Paul Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe del Centro de Ciencias COSI. Sutter es también el director gerente de Ask the Spaceman y Space Radio y dirige AstroTours en todo el mundo. El científico presentó un interesante artículo en la revista Expert Voices.
A finales de la década de 1990, los físicos teóricos descubrieron una conexión notable entre dos conceptos aparentemente no relacionados en su ciencia. Esta conexión es casi incomprensiblemente técnica, pero puede tener implicaciones de gran alcance para nuestra comprensión de la gravedad e incluso del universo. Para ilustrar esta conexión, comencemos con un agujero negro.
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La influencia de un agujero negro en el flujo de información
Los investigadores encontraron que cuando un bit de información golpea un agujero negro, su área de superficie aumenta en una cantidad muy precisa: el cuadrado de la longitud de Planck, igual a un increíblemente pequeño 1,6 x 10-35 m.
Inicialmente, puede que no parezca del todo interesante que un agujero negro se agrande cuando entra materia o energía, pero lo más sorprendente es que el área de superficie, no el volumen, crece en proporción directa a la información confiable. Esto es completamente diferente a la mayoría de los otros objetos conocidos del universo.
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¿Vivimos en un espacio tridimensional?
Para la mayoría de los objetos con los que estamos familiarizados, existe una sola ley: si "consume" un bit de información, su volumen aumentará en una unidad y su superficie solo aumentará en una fracción. Pero con los agujeros negros, la situación está cambiando drásticamente. Es como si la información no residiera dentro del agujero negro, sino que se adhiriera a su superficie.
Por lo tanto, un agujero negro es un objeto completamente tridimensional en nuestro universo tridimensional y puede ser representado completamente por una superficie bidimensional.
¿Cómo funcionan los hologramas?
Un holograma es un sistema que utiliza menos dimensiones. Puede empaquetar toda la información del sistema original.
Por ejemplo, vivimos en tres dimensiones espaciales. Cuando posas frente a la cámara, registra una imagen bidimensional de tu rostro, pero no captura toda la información. Cuando luego examina su trabajo y usa el filtro, no puede, por ejemplo, ver la parte de atrás de su cabeza, no importa cómo gire la imagen. Pero la grabación del holograma conservará toda esta información. Aunque se trata de una vista 2D, aún puede explorarla desde todos los ángulos 3D.
Agujero negro como holograma
Describir un agujero negro como un holograma podría proporcionar una solución a la llamada paradoja de la información del agujero negro, el misterio de dónde nace la información cuando la materia es consumida por un agujero negro. Pero ese es un tema para otro artículo. El concepto de "agujero negro como holograma" también es un buen ejemplo a tener en cuenta cuando se trata de ver todo el universo.
Resolviendo problemas privados
La correspondencia entre ramas de la física aparentemente no relacionadas que se mencionó al principio de este artículo es otra aplicación de técnicas holográficas que proviene del increíble modelo AdS-CFT.
AdS son las siglas de Anti-De Sitter. Este modelo representa una solución particular a la teoría de la relatividad general de Einstein. Describe un universo completamente vacío con curvatura espacial negativa.
Es un universo bastante aburrido: no contiene materia ni energía, y las líneas paralelas eventualmente divergen según la posición de la geometría subyacente. Si bien este proceso puede no describir el universo, al menos sugiere que la vida en la tierra tiene un comienzo. Este modelo algo relajado del universo tiene las propiedades matemáticas necesarias para que la teoría compuesta sea relevante.
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Teoría de campo
El otro lado de la correspondencia es una estructura llamada teoría de campo conforme. La física teórica repele con sus teorías de campo. Estas son las palancas utilizadas por los científicos para crear una variedad de teorías cuánticas que se utilizan para describir tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza.
El electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil podrían describirse a través de la teoría del campo, y durante el último medio siglo, la humanidad a menudo ha practicado su uso.
Debe entenderse por qué esta conexión es tan importante. Digamos que está tratando de resolver un problema realmente difícil como la gravedad cuántica utilizando la teoría de cuerdas, que es un intento de explicar todas las fuerzas y partículas fundamentales del universo en términos de pequeñas cuerdas vibrantes. De hecho, este es un problema tan complejo que nadie ha encontrado una solución a pesar de décadas de intentarlo.
La correspondencia AdS-CFT nos dice que se pueden utilizar técnicas holográficas para librar al mundo de este dolor de cabeza.
En lugar de tratar de resolver el problema de la gravedad cuántica en nuestro universo tridimensional, AdS-CFT nos permite pasar a un problema equivalente en el borde del universo, que está representado por solo dos dimensiones y no contiene gravedad.
Ecuaciones de la teoría de campos
El cálculo matemático casi imposible de la teoría de cuerdas está siendo reemplazado por un conjunto de ecuaciones de teoría de campo simplemente increíblemente difíciles. Esto le permite encontrar soluciones a problemas sin ningún tipo de gravedad, lo que le impide transferir la solución al universo tridimensional normal y hacer predicciones. Todo parece una gran idea y una forma de engañar a la naturaleza evitando los mecanismos gravitacionales. Y esa podría resultar una forma brillante de "resolver" la gravedad cuántica.
Contradicciones existentes
Pero por el momento hay algunas contradicciones. Primero, no vivimos en un universo anti-De Sitter. Nuestro Universo está lleno de materia, radiación y energía oscura y tiene una geometría casi completamente plana.
¿Existe una correspondencia similar que funcione en nuestro universo real? Puede ser que los teóricos estén trabajando duro para encontrar el "borde" tomado para la correspondencia AdCa-CFT con el horizonte cosmológico - el límite de lo que podemos ver en nuestro Universo observable.
Todo sería comprensible, excepto el momento en que vivimos en un espacio-tiempo dinámico con un espacio en constante crecimiento, y esta frontera está en constante cambio. Esta posición no está bien explicada en las teorías modernas.
De hecho, cuando pasamos del modelo descrito por el astrofísico Sitter a un modelo de límites más simple que utiliza la teoría de campo conforme, los nuevos sistemas de ecuaciones son fundamentalmente solucionables.
Todavía existen, pero a menudo se ven fantásticos, desastrosos, aterradores e insolubles.
Entonces, ¿existe un holograma?
Incluso si el enlace AdS-CFT resultó ser útil para resolver el problema de la gravedad cuántica y los físicos pudieran encontrar una manera de resolver los problemas y hacer que este método sea relevante para el universo en el que vivimos, esto no significa que realmente vivamos en un holograma.
Es un error pensar que el modelo AdS-CFT es una forma conveniente de resolver los problemas gravitacionales de nuestro universo con la gravedad en tres dimensiones.
Todo esto es una ilusión, y realmente vivimos en un espacio bidimensional sin gravedad. Un dispositivo matemático tan conveniente como éste no cambia nuestras opiniones sobre la naturaleza fundamental de la realidad.
Si los principios holográficos son útiles para resolver problemas, esto no significa que vivamos en un holograma. E incluso si realmente viviéramos en un holograma, no podríamos notar la diferencia de todos modos.
Maya Muzashvili
