Un único fotón podría detectar agujeros negros a escala cuántica

Artículo publicado por Ron Cowen el 22 de noviembre de 2012 en Nature News

Se propone un experimento de sobremesa para demostrar si el espacio-tiempo está compuesto de unidades indivisibles.

El espacio no es liso: los físicos creen que, a escala cuántica, está compuesto de subunidades indivisibles, como los puntos que forman un cuadro puntillista. Este pixelado paisaje se cree que hierve con agujeros negros menores de una cuatrillonésima del diámetro de un átomo de hidrógeno, apareciendo y desapareciendo constantemente.

Espuma cuántica

Espuma cuántica


Esta tumultuosa imagen se propuso hace décadas por teóricos que tenían problemas para casar la teoría cuántica con la teoría de la gravedad de Einstein — la única de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que no se ha incorporado al Modelo Estándar de la física de partículas. De ser cierta, esta idea podría proporcionar una comprensión más profunda del espacio-tiempo y del nacimiento del universo.

Los científicos han intentado usar el Gran Colisionador de Hadrones, los detectores de ondas gravitatorias, y las observaciones de lejanas explosiones cósmicas, para determinar si el espacio es realmente granulado pero, hasta el momento, los resultados se han mostrado poco concluyentes. Ahora, Jacob Bekenstein, físico teórico de la Universidad Hebrea de Jerusalén, ha propuesto un simple experimento de sobremesa para descubrirlo, usando equipo actualmente disponible1.

Como en experimentos anteriores, la configuración de Bekenstein está diseñada para examinar el problema de la escala de 1,6 × 10−35 metros. Esta es la ‘longitud de Planck’, que se cree que marca la escala a la cual es concepto macroscópico de distancia deja de tener sentido, y las fluctuaciones cuánticas empiezan a provocar que el espacio-tiempo recuerde a un mar espumoso.

Ningún instrumento puede medir directamente un desplazamiento tan pequeño como es 10−35 metros. En lugar de esto, Bekenstein propone lanzar una única partícula de luz, o fotón, a través de un bloque transparente, y medir indirectamente la minúscula distancia que se mueve el bloque como consecuencia del momento del fotón.

La longitud de onda del fotón y la masa y tamaño del bloque se escogen con cuidado, de forma que el momento sea lo bastante grande como para mover el centro de masas del bloque una longitud de Planck. Si el espacio-tiempo no es granuloso a esta escala, cada protón atravesará el bloque y será registrado por un detector en el otro lado. Sin embargo, si el espacio-tiempo es granuloso, es mucho menos probable que el fotón atraviese el bloque. “Lo que defiendo, es que la consecuencia de este cruce – el movimiento del bloque una Planck — es algo que no haría la naturaleza”, dice Bekenstein.

Si las fluctuaciones cuánticas en longitud son importantes a la escala de Planck, se formaría fácilmente un mar de agujeros negros, cada uno con un radio de la escala de Planck. Cualquier cosa que caiga en uno de esos agujeros negros quedaría atrapada hasta que el agujero negro desapareciera. Por tanto, si el centro de masas del bloque en movimiento cae en uno de los agujeros, el movimiento del bloque quedará obstruido (los fotones son mucho más grandes que la longitud de Planck, y, por esta razón, no se ven perturbados por los agujeros negros en miniatura).

La conservación del momento en la configuración experimental, requiere que el fotón no pueda atravesar el bloque, si el bloque es incapaz de moverse una longitud de Planck. Por lo que si llegan al detector menos fotones de los esperados, esto indicaría que el movimiento del bloque se ha visto obstruido por los agujeros negros, y que el espacio-tiempo exhibe características cuánticas a la escala de Planck.

El diseño de Bekenstein es simple, por lo que el experimento podría ponerse en práctica fácilmente usando los métodos establecidos para generar y detectar fotones aislados, dice Igor Pikovski, físico cuántico en el Centro Vienna para Ciencia y Tecnología Cuántica. No obstante, añade, “distinguir los posibles efectos gravitatorios cuánticos de otros efectos, será todo un reto”.

A principios de 2012, Pikovski y sus colegas publicaron otro esquema2 para estudiar la granularidad del espacio-tiempo en el laboratorio, usando pulsos ópticos y los principios de la teoría cuántica para llevar a un sistema de una configuración inicial al estado final deseado. “La verdad es que no sabemos a qué escala exactamente, la gravedad cuántica desempeñará un papel significativo”, dice Pikovski. Hay mucho espacio para la granularidad a longitudes mayores [que la longitud de Planck] ay no tenemos una teoría completa que pueda darnos la respuesta.” Experimentos como el de Bekenstein pueden proporcionar alguna de las primeras pruebas para una respuesta, señala.


Nature doi:10.1038/nature.2012.11871

Artículos de referencia:

1.- Bekenstein, J. Preprint available at http://arxiv.org/abs/1211.3816 (2012).
2.- Pikovski, I. et al. Nature Phys. 8, 393–397 (2012).

Autor: Ron Cowen
Fecha Original: 22 de noviembre de 2012
Enlace Original

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Comments (3)

  1. Zeek

    Cómo se puede producir y emitir un único fotón?

  2. ¡Hola, amigos!

    Lo cierto es, que imaginanción nos sobra y, también, una cosa está clara, el límite de nuestras teorías está marcado por las Unidades de Planck que, adimensionales ellas, no son números inventados por el hombre, aún, no las hemos podido sobrepasar y, de esa manera, nos ponen el límite al conocimiento.

    En relación al autor de la idea que aquí se expone, recuerdo aquella pregunta: ¿Qué le pasa a la información cuando la materia se colapsa dentro de un agujero negro?

    Parecería que los Agujeros Negros acabarían con la información contenida en la materia. En respuesta a este enigma Stephen Hawking y Jacob Bekenstein, anunciaron que el desorden en un agujero negro es proporcional a su área superficial.

    Dentro del agujero negro hay mucho mas espacio para el orden de información que en su superficie. En un centímetro cubico, por ejemplo, hay espacio para 1099 volúmenes de Planck, pero solo hay espacio para 1066 bits de información en su superficie (un volumen de Planck es un espacio rodeado de lados que miden 10-35 metros, algo inconcebiblemente pequeño).Es decir, que cuando la materia implosiona en un agujero negro, una enorme cantidad de información dentro del agujero negro parece que se pierde.

    Hawking estaba listo para afirmar que esto era así, pero esto iría en contra de la afirmación de la teoría cuantica de que la información del Universo nunca se pierde.

    La solución a este dilema apareció en 1993, cuando trabajando independientemente, Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford y Gerard ´´t Hofft, de la Universidad de Ultrecht, defendieron la idea de que la información dentro de un agujero negro no se perdería si estuviera almacenada holográficamente en su superficie.

    Después de aquello surgió lo del Universo Holográfico que todos conocemos bien, y, ahora, de nuevo regresa nuestro amigo Bekenstein que, de si alguna casa no le podemos acusar, no será, precisamente, de falta de imaginación.

    El hombre nos quiere llevar a saber que, el espacio, está cuantizado, como la energía misma.

    Bueno, ¿de qué nos podemos extrañar a estas alturas? Lo que nos hacen falta son, medios tecnológicos más avanzados para comprobar todas estas ideas “luminosas” que vendrían a decirnos como son, realmente las cosas.

    Veremos que sale de todo esto.

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