Amedida 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 menor dimensión; en otras palabras, un holograma.

Pero, ¿estos últimos conocimientos teóricos 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 vanguardistas, ¿qué es un producto de nuestra imaginación y qué es un producto del universo?

Los agujeros negros pueden ser evidencia

El problema comenzó con esos molestos hombres del saco del cosmos, los agujeros negros. En la superficie (y los lectores atentos 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 encerrada detrás del horizonte de sucesos, para no ser vista nunca más. Pero en la década de 1970, el famoso astrofísico Stephen Hawking se dio cuenta de que los agujeros negros no son del todo negros. Son un poco grises y tienen 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 genera una desagradable paradoja: la información entra, pero no sale, y luego el agujero negro desaparece. Entonces, ¿qué pasó con toda la información?

✅ En este contexto,informaciónes la lista de todas las propiedades de todas las partículas que cayeron en el agujero negro; en otras palabras, todo lo que necesitas para reconstruir los objetos originales que cayeron. En cambio, lo que sale de un agujero negro, debido a la radiación de Hawking, es solo un montón de partículas aleatorias. No se puede decir lo que cayó en base a la radiación que sale.

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 se relaciona vagamente con la cantidad de desorden en un sistema. Los agujeros negros tienen una propiedad sorprendente: su entropía es proporcional a su área de 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.

✅El concepto de entropía describe la tendencia de un sistema a pasar del orden al desorden, porque hay muchas más formas de que exista un estado desordenado que un estado ordenado. Por ejemplo , podrías limpiar tu habitación y solo hay una manera de que esa habitación esté limpia. Sin embargo, hay innumerables formas de que no esté limpio o se vuelva caótico, como agregar una mancha de suciedad o un calcetín suelto en una esquina. Entonces, con el tiempo, la entropía debe aumentar. Eso se aplica a cualquier sistema del universo, no solo a tu habitación.

Esto es bastante diferente a cualquier otro objeto en todo el universo, por lo que, 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 salta hacia ti? Eso es porque el holograma codifica toda la información tridimensional en una superficie bidimensional.

Un agujero negro es una región del espacio-tiempo donde la gravedad es tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar. La fuerte gravedad deforma la luz en el disco de acreción de material que rodea el agujero negro. Tanto el frente del disco como la parte detrás del agujero negro son visibles en el concepto de este artista.

Entonces, parece que hay algo gracioso en los agujeros negros, en los que su información parece estar codificada en sus superficies bidimensionales. Quizás lo mismo es cierto para todo el universo.

¿Un universo bidimensional?

Esta idea no es tan loca como parece a primera vista, porque en realidad podríamos tener un ejemplo práctico del principio holográfico en acción. Es conocido por el nombre un tanto extraño de correspondencia AdS/CFT, y fue desarrollado en 1997 por el físico Juan Maldacena.

Para entender, construyamos un tipo especial de universo con algunas propiedades extrañas. Uno, este universo tiene cinco dimensiones espaciales. Dos, está completamente vacío de materia y radiación. Tres, contiene una fuerza cosmológica persistente que lo dobla hacia adentro. Este tipo de espacio-tiempo se denomina espacio anti-de Sitter (de cinco dimensiones).

Ahora, digamos que estás tratando de 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, tenemos un conjunto de herramientas que esperamos algún día nos lleven a una. Ese conjunto de herramientas se conoce como teoría de cuerdas .

✅ Analicemos algunos conceptos más complejos.

Gravedad cuánticaes una comprensión de la gravedad aplicada a las cosas más pequeñas del universo, como las partículas subatómicas. Podemos entender el comportamiento de estas partículas usando la mecánica cuántica, pero cuando la gravedad se vuelve fuerte, como en el interior de los agujeros negros, nuestras teorías se derrumban. La gravedad cuántica es un intento de arreglar esas teorías rotas.

Campos cuánticosson entidades que empapan el universo entero. Cuando se activan parches de los campos, vemos la creación de partículas o el intercambio de fuerzas.

Teoría de campos conformeses un tipo de teoría cuántica de campos que tiene ciertas propiedades matemáticas especiales. Este tipo de teorías tienen aplicaciones limitadas en algunos experimentos de física de alta energía, pero no son muy útiles fuera de eso.

Maldacena descubrió que puedes 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 hacer esa transformación, toda la gravedad desaparece, reemplazada por un tipo especial de teoría cuántica conocida como teoría de campo conforme (que es la parte CFT de la correspondencia). A estas alturas, nos hemos vuelto extremadamente expertos en resolver problemas de teoría cuántica de campos, y tenemos una gran cantidad de herramientas bien probadas para trabajar con ese tipo de matemáticas.

Maldacena realizó el equivalente físico teórico de 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 podamos resolver (una teoría de campos conformes con teoría cuántica ) . campos).

¿Es este el origen del espacio-tiempo?

Y aquí es donde las cosas se ponen realmente salvajes. Algunos físicos han desarrollado y extendido esta idea más allá de una mera herramienta para resolver problemas de gravedad que provocan dolor de cabeza para explicar la gravedad misma . Afirman haber descubierto correspondencias donde la naturaleza cuántica de todos los campos que viven en el límite de este espacio-tiempo hacen que aparezca la relatividad general dentro de él. La relatividad general es nuestra descripción de la fuerza de gravedad, donde vemos la gravedad en términos de curvas y arrugas en el espacio y el tiempo. Entonces, en otras palabras, el principio holográfico puede estar diciéndonos que las interacciones cuánticas que viven en los bordes de nuestro universo manifiestan literalmente el espacio-tiempo dentro de él .

Si esto es correcto, 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 travesuras cuánticas exóticas de las que emerge todo lo demás.

Esta es una imagen 2D, pero proporciona un escaneo renderizado en 3D de un cerebro con un efecto de holograma.

Eso 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 solo una conjetura sobre lo que podría ser cierto en función de ciertas relaciones matemáticas observadas; nadie ha probado que la correspondencia sea verdadera. Además, incluso si lo hiciéramos, el universo descrito por 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 un borde bien definido, 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 los problemas de la vida real en el universo son, enfáticamente, teorías de campos no conformes, por lo que la utilidad de la correspondencia AdS/CFT no está garantizada (aunque se ha puesto a trabajar en algunos casos interesantes). .

E incluso a pesar de lo intrigante que parece ser la naturaleza de la información de los agujeros negros, nadie ha sido capaz de manejar con éxito el principio holográfico para describir exactamente lo que sucede con los agujeros negros reales en el universo real . Sin mencionar que toda la entropía extraña 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. Los físicos y los químicos tardaron más de un siglo en decidir finalmente que los átomos existían, por lo que es un poco injusto apresurarse a emitir un juicio sobre nuevas ideas sobre la realidad . Pero, ¿y si sus sueños más salvajes se hicieran realidad? ¿Qué pasaría si encontráramos una conexión íntima entre la física de nuestro universo tridimensional y la física en el límite?

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

Las implicaciones de la teoría holográfica son turbias, en el mejor de los casos. 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 solo 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 dictan necesariamente la realidad. Se podría argumentar fácilmente que, si el principio holográfico resulta ser útil, entonces simplemente hemos 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 rutinariamente una miríada de juegos matemáticos 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; a veces hacemos avanzar y retroceder procesos 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 integran en nuestra comprensión del universo físico. Toma la relatividad general. Antes del trabajo de Einstein, imaginamos la gravedad como una fuerza como cualquier otra, un conjunto de cuerdas 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 los entendimientos anteriores a Einstein, en virtud de que proporciona una mayor precisión y comprensión de la fuerza gravitacional. Pero se podría decir con la misma facilidad que todo es un artilugio matemático desarrollado por nuestros insignificantes cerebros humanos para ayudarnos a organizar y comprender el mundo, uno que, en última instancia, es una ficción. En realidad, el universo simplemente hace lo que hace el universo.

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

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