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• 15/06/2015

FÍSICA

De los agujeros negros a los sistemas cuánticos

Un estudio describe el transporte de energía entre dos sistemas cuánticos a distinta temperatura a partir de la fusión de dos agujeros negros.

Nature Physi

Sistemas cuánticos y agujeros negros: Al poner en contacto dos sistemas cuánticos a distinta temperatura (arriba), tendrá lugar un flujo de energía (amarillo) desde el sistema caliente (rojo) hacia el frío (azul). La figura inferior representa de manera esquemática la equivalencia matemática entre dicho problema (derecha) y el proceso gravitatorio dual, en el que toman parte dos agujeros negros (izquierda). [De: «Energy flow in quantum critical systems far from equilibrium», M. J. Bhaseen et al. en Nature Physics, 11, 509–514, junio de 2015.]

Uno de los resultados más célebres de la teoría de cuerdas es la «correspondencia AdS/CFT». Formulada a finales de 1997 por el físico argentino Juan Maldacena, por entonces en Harvard, dicha correspondencia establece la equivalencia matemática entre algunas teorías cuánticas de partículas (conocidas como CFT, por sus siglas en inglés) y otras que describen la interacción gravitatoria en cierta clase de espacios (espacios de anti De Sitter, o AdS). Aparte de revelar una profunda conexión entre dos fenómenos físicos fundamentales, la gran utilidad de la correspondencia de Maldacena reside en que, a menudo, cantidades que resultan prácticamente imposibles de calcular en la teoría de partículas pueden obtenerse con facilidad recurriendo a su equivalente gravitatorio, y viceversa.

En un artículo publicado en el último número de Nature Physics, Joe Bhaseen, del King's College de Londres, y otros investigadores han usado dicho principio para estudiar el transporte de energía entre dos sistemas cuánticos a distinta temperatura. Se trata de un proceso muy general y con aplicaciones en varios campos, que, sin embargo, resulta extremadamente difícil de analizar por medios directos, ya que la transferencia de calor corresponde a un proceso alejado del equilibrio.

Poco después de que Maldacena formulase su correspondencia original, se vio que el equivalente gravitatorio de un sistema de partículas cuánticas a temperatura finita era un agujero negro. En los años setenta, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros radian partículas, por lo que tienen asociada una temperatura. En el contexto de la correspondencia entre partículas cuánticas y gravedad, un sistema cuántico a temperatura finita resulta ser matemáticamente equivalente, o «dual», a un agujero negro a la misma temperatura.

Al poner en contacto un sistema cuántico caliente con otro frío, tendrá lugar un flujo de energía del primero al segundo. Para calcularlo, Bhaseen y sus colaboradores recurrieron a la versión gravitatoria del problema, consistente en la fusión de dos agujeros negros, cada uno a una temperatura. Una vez hallada la evolución del sistema gravitatorio —algo complejo per se, pero que los autores lograron simplificar gracias a las simetrías del sistema analizado—, emplearon el diccionario matemático entre gravedad y sistemas cuánticos para obtener la solución al problema original.

En su artículo, los investigadores recuerdan la generalidad del resultado y sus posibles aplicaciones. En particular, argumentan que un mejor conocimiento del transporte de energía entre sistemas cuánticos a temperatura finita permitiría entender mejor la dinámica de algunos estados exóticos de la materia o el «plasma de quarks y gluones», el estado en el que se cree que se encontraba la materia durante los primeros instantes del universo.

Más información en Nature Physics.

—IyC