Un equipo de científicos dirigido por el físico Enrico Rinaldi, de la Universidad de Michigan, ha dado un paso significativo en la exploración de los agujeros negros.
Utilizando tecnologías avanzadas como la computación cuántica y el aprendizaje profundo, han logrado visualizar un modelo matemático de los posibles estados cuánticos dentro de estos enigmáticos objetos, revelando detalles sin precedentes sobre su estructura interna.
Este avance, que fue informado por el periodista Joseph Shavit en Brighter Side of News, se basa en la teoría holográfica y plantea una conexión crucial entre la física de partículas y la gravedad en el espacio-tiempo cuántico, acercando a la ciencia a una posible teoría de la gravedad cuántica.
El estudio liderado por Rinaldi se basa en la teoría holográfica, un concepto revolucionario en física que sugiere que las leyes de la física de partículas y la gravedad son equivalentes, aunque operan en diferentes dimensiones. Esta teoría propone que la información de un objeto tridimensional, como un agujero negro, podría representarse en una superficie bidimensional. Así, la física de partículas actúa sobre la superficie exterior del agujero negro en dos dimensiones, mientras que la gravedad se manifiesta en el espacio tridimensional.
La teoría holográfica, o dualidad holográfica, ayuda a los científicos a crear modelos matemáticos que simulan las interacciones entre partículas y fuerzas gravitacionales en el espacio-tiempo cuántico. Estos modelos avanzados se calculan con potentes tecnologías como la computación cuántica y las redes de aprendizaje profundo, herramientas que permitieron a Rinaldi y su equipo visualizar con mayor precisión las interacciones entre partículas subatómicas y campos gravitacionales dentro de los agujeros negros.
¿Qué hay dentro de un agujero negro?
Los agujeros negros son fenómenos cósmicos con una fuerza gravitacional tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Cada uno tiene una singularidad en su núcleo, donde la densidad y la gravedad son prácticamente infinitas y el espacio-tiempo se curva hacia el infinito. Este fenómeno desafía las leyes conocidas de la física, y es precisamente en estos puntos donde los científicos creen que se podrían encontrar pistas sobre la unificación entre la gravedad y la mecánica cuántica.
Alrededor de esta singularidad está el horizonte de sucesos, una frontera invisible donde todo lo que la cruza es irremediablemente absorbido. Además, los agujeros negros están rodeados por la esfera de fotones, una región donde la luz orbita alrededor del agujero, y el disco de acreción, un anillo de gas y polvo que gira y se calienta, emitiendo radiación detectable desde la Tierra.
Para analizar el estado cuántico de un agujero negro, el equipo de Rinaldi utilizó modelos de matrices cuánticas, una herramienta clave para simular cómo podrían disponerse las partículas en el interior de estos objetos. Los modelos matriciales permiten a los científicos construir representaciones del estado de menor energía de un sistema, llamado estado fundamental. Estas simulaciones exigen una gran capacidad de cálculo y optimización de los circuitos cuánticos, necesarios para estabilizar todos los elementos del modelo hasta conseguir una configuración estable que pueda reflejar el estado real de un agujero negro.
Los investigadores aplicaron algoritmos avanzados de aprendizaje profundo, una técnica en la que la inteligencia artificial identifica patrones en datos complejos. Estas técnicas, combinadas con la computación cuántica, les permitieron visualizar la estructura de un estado cuántico dentro de un agujero negro, un logro sin precedentes en este campo.
La computación cuántica es fundamental en la investigación de los agujeros negros porque le permite procesar cantidades masivas de información y resolver ecuaciones complejas que son prácticamente imposibles para las computadoras clásicas. Los circuitos cuánticos, construidos a partir de qubits, funcionan de manera diferente a los bits convencionales y pueden representar múltiples estados a la vez, lo que acelera enormemente los cálculos.
Para estudiar los agujeros negros, Rinaldi y su equipo utilizaron circuitos cuánticos optimizados y algoritmos de redes neuronales que les ayudaron a visualizar el estado fundamental. Esta capacidad es especialmente relevante en física teórica porque los agujeros negros representan una de las áreas de la ciencia más complejas y menos comprendidas.
Los resultados obtenidos por estos científicos de la Universidad de Michigan representan un avance clave en el campo de la física teórica, particularmente en la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad. Actualmente, la física cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein son las 2 teorías fundamentales de la ciencia moderna, pero describen el universo desde perspectivas mutuamente incompatibles. Mientras que la relatividad explica la gravedad y la estructura del espacio-tiempo a escalas cósmicas, la mecánica cuántica describe las partículas subatómicas y sus interacciones a nivel microscópico.
Si los científicos pueden combinar estas dos teorías en un marco coherente, podrían comprender cómo funciona la gravedad a nivel cuántico. lo que revolucionaría la comprensión del universo. Los modelos obtenidos por el equipo de Rinaldi proporcionan un primer paso tangible en esta dirección, proporcionando detalles de cómo podría comportarse la gravedad en el contexto del espacio-tiempo cuántico.
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