Crean en laboratorio un vórtice cuántico gigante

Un vórtice cuántico gigante creado en laboratorio simula a un agujero negro y los fenómenos que ocurren en las regiones donde la gravedad y la mecánica cuántica interactúan. Aclarará aspectos fundamentales de la física y de la formación del universo.

Los agujeros negros son objetos fascinantes y misteriosos que desafían nuestra comprensión de la física. Su gravedad es tan fuerte que nada puede escapar de su horizonte de sucesos, el punto de no retorno que los rodea.

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Dado que no se pueden observar directamente, para conocerlos mejor los científicos intentan simular las condiciones de un agujero negro en el laboratorio.

Eso es lo que han hecho ahora en un nuevo intento unos científicos de la Universidad de Nottingham, en el Reino Unido, liderados por la profesora Silke Weinfurtner, experta en el campo de la gravedad análoga.

Su trabajo ha demostrado sorprendentes paralelismos entre las matemáticas que describen los sistemas fluidos en la Tierra y algunos de los entornos más inaccesibles del universo.

Vórtice cuántico

En el nuevo estudio, publicado en el portal de prepublicación arXiv, Weinfurtner describe la creación de un simulador cuántico de un agujero negro, basado en un vórtice cuántico gigante en un superfluido de helio.

El superfluido de helio es un fluido especial que fluye con una viscosidad extremadamente baja, unas 500 veces menor que la del agua. Esto significa que el fluido se mueve sin resistencia, creando un entorno ideal para observar fenómenos cuánticos inusuales.

Los investigadores utilizaron un contenedor con una hélice en su base, que al girar generó un vórtice en el fluido, similar a una mini-tormenta.

Gigante

Aunque se han creado vórtices en otros líquidos antes, la fuerza y el tamaño del vórtice cuántico que han logrado los científicos de Nottingham son mucho mayores.

El vórtice creado en esta investigación mide varios milímetros de diámetro, lo que lo hace mucho más grande que otros vórtices estables que se han creado en fluidos cuánticos en el pasado. Por eso se considera gigante.

Según el equipo, tuvieron que combinar unos 40.000 pequeños "cuantos de rotación" (esencialmente pequeños vórtices) para formar lo que llaman un vórtice cuántico gigante.

Con horizonte de sucesos

El vórtice cuántico tiene algunas propiedades similares a las de los agujeros negros, lo que permite que actúe como una especie de simulador de los fenómenos que ocurren en las regiones donde la gravedad y la mecánica cuántica interactúan.

Por ejemplo, el vórtice tiene un horizonte de sucesos, el límite a partir del cual nada puede escapar de su influencia.

También tiene un horizonte interno, el punto donde el fluido deja de girar. Estos horizontes son análogos a los de los agujeros negros rotantes, llamados agujeros negros de Kerr.

Observaciones en directo

Los científicos han podido observar las interacciones de pequeñas ondas en el fluido con el vórtice, que se asemejan a las de los campos cósmicos y a las de los agujeros negros en rotación.

También han detectado signos de un fenómeno que ocurre cuando dos agujeros negros se fusionan y uno de ellos oscila debido a la energía residual de la fusión.

Y ahora que han demostrado que este tipo de sistema experimental tiene similitudes estrechas con los agujeros negros y su entorno cercano, el equipo planea usar los vórtices cuánticos gigantes para estudiar fenómenos aún más esquivos, como la radiación de Hawking, un proceso por el cual los agujeros negros se evaporan y emiten partículas.

Este experimento podría arrojar luz sobre algunas de las cuestiones más profundas de la física, como la naturaleza de la información cuántica, la entropía de los agujeros negros y el origen del universo.

Gravedad cuántica

También ayudará a comprender mejor las interacciones entre los campos gravitatorios y los campos cuánticos, que han sido, posiblemente, la búsqueda central de la física durante el último siglo.

Las teorías gravitatorias y cuánticas funcionan bien individualmente, y esto suele ser suficiente para describir el mundo que nos rodea, porque a escalas grandes la gravedad tiende a dominar, mientras que a escalas atómicas los efectos cuánticos mandan.

Pero en los agujeros negros, donde mucha masa se comprime en una región muy pequeña del espacio, estos mundos chocan y no hay un marco teórico que los unifique la gravedad y la mecánica cuántico.

El vórtice cuántico puede ayudar, tal vez, a construir ese marco teórico y a establecer si los agujeros negros se evaporan (como prevé la radiación de Hawking) o perduran para siempre en el universo, una de las grandes incógnitas que todavía perduran sobre estos simples y enigmáticos objetos del universo, como los consideraba el propio Hawking, y que representan la última frontera de la física, según Kip Thorne.

Referencia

Rotating Curved Spacetime Signatures from a Giant Quantum Vortex. Patrik Švančara et al. arXiv:2308.10773v4 [gr-qc]. DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.10773