A medida que profundizamos en los misterios de la física teórica y la naturaleza fundamental de la realidad, nos quedamos perplejos ante las preguntas alucinantes que surgen.
Por ejemplo, algunos físicos sugieren que nuestro universo podría no ser más que una ilusión, una especie de holograma derivado de procesos cuánticos que ocurren en un espacio de menor dimensión.
Pero, ¿realmente estos avances teóricos modernos nos brindan revelaciones sobre la verdadera naturaleza de la realidad, o son solo herramientas matemáticas que hemos inventado para desenredar problemas científicos complejos? Cuando se trata de las últimas teorías de la física que traspasan los límites, ¿cómo podemos distinguir entre lo que nace de nuestra imaginación y lo que es verdaderamente un producto del universo mismo?
Los agujeros negros pueden probar
La intriga realmente comienza cuando empezamos a hablar de esos espeluznantes espectros del cosmos, los agujeros negros. A primera vista (y apreciarás el juego de palabras más adelante), los agujeros negros parecen sencillos. El material cae y nunca vuelve a salir. Todos los datos sobre ese material se bloquean de forma segura detrás del horizonte de eventos, desapareciendo efectivamente. Sin embargo, en la década de 1970, el renombrado astrofísico Stephen Hawking nos lanzó una bola curva. Resulta que los agujeros negros no son completamente negros. Son de un tono grisáceo, incluso con ligeras fugas, y emiten una pequeña cantidad de radiación que hace que los agujeros negros se evaporen lenta pero seguramente en la nada.
Pero hay una trampa. Esta radiación no lleva ninguna información. Cuente la paradoja: la información entra, no sale, y el agujero negro eventualmente se desvanece. La pregunta candente entonces es, ¿qué sucede con toda esa información?
Entonces, cuando hablamos de información, básicamente nos referimos a los detalles completos de todas las características de las partículas que se sumergieron en el agujero negro. En otras palabras, es todo lo que necesitarías para recrear las entidades originales que se derrumbaron. Pero lo que sale de un agujero negro, cortesía de la radiación de Hawking, es simplemente un puñado aleatorio de partículas. No podías deducir lo que había caído basándote en la radiación que estaba saliendo.
Una pieza crítica del rompecabezas surgió en los años posteriores a la monumental revelación de Hawking. Un método para medir la cantidad de información es a través de la entropía, un término en termodinámica vagamente relacionado con el grado de desorden dentro de un sistema. Aquí es donde los agujeros negros nos lanzan otra bola curva: su entropía está ligada a su área de superficie, no a su volumen. Esto significa que la información dentro de un agujero negro está vinculada a su superficie bidimensional, no a su volumen tridimensional. Todo un rasguño de cabeza, ¿no?
El concepto de entropía: La entropía, en pocas palabras, explica la inclinación de un sistema a pasar de un estado de orden a uno de desorden. La razón aquí es que hay muchas más posibilidades de que un sistema esté en un estado de desorden en comparación con un estado de orden. Piense en ordenar su habitación: solo hay una manera de que la habitación se considere impecable. Sin embargo, hay un número casi infinito de formas en que la habitación se desordena o se convierte en un caos, como una sola mancha de suciedad o un calcetín solitario escondido en un rincón. Entonces, con el tiempo, la entropía aumentará. Esta regla no solo se aplica a tu habitación, sino a cualquier sistema del universo.
Ahora, esto no tiene paralelo en el universo, y despertó el interés de muchos físicos. De repente se sintieron atraídos hacia los agujeros negros, con físicos importantes como Leonard Susskind encabezando la exploración de este novedoso concepto conocido como el principio holográfico. El nombre está tomado del propio concepto de holografía. ¿Alguna vez has visto un holograma en la vida real y has sentido que la imagen se te aparece? Eso es porque el holograma empaqueta toda la información tridimensional en una superficie bidimensional.
Entonces, parece que hay algo intrigante en los agujeros negros, con su información aparentemente impresa en sus superficies bidimensionales. Tal vez la misma lógica se aplica a todo el universo.
¿Un universo bidimensional?
Es posible que este concepto no sea tan extravagante como parece inicialmente, especialmente porque es posible que ya tengamos un ejemplo funcional del principio holográfico en acción. Esto se conoce como la correspondencia AdS/CFT, una idea propuesta por el físico Juan Maldacena en 1997.
Tratemos de entender esto construyendo un tipo único de universo con algunas características peculiares. En primer lugar, este universo tiene cinco dimensiones espaciales, no solo tres. En segundo lugar, está totalmente desprovisto de materia y radiación. Y en tercer lugar, contiene una fuerza cosmológica constante que lo dobla hacia adentro. Este tipo de espacio-tiempo se denomina espacio anti-de Sitter (de cinco dimensiones).
Suponga que está tratando de resolver un problema muy complejo dentro de este universo, como el funcionamiento de gravedad cuántica. A pesar de intentar resolver la gravedad cuántica durante casi un siglo, aún no tenemos respuestas definitivas. Pero tenemos una colección de herramientas, conocida como teoría de cuerdas, que esperamos que eventualmente nos lleve a la solución.
Expliquemos ideas más complicadas.
Gravedad cuántica: La gravedad cuántica se trata de comprender la influencia de la gravedad en las entidades más pequeñas del universo, como las partículas subatómicas. Somos bastante buenos explicando los comportamientos de estas partículas utilizando la mecánica cuántica, pero aquí está el problema: cuando la gravedad se vuelve realmente fuerte, digamos, dentro de los agujeros negros, nuestras teorías se desmoronan. La gravedad cuántica es nuestro audaz intento de remendar esas teorías y darle sentido a todo.
Campos cuánticos son cosas que se pueden encontrar en todas partes del mundo. Cuando algunas partes de los campos obtienen energía, se crean partículas o se intercambian fuerzas.
Teoría del campo conforme: La teoría cuántica de campos es como este conjunto de herramientas matemáticas especiales que es muy útil en ciertos experimentos de física de alta energía, pero no es exactamente el recurso de todos en otras situaciones.
Aquí es donde Maldacena hizo un avance impresionante. Encontró una manera de transformar este problema, el rompecabezas de cómo resolver la gravedad cuántica en este peculiar universo, en un enigma completamente diferente que reside en su límite de cuatro dimensiones. Una vez que haces este cambio, toda la gravedad se evapora, dejando espacio para un tipo especial de teoría cuántica conocida como teoría de campo conforme (la ‘CFT’ en la correspondencia). Con el tiempo, nos hemos vuelto realmente buenos para resolver problemas de teoría cuántica de campos, armados con un sólido arsenal de herramientas matemáticas probadas y comprobadas.
Lo que hizo Maldacena fue pura magia en el ámbito de la física teórica: tomó un problema que nos tenía perplejos (la gravedad cuántica combinada con la teoría de cuerdas) y lo transformó en uno que podemos abordar (una teoría de campo conforme que utiliza campos cuánticos).
¿Es este el origen del espacio-tiempo?
Aquí es donde las cosas se vuelven verdaderamente alucinantes. Algunos físicos han llevado este concepto más allá de ser simplemente una herramienta de resolución de problemas difíciles de gravedad y lo están utilizando para explicar la gravedad misma. Afirman que han encontrado correlaciones donde el comportamiento cuántico de todos los campos en el límite de este espacio-tiempo desencadena la relatividad general dentro de él. La relatividad general es cómo entendemos la gravedad: la vemos como la deformación y curvatura del espacio y el tiempo. Entonces, en pocas palabras, el principio holográfico podría estar sugiriendo que las interacciones cuánticas en los bordes de nuestro universo están creando literalmente el espacio-tiempo dentro de él.
Si están en algo, lo que vemos como un universo tridimensional, repleto de todo tipo de objetos fascinantes influenciados por la gravedad, es en realidad solo una superficie bidimensional zumbando con extrañas travesuras cuánticas de las que surge todo lo demás.
Pero, ese es un fuerte ‘si’.
A pesar de años de intensa investigación en esta dirección, el principio holográfico no está exento de fallas. Para empezar, su hijo del cartel, la correspondencia AdS/CFT, es en este momento solo una suposición sobre lo que podría ser cierto, en función de ciertos vínculos matemáticos observados. Nadie ha probado que esta correspondencia sea un hecho. E incluso si se prueba, el universo descrito por esta correspondencia no se parece en nada al nuestro. Nuestro universo tiene tres dimensiones espaciales, no cinco, e incluye una dimensión de tiempo. No está vacío ni es autónomo, sino que está lleno de materia y radiación, y actualmente se está expandiendo a un ritmo acelerado. Lo más importante es que nuestro universo no tiene un límite claro, lo que pone en duda toda la base del principio holográfico.
Luego, la gran mayoría de las teorías físicas que explican los problemas del mundo real en el universo definitivamente no son teorías de campo conforme. Por lo tanto, la practicidad de la correspondencia AdS/CFT no es algo seguro (aunque ha encontrado algunas aplicaciones interesantes).
Y aunque la naturaleza de la información de los agujeros negros es cautivadora, nadie ha podido usar el principio holográfico para describir con precisión lo que sucede con los agujeros negros reales en nuestro universo real. Sin mencionar que el extraño asunto de la entropía con los agujeros negros no se aplica a otros objetos. Por ejemplo, si te introduzco información, tu entropía aumenta en proporción a tu volumen.
Sin embargo, no olvidemos que este es un campo de estudio joven. A los físicos y químicos les tomó más de cien años estar de acuerdo en que los átomos realmente existen, por lo que parece un poco duro ser apresurado al juzgar estos nuevos conocimientos sobre la realidad. Pero, ¿y si los sueños más salvajes de estos físicos se hicieran realidad? ¿Qué pasa si encontramos un vínculo profundo entre la física de nuestro universo tridimensional y la física que sucede en el límite?
¿Es nuestro universo un holograma? ¿Ilusión matemática?
Las posibles implicaciones de la teoría holográfica son, por decir lo menos, poco claras. Algunos físicos han ido con todo, afirmando que nuestra realidad es un espejismo, que nuestra percepción del espacio, el tiempo y la gravedad son solo impresiones superficiales de una realidad más profunda que existe en menos dimensiones. En resumen, dicen que nuestro universo es literalmente un holograma.
Pero el hecho de que una solución matemática se alinee con una teoría física no significa que refleje la realidad. Se podría argumentar que, si el principio holográfico demuestra ser valioso, entonces nos hemos topado con una herramienta matemática potente, quizás incluso crucial, para comprender nuestro universo. Pero eso no implica que la realidad representada por las matemáticas sea cierta.
Por ejemplo, los físicos juegan regularmente con una gran cantidad de maniobras matemáticas para resolver problemas. A veces, los problemas se proyectan en dimensiones más altas o más bajas, a veces se transforman en el reino de los números imaginarios y, a veces, manipulamos los procesos de un lado a otro en el tiempo. Entendemos estos métodos por lo que son: estrategias para resolver problemas complejos, no nuevas articulaciones de los elementos básicos de la realidad.
Por otro lado, ocasionalmente estos trucos matemáticos se integran en nuestra comprensión del universo físico. Tome la relatividad general, por ejemplo. Antes de las contribuciones de Einstein, imaginamos la gravedad como una fuerza típica: una red de cuerdas invisibles que vinculan todos los objetos con masa. Ahora, vemos la gravedad como alteraciones en el tejido del espacio-tiempo. Consideramos que la perspectiva proporcionada por la relatividad general es más “real” que las interpretaciones anteriores a Einstein, porque nos brinda una comprensión y una percepción más precisas de la gravedad. Pero también se podría argumentar que todo es una conveniencia matemática, una construcción mental creada por nuestros cerebros humanos limitados para ayudarnos a dar sentido al mundo, lo que, en última instancia, es una falacia. En el gran esquema de las cosas, el universo simplemente hace lo que hace.
Si el principio holográfico realmente nos lleva a una comprensión innovadora de nuestro universo, en última instancia, será nuestro llamado a decidir si nuestra comprensión actual de la realidad es una ilusión, o si son los físicos los que deben arremangarse y volver al trabajo. .
