula de entropía de Engelhardt que había encontrado información en la radiación en 2019. También es un subproducto de la pérdida de la conversión.

En resumen, la conversión explica cómo un astronauta podría, sin saberlo, experimentar un interior que se aleja cada vez más de la realidad exterior a medida que madura. El error de Hawking, argumentan, fue ponerse completamente en la piel del astronauta interior y suponer que la física semiclásica funcionaba perfectamente tanto dentro como fuera del agujero negro.

No se dio cuenta, como creen ahora Harlow y compañía, de que la física semiclásica no logra capturar con precisión fenómenos y experimentos que requieren una complejidad exponencial. Decodificar la información codificada en la radiación tomaría un tiempo exponencialmente largo, por ejemplo, razón por la cual su análisis semiclásico predice erróneamente que la radiación no tendrá rasgos característicos. Las características están ahí; Simplemente se necesitarían muchas, muchas veces la edad del universo para descubrirlos.

Además, hay una razón por la que la capacidad de información del interior parece crecer mientras el tamaño de la superficie del agujero negro se reduce: el cálculo semiclásico incluye erróneamente una gran cantidad de estados complejos que no tienen contrapartes cuánticas en el exterior. Si los físicos tienen en cuenta las formas en que la complejidad puede alterar la física semiclásica, el choque entre la imagen del espacio-tiempo interior y la imagen cuántica exterior se evapora.

"Ahora vemos una manera consistente de superar la paradoja", dijo Harlow.

Sin embargo, pese a la confianza de Harlow, otros miembros de la comunidad de los agujeros negros tienen muchas preguntas.

La principal limitación es que las teorías que conecta el código son extremadamente simples. La descripción de la mecánica cuántica tiene una colección de qubits que irradian información. La descripción semiclásica tiene un interior separado del exterior por un horizonte de sucesos. Y eso es. No hay gravedad ni sensación de espacio-tiempo. El código tiene las características centrales de la paradoja, pero carece de muchos detalles que serían necesarios para argumentar que los agujeros negros reales operan de esta manera.

"La esperanza, como siempre, es tener un modelo de juguete en el que se haya extraído toda la física importante y se haya descartado toda la física que no es importante", dijo Maloney. "Hay muy buenas razones para pensar que esto es cierto aquí, pero aun así es importante ser cauteloso".

Existen muchas soluciones alternativas y la gravedad real aún podría resolver la paradoja de una de esas maneras. Mathur, del estado de Ohio, por ejemplo, dirige un programa de investigación que estudia una de esas opciones. Mientras analizaba lo que le sucedería a una estrella que colapsara en la teoría de cuerdas, él y sus colaboradores descubrieron que las cuerdas pueden detener el colapso. Forman una masa que se retuerce, una “bola de pelusa”, cuyo intrincado movimiento impediría que se formara un horizonte de sucesos (y una paradoja). Mathur plantea varias objeciones a la nueva solución y, en general, cree que el código con pérdidas es una propuesta demasiado complicada. "La paradoja de la información se resolvió hace mucho tiempo", afirmó. (Por bolas de pelusa.)

Mientras tanto, Marolf, que trabajó con Engelhardt en 2019 para detectar la información en la radiación, sospecha que su solución puede ser demasiado conservadora. "Mi preocupación es que es casi demasiado fácil", dijo.

Se ahoga con la pérdida, lo que significa que el código en su forma actual da respuestas únicas sólo al astronauta interior. Si un astronauta exterior toma una fotografía y quiere saber qué dice sobre el interior, tendrá que adivinar los píxeles semiclásicos que borra el código. Aunque esos estados son en cierto sentido ilusorios, son esenciales para comprender la experiencia humana interna. Según algunas conjeturas, podría encontrar un interior tranquilo. En otros, un cortafuegos furioso. No importa cuán refinada sea la teoría cuántica en el exterior, nunca podrá decir con seguridad qué encontraría si saltara.

"Me molesta un poco", dijo Marolf. "Habría pensado que una teoría fundamental debería predecirlo todo, incluso lo que experimentamos como realidad".

Desde entonces, algunos escépticos de la propuesta inicial han aceptado la idea, entre ellos Isaac Kim, un científico informático de la Universidad de California, Davis, y John Preskill, un físico cuántico del Instituto de Tecnología de California y una de las luminarias que asistieron a la El enfrentamiento de cortafuegos de 2013.

“Nos enteramos de que este trabajo estaba por llegar”, dijo Kim. "Parecía que algo tenía que salir mal".

Kim estaba nerviosa por el uso de la poselección. Las aplicaciones pasadas de la poselección habían incluido planos para máquinas del tiempo y ordenadores cuánticos irrazonablemente potentes, por lo que su aparición saltó como una señal de alerta. Sospechaba que los detalles que faltaban en el código inicial, como cómo funciona para un astronauta que mide la radiación en el exterior y luego cae dentro, podrían combinarse con la poselección para estropear incluso la perspectiva externa y eliminar información allí.

Luego, en diciembre, Kim y Preskill actualizaron el código y descubrieron que el agujero negro continuaba irradiando información en la imagen externa de manera segura. También descubrieron que la poselección no servía como una escapatoria para que el agujero negro realizara cálculos absurdamente poderosos, o lanzara astronautas de regreso al futuro.

"Sorprendentemente, dentro de este modelo, aunque se permite la post-selección, eso no sucede", dijo. "Eso es lo que me convenció de que algo correcto está sucediendo aquí".

DeWolfe y su colaborador Kenneth Higginbotham generalizaron aún más el código con pérdidas en abril. También concluyeron que podría resistir la caída de astronautas.

Otros investigadores han pasado los últimos meses comprobando si sus teorías favoritas sobre la gravedad ocultan pérdidas. En octubre, Arjun Kar, de la Universidad de Columbia Británica, transfirió el código con pérdidas de Harlow y sus colegas a una conocida teoría de la gravedad 2D y descubrió que se mantenía. "Realmente parecen haber dado con algo interesante sobre la corrección de errores cuánticos", dijo.

Continuar por este camino (buscar pérdidas en más teorías de la gravedad) es la principal forma en que los físicos esperan generar o destruir la confianza en que la gravedad real realmente funciona así. Pocos sueñan con probar el código mediante un experimento.

"No está claro cómo probaríamos alguna vez esta explicación", dijo Aaronson, "excepto intentando construir una teoría cuántica de la gravedad sobre ella y ver si esa teoría tiene éxito".

Harlow, sin embargo, es un soñador. “No creo que sea imposible. Es simplemente difícil”, dijo, presentando el siguiente experimento mental.

Pones un pequeño agujero negro en una caja y capturas cada fotón de radiación de Hawking que sale de él, almacenando toda esa información en una computadora cuántica. Debido a que esa información parecería existir dentro del agujero negro desde el punto de vista de una partícula interior, manipular la radiación podría afectar instantáneamente a la partícula, una acción real a una distancia lo suficientemente espeluznante como para atormentar a cualquier físico. "No debería haber nada que pueda hacer con la radiación que cambie algo en el interior", dijo Harlow. "Ese es un colapso que se produjo porque cruzaste la frontera de la complejidad".

Pero incluso para fantasear con tal experimento, Harlow tiene que cambiar a un universo eterno para tener suficiente tiempo, ya que la actividad en nuestro cosmos en expansión se agotaría billones de veces antes de que uno pudiera esperar manipular la radiación incluso del más pequeño de los seres. agujeros negros. (Además, Susskind y otros que trabajan en un ángulo relacionado del rompecabezas de los agujeros negros han encontrado recientemente ideas superpuestas que relacionan la complejidad y períodos de tiempo insondablemente largos).

Sin embargo, Harlow no se deja intimidar por detalles menores como la muerte térmica del universo. Si experimentos mentales imposibles que involucran trenes que viajan casi a la velocidad de la luz fueron lo suficientemente buenos para Einstein, él cree que también lo son para él.

"Todavía no tenemos los trenes, pero [la relatividad] tiene consecuencias para otras cosas que probamos", dijo.

Harlow es el último de una larga lista de físicos de agujeros negros con una relación con la evidencia física que los observadores casuales podrían encontrar sorprendente. Después de todo, nadie ha visto jamás un fotón de la radiación de Hawking, y nadie lo verá jamás. Es demasiado débil, incluso si se coloca el telescopio espacial James Webb en órbita alrededor de un agujero negro real.

Pero eso no ha impedido que varias generaciones de físicos, desde Stephen Hawking y Leonard Susskind hasta Netta Engelhardt, Chris Akers y docenas más, debatan animadamente cómo manejar el conjunto de conflictos que surgen del agujero negro junto con el baño teórico. de fotones.

Incluso mientras construyen y fortalecen sus casos, reconocen que la única forma concluyente de ver si los agujeros negros representan la prisión cósmica definitiva o una sentencia de muerte ardiente es embarcarse en el impensable experimento mental original.

“Si hay dos personas a las que lo único que les importa es resolver su desacuerdo, todo lo que pueden hacer es intervenir”, dijo Penington. “O ambos se vaporizan instantáneamente y nunca lo resuelven de todos modos, o entran y uno de ellos dice: 'Oh, es justo, me equivoqué'”.

Nota del editor: varios de los científicos que aparecen en este artículo, incluidos Daniel Harlow y Chris Akers, han recibido financiación de la Fundación Simons, que también financia esta revista editorialmente independiente. Las decisiones de financiación de la Fundación Simons no influyen en nuestra cobertura. Más detalles están disponibles aquí.

Redactor del personal

2 de agosto de 2023

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