¿Es nuestro universo un holograma?

PRIMERA PARTE.

Un estudio llevado a cabo por científicos japoneses publicado este mes en la revista Nature, verificaba mediante el uso de modelos de simulación computarizada la existencia de una especie de realidad holográfica, esto ha hecho que nos acordemos de la interesante propuesta contenida en una “remasterización” de la famosa teoría de las cuerdas propuesta en 1990 por Juan Martín Maldacena, físico y profesor en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en donde se desarrolla la idea de que el universo en el que habitamos, incluidos nosotros mismos, seamos sólo una ilusión, un holograma producto de una realidad en la que sólo existen dos dimensiones.

Esta propuesta no es fácil de asimilar y mucho menos de exponer en términos dialécticos, pero por más absurda que parezca vale la pena hacer el esfuerzo por conocerla porque tiene un fundamento matemático muy fuerte, (las matemáticas son las herramientas básicas con las que contamos a la hora de intentar describir cómo es que funciona el Universo, desde lo más diminuto hasta lo más grande); pero para comprender los aspectos más básicos en los que se basa esta teoría, es necesario tener presente algunos puntos.

 El gran misterio de la física

Mientras que la teoría general de la relatividad describe lo que sucede con los planetas, las galaxias, etc; la mecánica cuántica intenta explicar lo que sucede a nivel subatómico, el reino de las partículas fundamentales de las que está compuesta la materia.

Con ambas teorías se puede explicar casi todo lo que sucede a nuestro alrededor, pero hay un problema, ambas teorías son incompatibles, pareciera que se rigen por reglas diferentes; mientras que a nivel macro la gravedad es importantísima, a nivel cuántico, donde casi no hay masa, la gravedad resulta insignificante, lo que mantiene unidas a las partículas que forman los átomos no es la fuerza de gravedad, sino una especie de partículas que sirven de mensajeras o portadoras de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, los bosones gauge, una partícula ejerce fuerza sobre la otra al enviar unos cuantos de estos bosones gauge.

En la naturaleza existen cuatro fuerzas  fundamentales cada una con su correspondiente bosón:

Experimentalmente ha sido posible la observación de las partículas portadoras de tres de estas fuerzas fundamentales, pero hasta la fecha no se ha podido comprobar la existencia del gravitón, y lo que es más confuso, todos los intentos por describir al gravitón en términos matemáticos acordes a la teoría de los campos, han arrojado resultados erróneos.

La teoría del campo cuántico, describe a las partículas como estados excitados de un campo físico subyacente, de forma muy simplificada, en física se denomina campo a una distribución espacial con una magnitud o energía diferente del resto del espacio en donde de encuentra, esto significa que el espacio vacío no está tan vacío sino que está impregnado por una especie de energía, y que las partículas son una cualidad asociada a un campo, ahí donde se concentra la mayor parte de energía, aparece la partícula relacionada a ese campo.  A esto también se le conoce como “cuantización”.    Por ejemplo: el fotón es el quantum del campo electromagnético.

Así, la tan buscada teoría del campo unificado capaz de unir las 4 fuerzas fundamentales en términos de un solo campo, continúa esquivando a los físicos; pero ellos no se dan por vencidos tan fácilmente y para resolver el problema han optado por darle otro enfoque,  es aquí donde entra  la Teoría de  Cuerdas.

En búsqueda de una teoría del todo.

Partiendo de la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y a la teoría de la relatividad general, los físicos, incluyendo a Einstein, han intentado buscar una base matemática unificada, una teoría que pueda unir ambos mundos, se han formulado muchas, pero hasta el momento no se han obtenido resultados definitivos en ninguna de ellas.  Sin embargo existe una teoría matemática que ha captado la atención científica por su particular elegancia, la Teoría de Cuerdas (String Theory), que es en realidad una colección de varias teorías, y cuya idea principal consiste en describir a las partículas fundamentales como pequeñas cuerdas vibrantes.

Si dividimos una cosa, la que sea, hasta el punto donde no es posible dividirla más, nos encontraremos con una partícula fundamental, (aquella que ya no admite más divisiones), pero según el modelo estándar de la física existen ¡17 partículas fundamentales diferentes!, (18 si contamos al elusivo gravitón).

 Todo lo que existe está compuesto por estas partículas, no todas están en todos los elementos pero todas están presentes en todo cuanto existe en el universo. ¿Parecen muchas verdad? Lo lógico sería  que existiera sólo una partícula fundamental común, pero dado que no es así, los físicos han propuesto que lo que se encuentra en lo más profundo de cada partícula fundamental es una especie de cuerdas, que al igual que las cuerdas de una guitarra en donde una sola cuerda puede emitir varios sonidos diferentes, estas súper cuerdas emiten varios tipos de vibraciones, y con cada tipo de vibración aparece una partícula fundamental diferente. Así un electrón es en realidad una cuerda en forma de lazo y sin dimensiones, que se extiende en un universo de más de 4 dimensiones, que al vibrar de cierta manera haría que viéramos a un electrón, pero al oscilar de otra manera nos haría ver a un fotón o a un quark o a cualquier otra partícula fundamental.

Entre las objeciones que se le han hecho a esta teoría esta el que es incapaz de dar una descripción completa del mundo, (aún quedan cualidades físicas que no puede explicar), y el que no existe una forma de poder verificar experimentalmente lo que expone.  Sin embargo es una versión de esta teoría planteada por el profesor Maldacena, la que nos da la clave para resolver el enigma de la gravedad cuántica, al describir a la gravedad como una ilusión producto de un holograma cuántico.

Aunque es cierto que el conflicto entre la mecánica cuántica y la relatividad general no supone un problema constante para  la física, ya que  la mayoría de las veces los físicos,  o se centran a investigar el mundo de  las partículas, donde la gravedad casi no es importante,  o bien se dedican a estudiar el cosmos, donde los efectos cuánticos no entran en juego; existe un sitio donde el desacuerdo entre ambas teorías se hace tangible, los agujeros negros.

Los agujeros negros están formados por grandes cantidades de masa concentrada en una diminuta región del espacio, y como resultado de ello la fuerza gravitatoria que producen es tan fuerte que nada puede escapar a ella, ni siquiera la luz.  Si la Tierra se compactara sobre sí misma para formar un agujero negro, ¡se encogería hasta medir sólo 3 centímetros!.  Así las cosas, resulta imposible ignorar a la gravedad al estudiar los agujeros negros, y la extrema concentración de su materia hace que los efectos cuánticos deban ser tomados en cuenta también; por lo que para describir lo que sucede dentro de un agujero negro, los científicos necesitan una teoría unificadora, una teoría que con un solo juego de fórmulas matemáticas sirva para describir lo que sucede tanto a nivel cuántico como a  nivel cósmico.

Agujeros negros y hologramas

La particularidad de los agujeros negros, fue lo que hizo surgir la idea de lo que se conoce como principio holográfico.

Los agujeros negros están rodeados por un área enorme de dos dimensiones que aumenta en proporción a lo que caiga dentro de él y cuyo límite es denominado horizonte de sucesos.  Este horizonte representa un punto de no retorno, si usted cruzara esa frontera, aunque no perciba nada de inmediato, estaría condenado irremediablemente a caer dentro del agujero negro que hay en el centro.  La paradoja está en que a pesar de que los agujeros negros absorben todo lo que cruce su horizonte de sucesos, sean planetas o estrellas (existen agujeros negros súpermasivos, miles de millones de veces más grandes que nuestro Sol, y hay uno en el centro de nuestra galaxia y posiblemente dentro de cada galaxia…), desde afuera pueden ser descritos al determinar su masa, carga eléctrica y energía de rotación.

Para intentar entender  lo que sucede dentro de estos sistemas tan extremos, lo mejor será que seamos aventureros e imaginemos que nos adentramos en los confines de uno de estos pozos negros.   Nosotros estamos compuestos por una gran cantidad de información, color de cabello, estatura, rasgos físicos, millones y millones de células, de moléculas, millares y millares de formas en las que se combina nuestro ADN, e incluso nuestras ideas, todo lo que nos describe, todo esto sería absorbido por el agujero negro, junto con todo lo demás que pueda atrapar, y que una vez dentro es imposible que vuelva a salir. Todo esto nos hace suponer que un agujero negro es un sistema muy complejo que para ser descrito se necesitarían  cantidades casi infinitas de información, pero resulta que no es así, según la física clásica usted podría describir un agujero negro con sólo tres unidades de información: su masa, su carga eléctrica y su velocidad de rotación.  Así que una vez que estamos dentro de un agujero negro todo lo que somos se reduciría a  tres simples números.  ¡Caer en un agujero negro sí que  nos simplificaría la vida!   ; )

Pero es precisamente esta “simplicidad” lo que confundía a los físicos porque contradice una de sus leyes fundamentales, la segunda ley de la termodinámica.

La termodinámica es la disciplina que estudia como fluye la energía o el calor en un sistema, y según esta ley las cosas nunca se simplifican, siempre tienden a ir del orden al caos.  Y la entropía es la medida del “desorden” existente en un sistema.

Centrémonos un momento en la entropía.  Podemos definir a la entropía como la distribución de la energía o información en el espacio.  Como energía: porque recordando a Einstein y el principio de conservación, tenemos que la energía y la materia son dos manifestaciones de un mismo fenómeno, por ejemplo al quemar un trozo de leña este se transforma en cenizas, luz y calor que se dispersan en el ambiente, así tenemos que el trozo de leña no desaparece sólo se transforma.  La entropía también puede ser considerada como información: porque para describir un trozo de leña a se necesita conocer los elementos que lo componen como la celulosa, la configuración de las moléculas para formar esos elementos como la glucosa, etc. Y al quemar la leña toda esa información se conserva pero de forma dispersa en ambiente, en forma de dióxido de carbono, vapor de agua, etc.

Recapitulando, tenemos que la materia puede ser considerada como energía o como información, y la entropía viene a ser la medida de la distribución de la energía o información en el espacio, y que una vez que la energía se ha dispersado en el ambiente es prácticamente imposible volverla a concentrar en un solo punto. Piense en el calor y en cómo es prácticamente imposible recoger el calor producido al quemar el trozo de leña y volverlo a concentrar para formar el trozo de leña de donde salió. Por eso se dice que la entropía es algo que siempre va en aumento.

Como habrá notado, la entropía está en estrecha relación con el espacio, las moléculas que componen la materia se organizan en las tres dimensiones del espacio que ocupa el sistema (en este caso, trozo de leña), por lo que es proporcional a su volumen.

Todo esto supera la forma en como nuestro raciocinio dialéctico percibe el universo, pero matemáticamente tiene su lógica.  De momento tratemos de asimilar estos datos,  próximamente continuaremos desarrollando la idea del principio holográfico y los agujeros negros.  Mientras tanto les dejo con esta inquietud.  Puede que la realidad sea muy diferente de lo que creemos.  Continuará…