Cuando comprender los agujeros negros conlleva condiciones
¿Qué tienen en común los agujeros negros y la teoría de cuerdas? Resulta que bastante. Para empezar, ambos son bastante caóticos. «En la teoría de cuerdas, una bola masiva de cuerdas enredadas puede presentar una estructura muy complicada con un gran número de estados mecánicos cuánticos, una característica que tiene muchas similitudes tentadoras con los agujeros negros, que se consideran los sistemas más caóticos de la naturaleza», afirma Vasilis Niarchos, físico de la Universidad de Creta(se abrirá en una nueva ventana). En este contexto, la teoría de cuerdas presenta una vía prometedora para desentrañar uno de los enigmas clave de la física teórica moderna, concretamente, el origen cuántico mecánico y microscópico de la entropía correspondiente de los agujeros negros en la gravedad cuántica. Según Niarchos, como los estados de cuerdas muy excitados son estados cuánticos complicados con alta entropía en una teoría cuántica de la gravedad, son un lugar natural para estas preguntas. «Es muy interesante estudiar cómo interactúan los estados de cuerdas altamente excitados, cómo absorben y emiten radiación, cómo su complejidad afecta a su dinámica y, por lo general, hasta qué punto se comportan como agujeros negros», explica. Con el apoyo del proyecto BlackHoleChaos, financiado con fondos europeos, Niarchos junto con Maurizio Firrotta, beneficiario de una beca de las acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), se sumergieron en el caos de las interacciones de las cuerdas.
Conectar cuerdas a la física de los agujeros negros
Con el objetivo de conectar las cuerdas con la física de los agujeros negros, el proyecto centró su atención en los procesos de dispersión. Durante esos procesos, los estados de las cuerdas altamente excitadas se dispersan entre sí mientras emiten o absorben radiación gravitacional o electromagnética. «Aplicamos y desarrollamos un conjunto de herramientas matemáticas que nos permitieron estudiar explícitamente la dispersión de estados de cuerdas altamente excitados en la teoría de cuerdas de interacción débil», señala Niarchos. «Se trata de procesos matemáticamente muy complejos que, hasta hace poco, estaban prácticamente fuera de nuestro alcance». El proyecto también introdujo nuevos diagnósticos basados en la dispersión para las interacciones de cuerdas que pueden cuantificar la complejidad de la dinámica subyacente.
Nuevos conocimientos sobre la actividad de los agujeros negros
A partir de esta labor, los investigadores no solo obtuvieron expresiones matemáticas compactas para amplitudes complicadas de estados de cuerdas altamente excitadas, sino que también propusieron medidas específicas del caos en las amplitudes de dispersión de cuerdas. Además, el proyecto desarrolló un nuevo cálculo de probabilidades de absorción y tasas de emisión de estados de cuerdas altamente excitadas. El cálculo reveló cómo surge una noción emergente de temperatura a partir de microestados de cuerdas cuánticas, así como un patrón aproximado de emisión de cuerpo negro que se asemeja al de la física de los agujeros negros. «Estos resultados serán útiles en futuros intentos por avanzar en nuestra comprensión conceptual de la microfísica de los agujeros negros y la dinámica compleja o caótica en el contexto de la gravedad cuántica», comenta Niarchos. «Esperamos que también inspiren aplicaciones interdisciplinarias en otras áreas de la física en que las técnicas de dispersión resultan útiles, como el análisis de ondas gravitacionales en astrofísica».
Explorar otros paralelismos en la física de los agujeros negros
Aunque el proyecto ha logrado resultados concretos sobre el complicado comportamiento estadístico de los estados de cuerdas altamente excitados, aún queda mucho trabajo por hacer. «Nos gustaría utilizar los resultados y las técnicas que hemos desarrollado para comprender mejor cómo interactúan los objetos complejos de gran masa en la teoría de cuerdas y qué otros paralelismos existen con la física de los agujeros negros, así como para desarrollar un nuevo puente hacia la fenomenología de las ondas gravitacionales», concluye Niarchos.