¿Vivimos en un holodeck?

Si alguien me dijera que los alemanes tienen un interferómetro láser de 600 metros de longitud escondido en alguna parte de la campiña al sur de Hannover, probablemente me asustaría un poco. Sobretodo porque no sé que diablos es un interferómetro láser, pero es un nombre inquietante (más aún uno de 600 metros de largo).

Desde luego, exagero. Sé lo que es un interferómetro láser, lo que no sé es cómo funciona. Pero el punto es que el mundo a nuestro alrededor está lleno de cosas enormes, brutalmente ingeniosas e incluso absurdas, moviéndose de formas extrañas y peleándose a muerte con interrogantes científico-filosóficas sin que nos demos cuenta.

El proyecto GEO600 es un experimento británico-alemán (hablando de asociaciones improbables) cuyo propósito es la detección de ondas gravitacionales (pliegues en el espacio-tiempo causados por objetos astronómicos super-densos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones). El GEO600 no es ni el más grande ni el más reciente detector construido (USA tiene dos, y en Europa hay otro en Italia, por ejemplo), pero es con mucho el más sensible.

Durante los últimos 7 años, este primo lejano del oloroscopio ha estado olfateando el espacio profundo sin detectar una sola onda gravitacional. Sin embargo, puede que inadvertidamente haya realizado el descubrimiento físico más importante de las últimas décadas, según el artículo «Our world may be a giant hologram«, publicado por New Scientist, y cuya traducción absolutamente libre va a continuación.

Nuestro mundo podría ser un gigantesco holograma

Por muchos meses los miembros del equipo GEO600 se han estado rascando la cabeza intentando dar con una solución al ruido de fondo que contamina todas sus observaciones. Tal vez seguirían así si no fuera por Craig Hogan, un físico del Fermilab que había predicho la existencia de este molesto ruido antes incluso de saber que estaba siendo detectado por el equipo teutón. Según Hogan, el GEO600 se ha topado con el límite fundamental del espacio-tiempo, el punto en el que el espacio-tiempo deja de comportarse como el fluido continuo descrito por Einstein para disgregarse en «granos», del mismo modo que una fotografía en el periódico se disuelve en puntos a medida que acercamos la vista.

La idea de que vivimos en un holograma probablemente suena absurda, pero es una extensión natural de nuestra comprensión de los agujeros negros, y tiene una base teórica bastante firme. Los hologramas que encontramos en las tarjetas de crédito, por ejemplo, están grabados en láminas plásticas bidimensionales. Cuando la luz rebota en ellos, recrea la apariencia de una imagen en 3D. En los 90’s, los físicos Leonard Susskind y Gerard’t Hooft sugirieron que el mismo principio podría aplicarse al universo como un todo. Nuestra experiencia diaria podría muy bien ser una proyección holográfica de procesos ocurriendo en una distante superficie en 2D (¿como la Matrix de Flatland, me pregunto?).

Por supuesto, no es una idea fácil de aceptar. Es difícil creer que las cosas que hacemos son causadas por acontecimientos en las fronteras del universo. Nadie sabe realmente qué implicaría que viviéramos en un holograma, pero aun así los científicos tienen buenas razones para pensar que muchos de los aspectos del principio holográfico son ciertos.

La sorprendente idea de Susskind y ‘t Hooft fue motivada por el trabajo de Jacob Bekenstein, de la Universidad Hebrea de Jerusalem, y Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, sobre los agujeros negros. A mediados de los 70’s, Hawking demostró que los agujeros negros emiten radiación, lo que causa su eventual desaparición. El problema es que la radiación descrita por Hawking no conlleva ninguna información sobre lo que sucede dentro del agujero. Cuando el agujero mismo se desvanece, toda la información sobre la estrella que colapsó en primer lugar se ha esfumado igualmente, lo que contradice el principio de que la información no puede ser destruida (a menos que trabajes para la CIA). Esto es lo que se conoce como la paradoja de la información de agujeros negros.

El trabajo de Bekenstein dio algunas pistas al respecto. Bekenstein descubrió que la entropía de un agujero negro (AN de aquí en adelante), que es lo mismo que su contenido de información, es proporcional a la superficie de su horizonte de eventos (la superficie teórica que oculta el AN y marca el punto de no retorno de cualquier materia o luz que cae en él). Desde entonces, los físicos han demostrado que ondas cuánticas microscópicas en el horizonte de eventos pueden codificar la información que hay dentro del AN, de tal forma que no existe esa misteriosa pérdida de datos cuando el AN se evapora.

De lo que se deduce que la información 3D sobre una estrella precursora puede ser completamente codificada en el horizonte 2D del agujero negro subsiguiente.

Susskind y ‘t Hooft extrapolaron esta idea al universo completo sobre la base de que el cosmos también posee un horizonte… la línea desde la cual la luz no ha tenido tiempo de alcanzarnos en el lapso de 13.700 millones de años de vida del universo. Lo que es más, el trabajo de varios estudiosos de la teoría de cuerdas, notablemente Juan Maldacena del Institute for Advanced Study en Princeton, ha confirmado que la idea está bien encaminada. Maldacena mostró que la física en el interior de un universo hipotético de 5 dimensiones y con la forma de un tubo es idéntica a la física de un universo tetradimensional, como el nuestro.

Por mucho tiempo, los físicos teóricos han creido que los efectos cuánticos causan fuertes convulsiones en las escalas más diminutas del espacio-tiempo. A este aumento, el tejido del espacio-tiempo se vuelve granuloso y está básicamente compuesto de unidades individuales ínfimas (como los píxeles que componen una pantalla), pero cien billones de veces más pequeñas que un protón. Esta distancia (10E-35 mts) se conoce como la longitud de Planck, y se encuentra más allá del alcance de cualquier experimento concebible, así que nadie se había atrevido a soñar que la granulosidad del espacio-tiempo podría ser discernible… al menos, no hasta que Hogan comprendió que el principio holográfico lo cambia todo. Si el espacio-tiempo es un holograma granuloso, entonces se puede pensar en el universo como una esfera cuya superficie externa está parcelada en pequeños cuadrados de aristas de 10E-35 metros, cada uno conteniendo un pedazo de información. El principio holográfico establece que la cantidad de información en el empapelado exterior debe coincidir con el número de «pedazos» contenidos en el volumen del universo. Puesto que el volumen del universo esférico es mucho mayor que su superficie externa, ¿cómo puede ser cierto esto?

Hogan entendió que para poder tener el mismo número de trozos de información tanto en el interior como en los límites del universo, el mundo adentro debe estar formado por granos mayores que la longitud de Planck. «O, para decirlo de otro modo, un universo holográfico es borroso», dice Hogan.

Esto son buenas noticias para cualquiera que intente investigar la unidad más pequeña del espacio-tiempo. Porque mientras la longitud de Planck es demasiado pequeña para ser detectada experimentalmente, la «proyección» holográfica de esa granulosidad podría ser mucho, mucho más grande, de alrededor de 10E-16 metros. «Si vivieras en un holograma, podrías saberlo midiendo la borrosidad«, dice el físico.

Cuando Hogan se dio cuenta de esto por primera vez, se preguntó si algún experimento sería capaz de detectar la borrosidad (blurring) holográfica del espacio-tiempo. Ahí es donde entra el GEO600.

Los detectores de ondas gravitacionales como el GEO600 son esencialmente reglas fantásticamente sensibles. La idea es que si una onda gravitacional pasa a través del GEO600, estirará el espacio en una dirección y lo comprimirá en otra. Para medir esto, el equipo GEO600 dispara un único láser a través de un espejo semiplateado que divide la luz en dos haces, los cuales recorren los dos brazos perpendiculares del instrumento y rebotan de vuelta. Los rayos de luz que regresan se unen en el beam splitter (divisor del haz) y crean un patrón de interferencia según las ondas de luz se cancelen o se refuercen mutuamente. Cualquier cambio en la posición de las regiones de luz y oscuridad resultantes permite saber cómo ha cambiado la longitud relativa de los brazos, a niveles inferiores al diamétro de un protón.

Entonces, ¿serían capaces de detectar una proyección holográfica de un espacio-tiempo granular? De los cinco detectores de ondas gravitacionales que hay en el mundo, Hogan se dio cuenta de que el GEO600 debía ser el más sensible para lo que tenía en mente. Predijo que si el beam splitter es abofeteado por las convulsiones cuánticas del espacio-tiempo, esto se trasladará a los resultados de las mediciones (Physical Review D, vol 77, p 104031), explicando el molesto ruido que tenía locos a todos.

Hogan envió sus predicciones al equipo del GEO600, y se sorprendió cuando éstos le informaron del extraño e inesperado ruido. Karsten Danzmann, del Instituto Max Planck para la Física Gravitacional en Potsdam, y uno de los principales investigadores de GEO600, admite que el ruido excesivo, con frecuencias entre 300 y 1500 Hz, había estado molestado al grupo por mucho tiempo. Le mandó a Hogan un gráfico del ruido, que coincidía exactamente con las predicciones de éste.

Nadie (ni siquiera Hogan) ha afirmado todavía que GEO600 haya encontrado evidencias de que vivimos en un universo holográfico. Aún es demasiado pronto para decirlo, y la fuente del ruido podría terminar siendo tan mundana como un montón de gente practicando step en un gimnasio cercano.

Los detectores de ondas gravitacionales son extremadamente sensibles, y quienes trabajan en ellos deben ser más cuidadosos de lo normal para eliminar el ruido. Deben preocuparse de las nubes, el tráfico distante, los temblores y otro montón de variables. Por el momento, no existen candidatos claros que expliquen el ruido experimentado, lo que, confiesa Danzmann, no es agradable, pero tampoco muy preocupante.

Si GEO600 ha descubierto realmente ruido holográfico causado por las convulsiones del espacio-tiempo (¡OMFG el universo es epiléptico!), los investigadores de ondas gravitacionales se enfrentan a un arma de doble filo. Por un lado, el ruido afectará sus intentos de detectar las ondas; por el otro, podría representar un descubrimiento mucho más importante.

Una situación que tiene precedentes en la física. Los detectores gigantes construidos para buscar una forma hipotética de radiación en la que los protones se desintegran nunca hallaron tal cosa. En vez de eso, descubrieron que los neutrinos pueden cambiar de un tipo a otro, algo discutiblemente más relevante porque nos podría decir cómo es que el universo terminó lleno de materia y no antimateria (New Scientist, 12 April 2008, p 26).

Sería irónico que un instrumento creado para detectar algo tan vasto como las fuentes astrofísicas de las ondas gravitacionales hubiera detectado inadvertidamente la minúscula granulosidad del espacio-tiempo.

Claro que todo esto es más una idea que una teoría propiamente tal, dice Danzmann, algo más cauto frente al optimismo de Hogan. «Esperemos y veamos», aconseja Danzmann, «como poco, es un año demasiado pronto para excitarse al respecto».

Mientras más le tome al puzzle ser resuelto, sin embargo, más fuerte será la motivación para construir un instrumento dedicado exclusivamente a rastrear el ruido holográfico. John Cramer de la Universidad de Washington (Seattle) concuerda. Sería un fabuloso «accidente» que las predicciones de Hogan estuviesen relacionadas con el experimento GEO600, dice. «Parece claro que se podrían montar experimentos mucho mejores si estuvieran específicamente enfocados en medir y caracterizar el ruido holográfico». Una posibilidad, de acuerdo a Hogan, sería emplear un interferómetro de átomos. Éstos operan bajo el mismo principio que los detectores láser, pero utilizan rayos de átomos ultrafríos en lugar de rayos de luz. Puesto que los átomos se pueden comportar como ondas con una longitud de onda mucho menor que la de la luz, los instrumentos son mucho más pequeños y baratos que sus contrapartes detectoras de ondas gravitacionales.

Bueno, ¿y que significaría que realmente se haya encontrado ruido holográfico? Cramer lo relaciona con el descubrimiento de ruido inesperado por una antena en los Laboratorios Bell, en 1964. El ruido resultó ser la microonda cósmica de fondo, el resplandor de las brasas del Big Bang. «No sólo dio el Premio Nóbel a Arno Penzias y Robert Wilson, sino que confirmó la teoría del Big Bang y abrió un nuevo campo completo de la cosmología», dice Cramer.

Más importante aún, la confirmación del principio holográfico constituiría una gran ayuda para aquellos investigadores que tratan de unificar la mecánica cuántica y la teoría gravitacional de Einstein, y que hoy en día tienen sus esperanzas puestas en la teoría de cuerdas.

Hogan concuerda en que si el principio holográfico es confirmado, descartaría todas las aproximaciones a la gravedad cuántica que no lo incorporan. De forma opuesta, sería un potente impulso para aquéllas que sí lo hacen.

«Básicamente, puede que hayamos encontrado la primera indicación de cómo el espacio-tiempo emerge de la teoría cuántica», declara Hogan, soñando (seguro) con cierta Academia Sueca. [x]

Fuente: New Scientist

PD: ¿Qué es un Holodeck? la respuesta aquí.