lunes, 30 de mayo de 2016

Avance en LQG

La teoría de la gravedad cuántica de lazos realiza un avance al describir con un nuevo formalismo la geometría y entropía de un agujero negro.

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En una disciplina dada tiene ventaja el primero que llega. Así por ejemplo, las cuerdas en Física llegaron hace unos 30 años y, pese a que no han cosechado éxito haciendo predicciones, da la impresión de que es la única posible teoría cuántica de la gravedad de cara al público.
Pero además de las cuerdas hay otras ideas. Posiblemente ninguna, incluyendo las cuerdas, sea la teoría cuántica de la gravedad definitiva, pero quizás nos indiquen el camino a seguir. Sin embargo, si nos creemos en posesión de la verdad no sólo no estaremos haciendo ciencia (más bien fundamentalismo), sino que además retrasaremos el avance de la Física, entre otras cosas por acaparar demasiados recursos económicos e intelectuales.
Los agujeros negros o el Big Bang son los regímenes a los que una teoría cuántica de la gravedad puede aspirar a describir bien, pues la Teoría General de la Relatividad (RG) falla en la descripción de los mismos al predecir singularidades. Para casi cualquier otro caso las predicciones de una teoría cuántica de la gravedad tiene que coincidir con la RG. Así que los agujeros negros son un buen test en donde poner a prueba cualquier candidata a teoría cuántica de la gravedad.
Una de las teorías cuánticas de la gravedad que se han propuesto es la teoría de la gravedad cuántica de lazos o LQG en sus siglas en inglés. Ahora se ha publicado otro resultado interesante alcanzado por esta teoría en el tema de los agujeros negros.
Las pistas sobre las propiedades cuánticas de los agujeros negros no provienen exclusivamente de la singularidad, sino que también provienen del propio horizonte de sucesos que oculta dicha singularidad. Hace ya bastantes décadas Jacob Bekenstein y Stephen Hawking afirmaron que la entropía de un agujero negro es proporcional al área de ese horizonte de sucesos. Esto permite que no se viole el segundo principio de la Termodinámica y además permite evaluar el desorden interno del sistema aunque no se tenga acceso al dicho interior.
Como no podemos mirar más allá del horizonte de sucesos, que hace de barrera infranqueable, los microestados interiores que definen la entropía son inaccesibles, por lo que no habría manera de calcularla. Así que Bekenstein y Hawking adoptaron una aproximación semiclásica, una especie de mezcla entre física clásica y cuántica para calcular dicha entropía como proporcional al área. Pero apuntaron a la necesidad de usar una futura teoría cuántica de gravedad que permitiera calcular esos microestados.
Esta idea de que en la superficie está la información sobre el volumen interior derivó más tarde en el principio holográfico. Este principio sugiere que la apariencia tridimensional del objeto puede que no sea más que una “imagen” proyectada por una superficie bidimensional a modo de como hace un holograma.
Los primeros intentos de cuantificar la Relatividad General llevaron al fracaso. El problema es que al final surgen infinitos de los que los físicos no pueden deshacerse. Manejar infinitos en Física es un gigantesco dolor de cabeza. Parece natural pensar que la mejor manera de evitar este problema es cuantificar el propio espacio de alguna manera. No podemos tener densidades infinitas, por ejemplo, si nunca se puede alcanzar una distancia cero, aunque tengamos mucha masa. Según esto, el espacio tendría una textura a partir de cierta escala y no se sería posible que se dieran distancias menores a la longitud de Planck. Incluso se podría hablar de “átomos” de espacio. Tanto las cuerdas como la LQG dotan de textura al espacio.
En los últimos años se han hecho avances en la aplicación de la LQG al estudio de los agujeros negros o al cálculo de su entropía. Ahora Daniele Pranzetti y sus colaboradores publican un artículo importante en PRL. En él que aplican una segunda cuantización a la LQG que proporciona una mejor aproximación al problema de la gravedad cuántica y que permite usar el lenguaje de la teoría de grupos.
Según este resultado las geometrías clásicas homogéneas (las predichas por la Relatividad General, que es clásica) surgen a partir de un condensado cuántico de espacio dictado por la LQG. Además, esto permite describir geometrías cuánticas y describir el estado cuántico de un agujero negro del que surge el espacio continuo (que tiene una geometría descrita por la Relatividad General) que rodea al agujero negro.
Este condensado es una colección de cuantos de espacio que comparten las mismas propiedades de tal modo que, aunque hay un gran número de ellos (es algo similar a los condensados de Bose-Einstein), podemos describir su comportamiento colectivo a partir de las propiedades microscroscópica de cada cuanto individual.
Si no se entiende bien el párrafo anterior podemos usar una analogía termodinámica. Las propiedades de presión y temperatura de un gas en un recinto surgen como propiedades colectivas emergentes de propiedades como la masa y la velocidad de los átomos que forman ese gas. Así que, volviendo a nuestro caso, la gravedad clásica observable exteriormente como una curvatura del espacio continuo descrita por la RG surgiría de esos cuantos de espacio en forma de condensado.
El resultado es importante porque permite hacer avanzar a la LQG, pues hasta ahora había ciertas ambigüedades que afectaban a los cálculos realizados con anterioridad. En este caso, al usar un nuevo formalismo, estos físicos consiguen realizar las operaciones matemáticas fácilmente y tener en cuenta un número de grados de libertad que, a priori, es infinito.
Además, proponen un mecanismo en concreto que da apoyo a la hipótesis del principio holográfico, en donde la tridimensionalidad del agujero negro es aparente y toda la información contenida en la superficie bidimensional de su horizonte es suficiente para describir su estado sin necesidad de investigar su estructura interna. Esto sellaría la relación entre entropía y el área del agujero negro.
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