A medida que la física teórica profundiza en la naturaleza fundamental de la realidad, nos queda lidiar con las preguntas que nos deja. Por ejemplo, algunos físicos afirman que nuestro universo es simplemente una ilusión, un producto de maquinaciones cuánticas que ocurren en un entorno de dimensiones inferiores; en otras palabras, un holograma.

Pero, ¿estas últimas ideas teóricas ofrecen revelaciones sobre la realidad misma o simplemente sirven como herramientas matemáticas para ayudarnos a resolver problemas espinosos? Cuando se trata de las teorías físicas más innovadoras, ¿qué es producto de nuestra imaginación y qué es producto del universo?

Los agujeros negros pueden ser evidencia

Agujero negro. Crédito de imagen: depositphotos.com

El problema comenzó con esos molestos hombres del saco del cosmos, los agujeros negros. Superficialmente (y los lectores cuidadosos se verán recompensados ​​más adelante al darse cuenta de que se trata de un juego de palabras), los agujeros negros son simples; las cosas caen y nunca salen. Toda la información sobre esas cosas queda guardada detrás del horizonte de eventos y nunca más se vuelve a ver. Pero en la década de 1970, el famoso astrofísico Stephen Hawking se dio cuenta de que los agujeros negros no son completamente negros. Son un poco grises y con algunas fugas, y emiten una pequeña cantidad de radiación, lo que hace que los agujeros negros se evaporen lenta, pero inevitablemente, de la existencia por completo.

Sin embargo, esa radiación no lleva información consigo, lo que plantea una desagradable paradoja: la información entra, pero no sale, y luego el agujero negro desaparece. Entonces, ¿qué pasó con toda la información?

Una pista importante llegó en las décadas que siguieron al extraordinario descubrimiento de Hawking. Una forma de medir la cantidad de información es a través de la entropía, un concepto termodinámico que está vagamente relacionado con la cantidad de desorden en un sistema. Los agujeros negros tienen una propiedad sorprendente: su entropía es proporcional a su superficie, no a su volumen. En otras palabras, la cantidad de información en un agujero negro está relacionada con su superficie bidimensional, no con su volumen tridimensional.

Esto es muy diferente a cualquier otro objeto en el universo entero y, naturalmente, muchos físicos de repente se interesaron mucho en los agujeros negros, con físicos de primer nivel como Leonard Susskind liderando la carga hacia esta nueva tierra del principio holográfico. El nombre proviene de la propia holografía. ¿Alguna vez has visto un holograma en la vida real y parece que la imagen te salta a la vista? Esto se debe a que el holograma codifica toda la información tridimensional en una superficie bidimensional.

Entonces, parece haber algo curioso en los agujeros negros, donde su información parece estar codificada en sus superficies bidimensionales. Quizás lo mismo sea cierto para todo el universo.

¿Un universo bidimensional?

Esta idea no es tan descabellada como parece a primera vista, porque en realidad podríamos tener un ejemplo práctico del principio holográfico en acción. Se le conoce con el nombre bastante extraño de la correspondencia AdS/CFT y fue desarrollado en 1997 por el físico Juan Maldacena.

Para entenderlo, construyamos un tipo especial de universo con algunas propiedades extrañas. Primero, este universo tiene cinco dimensiones espaciales. Segundo, está completamente vacío de materia y radiación. En tercer lugar, contiene una fuerza cosmológica persistente que lo inclina hacia adentro. Este tipo de espacio-tiempo se llama espacio anti-de Sitter (de cinco dimensiones).

Ahora, digamos que estás intentando resolver un problema muy complicado dentro de ese universo, como cómo funciona la gravedad cuántica. Hemos estado tratando de resolver la gravedad cuántica durante casi un siglo y, aunque todavía no tenemos ninguna respuesta, sí tenemos un conjunto de herramientas que esperamos que algún día nos lleven a una. Ese conjunto de herramientas se conoce como teoría de cuerdas.

Maldacena descubrió que se puede transformar este problema (el problema de cómo resolver la gravedad cuántica en este extraño universo) en un problema completamente diferente que vive en su límite de cuatro dimensiones. Después de realizar esa transformación, toda la gravedad desaparece y es reemplazada por un tipo especial de teoría cuántica conocida como teoría conforme de campos (que es la parte CFT de la correspondencia). A estas alturas, nos hemos vuelto extremadamente expertos en la resolución de problemas de la teoría cuántica de campos, y tenemos una gran cantidad de herramientas bien probadas para trabajar con ese tipo de matemáticas.

Maldacena realizó el equivalente en física teórica a un truco de magia: fue capaz de tomar un problema que no sabemos cómo resolver (gravedad cuántica con teoría de cuerdas) y transformarlo en uno que sí podemos resolver (una teoría conforme de campos con campos cuánticos).

¿Es este el origen del espacio-tiempo?

Y aquí es donde las cosas se vuelven realmente locas. Algunos físicos han desarrollado y ampliado esta idea desde una mera herramienta para resolver problemas de gravedad que provocan dolores de cabeza hasta explicar la gravedad misma. Afirman haber descubierto correspondencias en las que la naturaleza cuántica de todos los campos que viven en los límites de este espacio-tiempo hacen que aparezca la relatividad general en su interior. La relatividad general es nuestra descripción de la fuerza de gravedad, donde vemos la gravedad en términos de curvaturas y arrugas en el espacio y el tiempo. En otras palabras, el principio holográfico puede estar diciéndonos que las interacciones cuánticas que viven en los límites de nuestro universo literalmente manifiestan el espacio-tiempo dentro de él.

Si esto es correcto, entonces lo que percibimos como un universo tridimensional, lleno de objetos interesantes y divertidos que interactúan a través de la gravedad, es en realidad una superficie bidimensional llena de exóticas travesuras cuánticas de las que emerge todo lo demás.

Ese es un gran si.

A pesar de décadas de trabajo en este sentido, el principio holográfico tiene algunas deficiencias. Por un lado, su favorito teórico, la correspondencia AdS/CFT, es en esta etapa sólo una conjetura sobre lo que podría ser cierto en base a ciertas relaciones matemáticas observadas. En realidad, nadie ha demostrado que la correspondencia sea cierta. Además, incluso si lo hiciéramos, el universo descrito en la correspondencia no se parece en nada al que vivimos. Nuestro universo tiene tres dimensiones espaciales, no cinco, y tiene una dimensión temporal. No está vacío, ni se cierra sobre sí mismo, sino que está lleno de materia y radiación, y actualmente se encuentra en una fase de expansión acelerada. Lo más crítico es que nuestro universo no tiene una frontera bien definida, por lo que toda la razón de ser del principio holográfico está muerta en el agua.

En segundo lugar, la gran mayoría de las teorías físicas que se aplican a problemas de la vida real en el universo son enfáticamente no teorías de campo conformes, por lo que la utilidad de la correspondencia AdS/CFT no está garantizada (aunque se ha puesto en práctica en algunos casos interesantes).

E incluso por más intrigante que parezca la naturaleza de la información de los agujeros negros, nadie ha podido utilizar con éxito el principio holográfico para describir exactamente lo que les sucede a los agujeros negros reales en el universo real. Sin mencionar que todo ese extraño asunto de la entropía acerca de los agujeros negros no se aplica a otros objetos: si te introduzco información, por ejemplo, la entropía aumenta proporcionalmente a tu volumen.

Pero bueno, es un campo joven. A los físicos y químicos les tomó más de un siglo decidir finalmente que los átomos existían, por lo que es un poco injusto apresurarse a emitir juicios sobre nuevas ideas sobre la realidad. Pero ¿y si sus sueños más locos se hicieran realidad? ¿Qué pasaría si encontráramos una conexión íntima entre la física de nuestro universo tridimensional y la física en el límite?

¿Universo holograma? Crédito de imagen: depositphotos.com

Entonces, ¿es nuestro universo un holograma? ¿O una ilusión matemática?

Las implicaciones de la teoría holográfica son, en el mejor de los casos, turbias. Algunos físicos ya han llegado hasta el final, afirmando que nuestra realidad es una ilusión, que lo que percibimos como espacio, tiempo y gravedad son sólo manifestaciones de una realidad más profunda que existe en menos dimensiones; que nuestro universo es, literalmente, un holograma.

Pero las soluciones matemáticas a las teorías físicas no necesariamente dictan la realidad. Se podría argumentar con la misma facilidad que, si el principio holográfico resulta útil, entonces simplemente habremos descubierto una herramienta matemática poderosa (e incluso vital) para comprender nuestro universo. Pero eso no significa que lo que nos dicen las matemáticas sea real.

Por ejemplo, los físicos emplean habitualmente una gran variedad de juegos matemáticos para resolver problemas. A veces los problemas se sitúan en dimensiones superiores o inferiores; a veces se transforman en el reino de los números imaginarios; a veces movemos procesos hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Reconocemos estas herramientas por lo que son: métodos para resolver problemas desafiantes, no nuevas formulaciones de los constituyentes fundamentales de la realidad.

Por otro lado, a veces los trucos matemáticos se elevan y se incorporan a nuestra comprensión del universo físico. Tomemos como ejemplo la relatividad general. Antes del trabajo de Einstein, concebimos la gravedad como una fuerza como cualquier otra, un conjunto de hilos invisibles que conectan cada objeto con masa. Pero ahora vemos la gravedad como deformaciones en el tejido del espacio-tiempo. Consideramos que la visión proporcionada por la relatividad general es más “real” que las comprensiones anteriores a Einstein, en virtud de que proporciona mayor precisión y comprensión de la fuerza gravitacional. Pero se podría decir con la misma facilidad que todo es un invento matemático desarrollado por nuestros insignificantes cerebros humanos para ayudarnos a organizar y comprender el mundo, algo que en última instancia es una ficción. En realidad, el universo simplemente hace lo que hace.

Si el principio holográfico realmente conduce a una concepción nueva y revolucionaria de nuestro universo, en última instancia dependerá de nosotros decidir si nuestra realidad tal como la entendemos es una ilusión o si los físicos necesitan volver a trabajar.

Fuente: phys.org

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