Hologramas, agujeros negros, y la naturaleza del Universo

¿Cree que sabe lo que son los hologramas? Piense otra vez.  hasta hace poco tiempo limitados ocasionalmente a las tarjetas de crédito, tarjetas postales, y portada de la revista, los hologramas se están tomando en consideración en entornos cósmicos dando lugar a una nueva hipótesis llamada el principio holográfico.

El principio holográfico, simplemente, es la idea de que nuestra realidad tridimensional es una proyección de la información almacenada en una lejana superficie de dos dimensiones. Al igual que el emblema que aparece en su tarjeta de crédito, la superficie de dos dimensiones contiene toda la información que se necesita para describir un objeto tridimensional, en este caso, nuestro universo. Sólo cuando se ilumina  nos revela una imagen tridimensional.

Esto plantea una serie de preguntas: Si nuestro universo es una proyección holográfica, entonces ¿dónde está la superficie bidimensional que contiene toda la información que describe? Qué  “ilumina”  la superficie? ¿Es más o menos real  nuestro universo? ¿Y qué podría motivar a los físicos a creer en algo tan extraño? La respuesta a la pregunta final tiene que ver con los agujeros negros, que resultan ser los dispositivos  finales de almacenamiento de información del universo. Pero para entender por qué, vamos a tener que hacer un viaje hasta el mismo borde de un agujero negro.

No importa que agujero negro elijamos, ya que todos se comportan esencialmente la misma forma. Sólo unas pocas cualidades los distinguen: masa, carga eléctrica, y momento angular. Una vez que un observador sabe  estas tres magnitudes acerca de un agujero negro, sabe todo lo que puede ser conocido. Si el agujero negro contiene los restos de un millar de estrellas muertas, o todos los calcetines perdidos de cada lavandería de la galaxia, si se trata de mil millones de años de edad o nació ayer, toda esta información se pierde y es de difícil acceso en un agujero negro. No importa lo que está dentro de un agujero negro o cómo esas entrañas están dispuestas, en cada agujero negro se “ve” exactamente lo mismo.

Esta extraña cualidad de los agujeros negros da algo que los físicos llaman entropía máxima. La entropía se describe el número de maneras diferentes en que se pueden reorganizar los componentes de  “un sistema” y que todavía  parezca esencialmente el mismo. Las páginas de una novela, como Brian Greene señala, tienen una entropía muy baja, porque tan pronto como una página está fuera de lugar, se tiene un libro diferente. El alfabeto tiene una baja entropía. Un cubo de arena, por otro lado, tiene alta entropía. Cambiar un grano por otro grano, nadie notaría la diferencia. Los agujeros negros,  parecen iguales, no importa lo que se ponga en ellos o cómo se mueven, tienen la más alta entropía de todo.

La entropía es también una medida de la cantidad de información que se necesitaría para describir un sistema completamente. La entropía de los objetos comunes de la gente, baldes de arena, recipientes de gas, es proporcional a su volumen. Duplicar el volumen de un globo de helio, por ejemplo, su entropía aumentará por un factor de ocho. Pero en la década de 1970, Stephen Hawking y Bekenstein Jacob descubrieron que la entropía de un agujero negro obedece a una regla de escala diferente. Es proporcional, no al volumen tridimensional del agujero negro, sino a su superficie bidimensional, definido aquí como el área de la frontera invisible llamado el horizonte de eventos. Por lo tanto, mientras que la entropía real de un objeto ordinario -digamos, una hamburguesa- escala con su volumen, la entropía máxima que teóricamente podría estar contenida en el espacio ocupado por la hamburguesa no depende del volumen de la hamburguesa, sino del tamaño del área de su superficie. La física impide que la entropía de la hamburguesa sea  superior a la máxima: si se trata de alguna manera de aumentar la entropía en la hamburguesa que había llegado a ese límite, la hamburguesa se vendría abajo en un agujero negro.

La conclusión ineludible es que toda la información que se necesita para describir un objeto tridimensional -un agujero negro, una hamburguesa, o de todo un universo- se puede expresar en dos dimensiones. Esto sugiere a los físicos que la profunda descripción de nuestro universo y sus partes, la teoría fundamental de la física debe ser reducida a dos dimensiones espaciales, no tres. Lo que nos lleva de nuevo al holograma.

Los teóricos se sintieron intrigados por la idea de que un conjunto paralelo de leyes físicas, que operan en un menor número de dimensiones, podría ser capaz de describir completamente nuestro universo. Sin embargo, sondeando la idea matemática de nuestro propio universo era demasiado desalentador, por lo que los físicos empezaron con un universo “juguete”  que es mucho más simple que el universo en que vivimos: un universo con cuatro dimensiones espaciales más el tiempo, curvado en forma de una silla de montar. En 1997, el físico teórico Juan Maldacena mostró que la descripción matemática de este universo era idéntica a la descripción de un tipo diferente de universo, con tres dimensiones espaciales, una dimensión de tiempo, y sin la  gravedad. El descubrimiento de Maldacena fue la primera realización concreta del principio holográfico, y también hizo el trabajo más fácil para los teóricos, que ahora tenían dos métodos disponibles para cada problema matemático difícil: Se puede optar por expresar el problema en las matemáticas de las cinco dimensiones, universo con gravitación, o podrían optar por la versión de cuatro dimensiones, libre de la gravedad.

Nada de esto se suma a “probar” que vivimos en un holograma, pero sí a contribuir a un cuerpo de evidencia circunstancial que sugiere que las leyes de la física, de hecho, pueden ser escritas en un menor número de dimensiones de las que experimentamos. Eso, combinado con la utilidad matemática del principio holográfico, es motivación suficiente para muchos físicos. Las preguntas con las que comenzamos este viaje -¿dónde está la superficie en la que nuestro universo está inscrito? ¿Qué lo ilumina? Es una versión del universo más “real” que otra?- Siguen sin resolverse. Pero si el principio holográfico es correcto, puede que tengamos que enfrentarnos a la idea de que nuestro universo es una especie de fantasma cósmico, que la acción real está ocurriendo en otros lugares, en un límite que aún no han comenzado a asignarse.

Ampliar en:

FQXi: The Holographic Universe
Alex Maloney investigates the holographic principle.

Scientific American: The Holographic Principle
A brief introduction to the holographic principle.

University of California Television: The World as a Hologram
In this video, theoretical physicist Raphael Bousso provides an introduction to the holographic principle.

Fuente: PBS