¿El Universo es un holograma?

A primera vista, no hay la menor duda: para nosotros, el universo luce tridimensional. Pero una de las más fecundas teorías de la física teórica de las dos últimas décadas desafía esa asunción. El “principio holográfico” afirma que una descripción matemática del Universo en realidad requiere una dimensión menos de las que percibimos. Lo que percibimos como tridimensional podría ser la imagen de dos procesos dimensionales en un enorme horizonte cósmico.

Crédito de la imagen: Technische Universität Wien

Hasta ahora, este principio sólo se ha estudiado en espacios exóticos con curvatura negativa. Esto es interesante desde un punto de vista teórico, pero este tipo de espacios son muy diferentes al espacio en nuestro propio universo. Los resultados obtenidos por científicos de Technische Universität Wien (TU Wien, Viena) sugieren ahora que el principio holográfico incluso se sostiene en un espacio-tiempo plano.

El Principio Holográfico

Los hologramas son muy conocidos, los vemos a diario en tarjetas de crédito y en billetes. Son bidimensionales, pero aparentan ser tridimensionales. Nuestro universo podría comportarse de manera muy parecida: “En 1997, el físico Juan Maldacena propuso la idea de que existe una correspondencia entre las teorías gravitacionales en espacios curvos anti-de-sitter [1], por un lado, y las teorías cuánticas de campo en espacios con una dimensión menos, por otro lado”, dice Daniel Grumiller (TU Wien).

Los fenómenos gravitacionales se describen en una teoría con tres dimensiones espaciales, mientras que el comportamiento de las partículas cuánticas se calcula en una teoría con sólo dos dimensiones espaciales – y los resultados de ambos cálculos se pueden hacer corresponder. Esa correspondencia es bastante sorprendente. Es como descubrir que las ecuaciones de un libro de texto de astronomía también se pueden usar para reparar un reproductor de CD. Ese método ha demostrado ser muy exitoso. Hasta la fecha se han publicado más de diez mil artículos científicos sobre la “correspondencia AdS-CFT” de Maldacena.

Correspondencia Incluso en espacios planos

Aunque esto es muy importante para la física teórica, no parece tener mucho que ver con nuestro propio universo. Al parecer, no vivimos en un espacio anti-de Sitter. Estos espacios tienen propiedades muy peculiares: Son curvados negativamente y cualquier objeto tirado en una línea recta eventualmente regresa al punto de origen. “Nuestro universo, por el contrario, es bastante plano – y en distancias astronómicas, tiene curvatura positiva”, dice Daniel Grumiller.

Sin embargo, Grumiller ha sospechado durante mucho tiempo que para nuestro universo real también podría ser cierto un principio de correspondencia. Para probar esta hipótesis, se tienen que construir teorías gravitacionales que no requieren espacios anti-de-sitter exóticos, sino un espacio plano. Durante tres años, él y su equipo de TU Wien (Viena) han estado trabajando en eso, en cooperación con las universidades de Edimburgo, Harvard, IISER Pune, MIT y Kyoto.

Los cálculos hechos dos veces, el mismo resultado

“Si la gravedad cuántica en un espacio plano permite una descripción holográfica de una teoría cuántica estándar, entonces debe haber cantidades físicas que se pueden calcular en ambas teorías – y los resultados deben estar de acuerdo”, dice Grumiller. Una característica clave de la mecánica cuántica – el entrelazamiento cuántico – tiene que aparecer en la teoría gravitacional.

Cuando las partículas cuánticas se entrelazan no se pueden describir individualmente. Forman un único objeto cuántico, incluso si se encuentran muy separadas. Existe una medida de la cantidad de entrelazamiento en un sistema cuántico, llamada “entropía de entrelazamiento”. Junto con Arjun Bagchi, Rudranil Basu y Max Riegler, Daniel Grumiller logró demostrar que esa entropía del entrelazamiento tiene el mismo valor en la gravedad cuántica plana y en una teoría cuántica de campo de baja dimensión.

“Este cálculo afirma nuestra suposición de que el principio holográfico también puede realizarse en espacios planos. Es prueba de la validez de esta correspondencia en nuestro universo”, dice Max Riegler (TU Wien). “El hecho de que incluso se puede hablar de información cuántica y de entropía del entrelazamiento en una teoría de la gravedad es sorprendente en sí mismo, y difícilmente habría sido imaginable sólo unos pocos años atrás. Que ahora seamos capaces de utilizar esto como una herramienta para probar la validez del principio holográfico, y que esta prueba salga bien, es bastante notable “, dice Daniel Grumiller.

Esto, sin embargo, todavía no prueba que realmente estamos viviendo en un holograma – pero al parecer hay una evidencia creciente de la validez del principio de correspondencia en nuestro propio universo.

Estudio: Arjun Bagchi, Rudranil Basu, Daniel Grumiller, Max Riegler.Entanglement Entropy in Galilean Conformal Field Theories and Flat Holography. Phys. Rev. Lett. 114, 111602; doi:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.111602

Fuente: Technische Universität Wien

[1] El espacio Anti-de Sitter (AdS) corresponde a una solución a las ecuaciones de Einstein con constante cosmológica negativa, y es una teoría clásica de la gravedad; mientras que la teoría conforme (CFT:Conformal Field Theory) es una teoría cuántica. Esta correspondencia entre una teoría clásica de la gravedad y una cuántica, puede ser el camino hacia la gravedad cuántica.

La correspondencia AdS/CFT fue propuesta originalmente por el físico argentino Juan Maldacena a finales de 1997, y algunas de sus propiedades técnicas pronto fueron clarificadas en un artículo de Edward Witten y otro artículo de Gubser, Klebanov y Polyakov. En cerca de cinco años, el artículo de Maldacena tuvo 3000 citas y se convirtió en uno de los avances conceptuales más evidentes de la física teórica de los años 1990. (Wikipedia.org)