Un nuevo experimento mental explora la interfaz entre la mecánica cuántica y la relatividad general mediante la transferencia de información.

Uno de los fenómenos más intrigantes de la naturaleza predicho por la mecánica cuántica es el concepto de partículas entrelazadas. Esencialmente, una vez que dos o más partículas han estado en contacto, almacenan información entre sí, incluso cuando están separadas por distancias arbitrariamente grandes. Aún más increíble, manipular el estado de una partícula parece hacer esto inmediatamente cambiar el estado de ambas partículas – Albert Einstein llamó a esto «acción espeluznante a distancia».

Esta acción debe ser muy especial, ya que un cambio instantáneo en el estado de una partícula causado por la manipulación de la otra no debería ser inmediatamente observable, ya que esto violaría un principio fundamental de la física que establece que ninguna señal puede generarse puede propagarse más rápido que la velocidad de la luz.

Gravedad y partículas entrelazadas

Un grupo de físicos del Technion y la Universidad Bar-Ilan han utilizado este principio para analizar el entrelazamiento entre dos partículas elementales que giran y el campo gravitatorio que generan para imponer restricciones a la teoría de la gravedad cuántica que aún no se ha descubierto: una descripción de los campos gravitatorios basada en los principios de la mecánica cuántica.

«La mecánica cuántica describe con precisión la física de los objetos pequeños, mientras que la relatividad general describe la física de los objetos grandes», explicó Ido Kaminer, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del Israel Technion – Instituto de Tecnología de Israel. “Debe haber una conexión importante entre los dos que no se entiende completamente en este momento.

«Este eslabón perdido podría ayudarnos a resolver muchos problemas desconcertantes, como la física de los objetos astrofísicos compactos donde los efectos de la gravedad son extremadamente fuertes, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros», continuó. «Este enlace también podría ayudar a resolver el infame problema de medición en el límite entre la mecánica clásica y la cuántica. Por lo tanto, para comprender completamente el universo y cómo funciona, necesitamos una teoría unificada”.

Debido a que la precisión de los experimentos actuales es demasiado baja para medir el campo gravitacional generado por una sola partícula, los científicos idearon un experimento mental para investigar cómo se acopla el giro de una partícula a la descripción clásica o cuántica del espacio-tiempo. «Específicamente, se cree que el giro es una fuente de gravedad y es probable que produzca una pequeña curvatura del espacio-tiempo o su análogo cuántico», escribieron los autores.

«Actualmente no hay consenso sobre el tipo de atracción gravitacional causada por el giro de las partículas elementales», agrega Kaminr. «Aún no está claro cómo está mediada la gravedad; tal vez esté mediada por gravitones o tal vez haya un principio completamente diferente, aún desconocido».

El experimento mental

En el experimento mental, un conjunto de relojes hipotéticos se coloca simétricamente alrededor de una partícula elemental llamada Partícula A. Según la relatividad general, una partícula con un determinado espín deforma el espacio-tiempo que la rodea de una manera muy especial, de modo que la sincronización de los relojes cambiaría dependiendo de la ubicación del reloj.

La mayoría de los enfoques de la mecánica cuántica afirman que las propiedades cuánticas de una partícula solo adquieren un cierto valor a través de la medición y pueden existir previamente como una superposición de todas las posibilidades. Sin embargo, para un par de partículas entrelazadas, si una de las propiedades de la partícula, p. B. se mide el giro, el giro de la otra partícula debe conocerse inmediatamente y correlacionarse con la primera partícula. El experimento mental muestra que el espacio-tiempo medible alrededor de las partículas no puede determinar el estado cuántico de una partícula entrelazada o que la información puede transmitirse más rápido que la velocidad de la luz, lo que provoca otras paradojas dentro de las leyes fundamentales de la física, como la violación del principio de no clonación. en otra variante del experimento mental.

«Con nuestro experimento mental, podemos probar modelos existentes y futuros de gravedad cuántica», dice Kaminer. «Se afirma que estos modelos deben contener algún tipo de mecanismo de censura que impida la violación de la causalidad relativista, que ninguna señal puede viajar más rápido que la velocidad de la luz».

Una paradoja

Si la partícula A con los relojes está entrelazada con una partícula B arbitrariamente distante cuyo giro aún no se ha medido, el giro de la partícula con los relojes no tiene una dirección clara. De acuerdo con la mecánica cuántica, si se mide el espín de la partícula B y se determina la dirección de su espín, también se conoce inmediatamente el espín de su compañero entrelazado cuando se mide en la misma dirección. Según ciertas teorías de la gravedad cuántica, este cambio de un estado de superposición a un valor determinado cambiaría el ritmo de los relojes.

Esto significaría que la información se estaba transmitiendo más rápido que la velocidad de la luz, violando el principio relativista fundamental y señalando una inconsistencia entre algunas de nuestras teorías actuales de la mecánica cuántica y la gravedad.

Para superar esta paradoja, los autores del estudio propusieron un nuevo principio que denominan «censura del espacio-tiempo de giro», que plantea la idea de que el campo gravitatorio generado por una partícula que gira no puede proporcionar información sobre la dirección de giro (de lo contrario, podría determinarse). si se estaba midiendo el giro de su compañero enredado). Este nuevo principio es general, dicen, y debe ser seguido por cualquier teoría que gobierne la interacción de las partículas en rotación y el espacio-tiempo.

De acuerdo con algunas teorías de la gravedad, como la relatividad general, nuestra comprensión actual de las interacciones espín-espacio-tiempo es inconsistente con el principio de censura del espín-espacio-tiempo. Los físicos propusieron formas de eludir esto. Primero, descubrieron que una partícula giratoria altera el espacio-tiempo a su alrededor a través de un campo electromagnético creado por la partícula giratoria. Al describir cuidadosamente la interacción entre el campo electromagnético y la gravedad alrededor de la partícula, se podría hacer que el tempo de los relojes imaginarios sea insensible a la dirección del giro, evitando así cualquier inconsistencia.

Otra forma de evitar una conclusión paradójica es asumir que estos efectos cuánticos obligan al campo gravitatorio a fluctuar incluso alrededor de una partícula estática, de forma similar a las fluctuaciones cuánticas observadas en los campos electromagnéticos. En teoría, estas fluctuaciones harían imposible una medición precisa de la velocidad del reloj.

«Nuestro análisis revela limitaciones en las descripciones mecánicas clásicas y cuánticas de la gravedad y nos da pistas sobre cómo modificarlas y/o desarrollar otras nuevas que restablezcan la causalidad relativista», dijo Kaminer. «Específicamente, mostramos que ciertos enfoques principales de la gravedad cuántica deberían modificarse para tener en cuenta correctamente las propiedades cuánticas del giro».

Es muy importante encontrar principios rectores para construir la teoría de la gravedad cuántica, especialmente considerando que la sensibilidad de los instrumentos existentes en la actualidad hace que sea imposible llevar a cabo experimentos relevantes en el mundo real. Para que una teoría potencial de la gravedad cuántica sea válida, ahora podemos verificar primero si pasa la prueba de censura del espín-espacio-tiempo.

Referencia: Jonathan Nemirovsky, et al., Spin – Censura del espacio-tiempo, Anales de física (2022). DOI: 10.1002/ y pág.202100348

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