¿Qué hay dentro de un agujero negro? Científicos hallan la respuesta

Un equipo de científicos liderado 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 en el interior de estos enigmáticos objetos, revelando detalles sin precedentes sobre su estructura interna.

Este avance, que fue reportado 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 potencial teoría de gravedad cuántica.

El estudio dirigido por Rinaldi se apoya en la teoría holográfica, un concepto revolucionario en física que sugiere que las leyes de la física de partículas y de la gravedad son equivalentes, aunque operen en dimensiones diferentes. Esta teoría propone que la información de un objeto tridimensional, como un agujero negro, podría ser representada 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 son calculados con potentes tecnologías como la computación cuántica y 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 incluso la luz no 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 al infinito. Este fenómeno desafía las leyes de la física conocidas, y es precisamente en estos puntos donde los científicos creen que podrían encontrarse pistas sobre la unificación entre la gravedad y la mecánica cuántica.

Alrededor de esta singularidad, se encuentra el horizonte de sucesos, una frontera invisible donde cualquier cosa que la atraviese es absorbida irremediablemente. Además, los agujeros negros están rodeados por la esfera de fotones, una región donde la luz orbita el 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 matriciales cuánticos, una herramienta clave para simular cómo podrían estar dispuestas las partículas dentro de estos objetos. Los modelos matriciales permiten a los científicos construir representaciones del estado de energía más bajo de un sistema, llamado estado fundamental. Estas simulaciones demandan una gran capacidad de cálculo y la optimización de circuitos cuánticos, necesarios para estabilizar todos los elementos del modelo hasta lograr una configuración estable que podría 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 el campo.

La computación cuántica es fundamental en la investigación de los agujeros negros porque 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 cual agiliza enormemente el cálculo.

Para estudiar los agujeros negros, Rinaldi y su equipo usaron 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 más complejas y menos comprendidas de la ciencia.

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 en la ciencia moderna, pero describen el universo desde perspectivas incompatibles entre sí. 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 en el ámbito microscópico.

Si los científicos logran combinar estas dos teorías en un marco coherente, podrían comprender cómo funciona la gravedad en el nivel cuántico, lo que revolucionaría el entendimiento del universo. Los modelos obtenidos por el equipo de Rinaldi brindan un primer paso tangible en esta dirección, proporcionando detalles de cómo la gravedad podría comportarse en el contexto del espacio-tiempo cuántico.

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