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La teoría del universo holográfico

Por Rafael García del Valle , 1 Septiembre, 2014

Un experimento “único” ha comenzado en el Fermilab: el holómetro. Pretende descubrir si el mundo tridimensional en que vivimos es la proyección de una realidad bidimensional, esto es, baraja la hipótesis de que el universo es un holograma.

Los científicos creen que la información del universo podría estar contenida en una superficie dos dimensiones formada por “píxeles” al estilo de una pantalla de televisión; cada pixel sería una unidad de información, un bit.

Si nuestro espacio-tiempo es la proyección de una superficie bidimensional, esto significa que no es un continuo, sino que la información está limitada al número de píxeles que forman dicha superficie. El experimento busca probar tales límites del universo para almacenar información: si hay un cierto número de bits que describen un objeto, es imposible tratar de determinarlo con más precisión que la ofrecida por ese conjunto de bits.

El interferómetro holográfico tratará de cruzar tales límites, de modo que tendría que detectar los “gránulos” de la realidad, de igual manera que se detecta el ruido de la imagen proyectada por un aparato digital.

¿Qué significa que el holómetro en cuestión detectará el ruido del espacio-tiempo? Según Craig Hogan, director del Centro de Astrofísica de Partículas del Fermilab, el espacio-tiempo, al igual que la materia, posee una vibración inherente que es provocada por su naturaleza “digital”, es decir, por su composición en diminutos bits. Y esto es así porque la matriz espacio-temporal en que existimos es un sistema cuántico , lo que significa que está sometida al principio de incertidumbre, según el cual no es posible conocer a un mismo tiempo la posición y la cantidad movimiento exactas de una partícula.

Es decir, cuanta más precisión se busque a la hora de establecer la posición, más difuso resultará el movimiento; así, cuanta más precisión se alcance a la hora de localizar los “píxeles” del espacio-tiempo, más “vibrantes”, “nerviosos” e impredecibles resultarán sus movimientos. Tales vibraciones son las que detectará el Holómetro.

La idea se remonta a los años noventa, cuando el físico Gerard´t Hooft sorprendió a propios y extraños con una peculiar teoría según la cual el universo es un holograma. Dicha idea fue rápidamente adoptada por algunos científicos de la Teoría de cuerdas, como Leonard Susskind, que comenzaron a buscar la manera de darle forma.

Partiendo de los descubrimientos de Stephen Hawking sobre el funcionamiento de los agujeros negros, se les ocurrió que el horizonte cósmico es en realidad la superficie externa de un inmenso agujero negro dentro del cual habitamos; es decir, nuestro universo de tres dimensiones espaciales estaría codificado en la superficie de dos dimensiones que es el horizonte de sucesos, desde donde se proyecta nuestra realidad tridimensional a la manera de un holograma.

horizonte de sucesos

Un agujero negro es una región con tanta concentración de masa que la gravedad hace que el espacio-tiempo se curve sobre sí mismo, originando una superficie cerrada que envuelve dicha región. Esta superficie es lo que se conoce como horizonte de sucesos.

Los agujeros negros no sólo absorben todo lo que entra en su campo de acción, sino que también emiten radiación. Así, el agujero se va evaporando a medida que pierde masa, hasta desaparecer. El problema radica en que, según demostró Hawking, no es posible detectar ninguna información en ese proceso de desaparición. Es decir, es imposible reconstruir lo que ocurre dentro del horizonte de sucesos, de modo que su deducción fue que la información contenida en un agujero negro se pierde con él. Pero esto es contrario a las leyes de la física cuántica, donde la información se puede transformar, pero nunca desaparecer.

Los estudios relacionados con la teoría holográfica sugieren que lo que ocurre en realidad es que, cuando un objeto es tragado por un agujero negro y desaparece, su información queda atrapada en la superficie bidimensional del horizonte de sucesos, justo en el límite donde es posible la observación desde el exterior. De esta forma, la realidad del objeto es un código impreso en dos dimensiones donde la interacción de toda la información almacenada conforma el universo 3D del mismo modo en que un holograma proyecta su contenido cuando la luz incide sobre él.

Desde hace unos años, los científicos han comenzado a pensar en la información como el constituyente básico de la naturaleza. Según físicos como Paul Davies o Vlatko Vedral, hemos vivido hasta ahora en el “mito de la materia”, donde se asume que las relaciones matemáticas que recrean las leyes naturales son el nivel descriptivo más básico de la realidad. Por debajo de esto estaría la información como entidad subyacente a la materia y la energía, las cuales no serían otra cosa que el resultado de aquella.

La cantidad de información que puede caber en una región del espacio-tiempo o en un trozo de materia está limitada por sus dimensiones físicas. En 1948, Claude E. Shannon formuló la teoría formal de la información, y señaló la entropía como medida de la misma: la entropía de un mensaje es el número de bits necesarios para codificarlo. No se refiere al valor de la información, que depende del contexto, sino a su cantidad.

Información es distinción. Un bit es una unidad de información porque distingue dos estados posibles; si no pudiera distinguirse entre 1 y 0 no habría información. De igual modo, si un conjunto de bits presentan la misma disposición que otro conjunto de bits, no hay obviamente distinción, un mensaje idéntico a otro no aporta información, es redundante.

El concepto de entropía en la teoría de la información es el mismo que en termodinámica. En 1877, Boltzmann se refirió a la entropía como el número de estados en que pueden estar las partículas de un trozo de materia de modo que este trozo siga pareciendo el mismo desde una perspectiva macroscópica. Por ejemplo, un sólido tiene menos entropía que un líquido, y cualquiera de ellos tiene menos entropía que un gas, pues la libertad de movimiento de las partículas es mayor de un estado a otro.

La diferencia en el empleo y medida de las entropías de Shannon y de Boltzmann se debe a que, en termodinámica, la entropía depende de todos los estados posibles en que se disponen los miles de millones de partículas que conforman un trozo de materia, mientras que en la teoría de la información es una abstracción que se aplica arbitrariamente a cualquier cantidad de materia: un transistor es un trozo de silicio al que se ha considerado un todo, independientemente del número de átomos que lo formen, y al que se han otorgado dos valores de entropía, 1 y 0, según esté en un estado dado o en otro.

Conforme la materia empleada para codificar información sea menor, se acercará a la entropía termodinámica. Por ejemplo, al almacenar un bit en una molécula, como el ADN; o, más allá, al almacenarlo en un átomo –un bit por molécula, luego un bit por átomo—, aumenta la cantidad de entropía de Shannon por espacio cúbico, reduciendo así su diferencia con los niveles de la entropía termodinámica en ese mismo espacio: la diferencia entre lo natural y lo artificial se desvanece. Es por esta razón que la inteligencia artificial y la realidad virtual dejan de ser, cada día que pasa, un poquito menos artificial y virtual.

Pero para lograr una identificación completa, habría que ir más allá, habría que almacenar un bit en un electrón, o en un protón, o más allá, en quarks; y aún más allá, habría que superar los límites de la materia y codificar la longitud de Planck, la unidad mínima del espacio-tiempo, cuyo tamaño es 10-35 centímetros. En ese punto, la entropía de un sistema de información sería exactamente la misma que la entropía del universo; un mapa del mismo tamaño que el territorio al que representa.

Y aquí es donde aparece la teoría del universo holográfico y nos muestra el mismo camino en sentido inverso al de la teoría de la información, pues explica que la escala de Planck está efectivamente codificada y almacena la información por la cual existe la realidad que conocemos; no sólo la materia, sino también el espacio-tiempo conocido resultan de los bits que se albergan en las longitudes de Planck. Pero el principio holográfico dice que la información contenida en un volumen equivale a la información contenida en una superficie plana: un universo de n dimensiones se explica como la proyección de un universo de n-1 dimensiones; igual que las imágenes holográficas a que estamos acostumbrados son generadas por la información contenida en una plancha bidimensional que se proyecta en el espacio tridimensional de una habitación.

En palabras de Leonard Susskind:

Podemos imaginar un objeto como tal, inmerso en el seno del espacio, o bien como un amasijo de información compleja y entreverada sobre la frontera que envuelve a ese espacio. Podemos proceder de una manera o de la otra, pero no de ambas a la vez.

Las unidades fundamentales de la realidad, por tanto, no son fragmentos de energía o materia, sino bits, unidades de información. Según explica Vlatko Vedral:

…en la mecánica cuántica no se puede decir que algo exista o no a no ser que se haya realizado una medición, así que es impreciso decir: «tenemos un átomo situado aquí» a no ser que hayamos interactuado con ese átomo y recibido información que corrobore su existencia ahí. Por ende, es incorrecto lógica y físicamente, o mejor dicho experimentalmente, hablar de fragmentos de energía o materia que existan con independencia de nuestra capacidad de confirmarlo experimentalmente. De algún modo, nuestra interacción con el mundo es fundamental para que surja el propio mundo, y no se puede hablar de él independientemente de eso.

La información almacenada por el universo de tres dimensiones espaciales es equivalente a la información almacenada en un universo de dos dimensiones con distintas leyes. De acuerdo a algunos físicos, como Juan Maldacena, la gravedad no es una fuerza fundamental como el electromagnetismo y las fuerzas nucleares, sino un aspecto emergente en la realidad de tres dimensiones espaciales, de modo que nuestro universo sería idéntico a otro universo bidimensional en el que no actuara la gravedad. 

Ello sugiere, entonces, que hay sucesos que existen en una realidad cuántica bajo una forma de expresión concreta y que tales sucesos pueden manifestarse en nuestra realidad bajo la forma de las leyes de la relatividad. Así, siguiendo los trabajos de Maldacena, los físicos Andreas Karch, de la Universidad de Victoria, en Canadá, y Kristan Jensen, de la Universidad de Washington, en Seattle, propusieron a finales de 2013 que el entrelazamiento cuántico se manifiesta en nuestro universo en la forma de agujeros de gusano.

Y, de idéntica manera, nuestro universo no sería sino una placa para otra realidad con una dimensión adicional y manifestaciones que se antojan imposibles de concebir. Es decir, estaríamos ante la repetición de una misma información en diferentes niveles de realidad, ante innumerables enunciados de una misma proposición esencial.

A finales de 2010, el astrofísico Craig Hogan se propuso ir más allá de la concepción teórica y emprendió el proyecto que ahora comenzará a aportar datos definitivos sobre la teoría holográfica que, de confirmarse algún día, arrojarían una nueva luz sobre la realidad.

De tener éxito, el Holómetro podría ser la clave para acercarse a la tan ansiada teoría unificada en la que conciliar las leyes de la relatividad y de la mecánica cuántica, pues sería un primer paso para demostrar que una misma realidad física se manifiesta de diferentes maneras que hasta hoy, según los modelos de conocimiento vigentes, resultan incompatibles entre sí.

Los primeros resultados llegaran en 2015. Mientras tanto, cada cual, con sus prejuicios y disposiciones filosóficas, incluyendo las inconscientes, es libre de especulaciones. Aunque, como afirma Leonard Susskind, también es posible, muy posible, que jamás se descubran las reglas que subyacen a todo este asunto de lo real.

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