Al estudiar un sistema complejo, los científicos identifican piezas más pequeñas llamadas subsistemas a las que pueden dar sentido. Al estudiar los subsistemas y las correlaciones entre ellos, reconstruyen una comprensión del todo.

Este enfoque se ha utilizado con gran éxito para explicar fenómenos y desarrollar aplicaciones basadas en la mecánica cuántica, la física de la materia y la energía a la escala del átomo o más pequeña. Pero describe en gran medida sistemas que operan en un mundo donde el tiempo es absoluto.

Se queda corto al describir escenarios que consideran la teoría de la relatividad general de Einstein, donde el tiempo es relativo y está estrechamente entrelazado con el espacio en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

Ahora, un estudio teórico en coautoría de Alexander Smith, profesor asistente adjunto de física, y Shadi Ali Ahmad '22, propone un nuevo marco para identificar subsistemas y correlaciones de una manera que es compatible con la relatividad general.

Su trabajo puede aplicarse en la construcción de una descripción cuántica del espacio-tiempo, dice Smith. Los físicos teóricos se han esforzado durante mucho tiempo por combinar la mecánica cuántica y la relatividad general en la teoría unificada de la gravedad cuántica. Los intentos de reconciliar finalmente estas teorías fundamentalmente diferentes que describen el universo han progresado en las últimas dos décadas.

El nuevo marco, publicado en abril en Physical Review Letters journal, se basa en trabajos previos sobre subsistemas de la profesora de física de la familia James Frank, Lorenza Viola, y sus colaboradores.

"La mecánica cuántica permite correlaciones que no son consistentes con nuestra comprensión clásica del mundo", dice Smith. Viola y sus colaboradores nos dieron una nueva forma de pensar sobre estas peculiares correlaciones cuánticas, dice. En su marco, en lugar de tener partes de construcción compuestas que se unen en un sistema más grande, los subsistemas surgen del sistema complejo en función de los tipos de mediciones que se pueden realizar.

Smith, Ahmad y sus colaboradores aplican esta idea para construir un marco para identificar subsistemas, lo cual es consistente con la teoría de la relatividad, y descubren que la noción de subsistema ya no es objetiva.

"La forma en que dividimos un sistema también es relativa. Depende de quién lo mire", dice Smith. Si bien su método actualmente se aplica a sistemas simples, los autores están trabajando para generalizar el marco.

Varios conceptos teóricos que están impulsando la comprensión emergente de la gravedad cuántica tienen su origen en la teoría de la información cuántica, un campo relativamente nuevo que estudia cómo se puede analizar y manipular la información en un sistema cuántico. "La ciencia de la información cuántica nos ha dado esta nueva forma de pensar sobre la mecánica cuántica en sí misma", dice Smith.

Trabajando con Smith y otros investigadores, Ahmad, que es de Beirut, Líbano, y se especializó en física y matemáticas, ha utilizado la teoría de la información cuántica para estudiar una serie de problemas teóricos diferentes.

En un trabajo anterior, publicado en Physical Review D , fueron los primeros en examinar cómo las ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio-tiempo causadas cuando los objetos astronómicos masivos se aceleran a niveles extremos) afectan el enredo entre sistemas.

Otro proyecto, publicado en Physical Review A , aborda la cuestión de cómo el trabajo, la medida de cuánta energía se transfiere cuando una fuerza actúa sobre un objeto, se puede definir en la escala cuántica.

Smith dice que Ahmad es uno de los estudiantes más motivados por aprender, trabajador y productivo que ha conocido. "Ver a Shadi desarrollar su habilidad en física teórica durante los últimos cuatro años ha sido muy gratificante", dice.

Ahmad ganó el premio Gazzaniga Family Science Award 2022, que reconoce los logros científicos de un estudiante de último año que se gradúa en ciencias. También ha recibido el Premio de la Cátedra de Física y Astronomía.

"La teoría de la información cuántica es una caja de herramientas que me gusta tomar prestada y usar ampliamente", dice Ahmad. La promesa de acceso a oportunidades de investigación y financiamiento de pregrado fue lo que lo atrajo a Dartmouth, dice. Ahora, como becario de investigación en Dartmouth, Ahmad está finalizando proyectos en curso mientras se prepara para postularse a programas de posgrado.

Con las clases como trampolín, buscó mentores de investigación en los departamentos de física y matemáticas, colaborando con ellos en una amplia gama de temas de investigación.

"Hablar de ciencia con la gente moldea tu forma de pensar", dice Ahmad, quien ya tiene tres publicaciones en su haber. "Creo que realmente agudiza tu interés". + Explora más

Explicando la gravedad sin la teoría de cuerdas