Respuestas (LXXXIV): ¿Realmente es posible que el universo sea un holograma?

Pero, ¿hay algo de cierto en esta idea? ¿De verdad alguien ha demostrado que vivimos en un «universo holográfico»? ¿O el concepto de que la realidad es un holograma es una exageración más, alimentada por las ansias que tienen los medios digitales de ganar clicks fáciles?

Conociendo el historial de este blog, me huelo que la respuesta es que…

Shhhh, no adelantemos acontecimientos, voz cursiva. Para entender de qué va todo esto del universo holográfico, primero tendremos que hablar sobre información y agujeros negros.

En el campo de la física, el concepto de información es distinto al que estamos acostumbrados en nuestro día a día. En este caso, la información que contiene un objeto no es una referencia a los mensajes que pueda haber codificados en su interior, sino a las propiedades de cada una de las partículas que lo componen y que definen su aspecto a gran escala.

Por ejemplo, imaginemos que tenemos un libro en nuestras manos… No sé, el segundo libro de Ciencia de Sofá, por decir algo. Por un lado, en el libro hay información que nuestros cerebros pueden descifrar, formada por letras agrupadas en frases. Pero, además, también contiene su propia información física (como la velocidad y la dirección de sus partículas o la dirección en la que se mueven) que, al fin y al cabo, es lo que hace que lo que tenemos entre manos sea el segundo libro de Ciencia de Sofá y no otra cosa.

Este segundo concepto es el que nos interesa hoy e, igual que ocurre con la materia y la energía, una de las características principales de la información es que no se puede destruir.

Imaginemos que tiramos el libro al suelo, lo rociamos con gasolina y le prendemos fuego. Como la edición ignífuga del libro aún no ha salido a la venta, el papel empieza a arder y las moléculas de celulosa de las páginas se descomponen mientras sus subproductos se dispersan por el aire y el suelo en forma de gas y ceniza. Cuando el fuego se apaga, lo único que queda del libro es un olor a papel quemado y algunos restos de polvo carbonizado.

Llegados a este punto, está claro que el libro ya no existe como tal, porque el material que lo componía está alterado y desparramado por la atmósfera y el suelo. Por tanto, se podría decir que la información física que contenía el libro (lo que lo convertía en lo que era) ha sido completamente destruida, ¿verdad?

Verdad.

Pues no, no necesariamente: en realidad, la información de cada una de las partículas que contenía el libro no ha sido destruida, sino transformada. De hecho, usando las leyes de la física y una tecnología suficientemente avanzada, podríamos reconstruir el camino que ha seguido cada partícula durante la combustión y deducir cómo era exactamente el libro antes de que empezara a arder. Por tanto, la información no ha desaparecido, sólo ha cambiado de forma.

Este planteamiento se puede aplicar a todos los procesos que están ocurriendo todo el rato a nuestro alrededor… O, mejor dicho, a casi todos.

Al principio, parecía la ley de la conservación de la información no se cumplía en el interior de unos cuerpos celestes de los que hablo con frecuencia: los agujeros negros. La intensa fuerza gravitatoria de estos cuerpos no deja escapar ningún tipo de partícula o radiación de su interior así que, a primera vista, la información de un objeto que caiga en un agujero negro desaparecerá por completo de la faz del universo. Por tanto, si metemos un libro en un agujero negro en vez de quemarlo, nuestra tecnología súper avanzada que nos permite recuperar papel de las cenizas no nos servirá de nada, porque ni siquiera tendremos unas cenizas con las que intentar reconstruirlo.

O sea, que los agujeros negros parecían incumplir la ley de conservación de la información…  Y, para más inri, también se llegó a pensar que violaban la segunda ley de la termodinámica, que enuncia que la entropía de un sistema siempre tiende a aumentar.

Espera, «entropía» es esa palabra que utilizan los científicos para medir cómo de desordenada está una cosa, ¿no? ¿Qué pinta la entropía en todo esto?

Pues que la información que puede contener un objeto y su entropía están estrechamente relacionadas.

Es verdad que muchas veces se define la entropía como el grado de desorden de un sistema pero, en realidad, es algo más parecido a una medida que representa en cuántos estados se pueden encontrar las partículas que contiene un sistema sin que su aspecto macroscópico cambie. En este sentido, la entropía también refleja la cantidad de información que puede llegar a contener un sistema a través del número de combinaciones posibles de sus partículas.

El caso es que, como hemos visto otras veces, los agujeros negros se forman a partir del colapso gravitacional de estrellas gigantes. Y, al fin y al cabo, las estrellas no son más que sistemas compuestos por un montón de partículas muy calientes, con la entropía y la información que les corresponde.

Por tanto, según la segunda ley de la termodinámica, un agujero negro debería tener una entropía mayor que la estrella que le da lugar.

Al principio, esto les parecía raro a los científicos porque, hasta donde sabían, los agujeros negros no están hechos de partículas que puedan adoptar un estado u otro ni contener ningún tipo de información. Entonces, ¿significaba eso que los agujeros negros incumplen las leyes de la física? ¿Y si no era así y existía alguna manera de que un agujero negro retenga la información y el aumento de entropía de la estrella original?

Esta cuestión fue respondida por el físico Jacob D. Bekenstein, que llegó a la conclusión de que los agujeros negros no incumplen las leyes de la física porque ni la información ni la entropía de la materia que cae en su interior desaparecen, sino que quedan plasmadas en su superficie o, mejor dicho, en la superficie de su horizonte de sucesos, el punto de no retorno.

Pero, no lo entiendo, ¿cómo está grabada esa información? ¿Hay partículas sobre ese horizonte de sucesos? ¿O alguna otra cosa que adquiera las propiedades de la materia que cae en su interior?

Es un concepto complicado y hay varias maneras de visualizarlo pero, en resumidas cuentas, se puede considerar que la información de cada partícula que cae en el interior de un agujero negro queda registrada en unas regiones diminutas en las que está dividida su superficie, como si fueran los píxeles de una pantalla (salvando las distancias).

Crédito: Scientific American

Bekenstein llegó a esta conclusión después de analizar las matemáticas que definen los agujeros negros y darse cuenta de que la superficie del horizonte de sucesos crece con un nuevo «píxel», del tamaño de un área de Planck, cada vez que la atraviesa una nueva unidad de información (una partícula elemental, por ejemplo). De ahí que dedujera que la información de las cosas que caen en un agujero negro queda grabada en estos pequeños «píxeles» de su superficie bidimensional.

Eso sí, un área de Planck es una unidad minúscula basada en la distancia más pequeña posible, la longitud de Plank, que ronda los 10^-35 metros… O un cero, seguido de una coma y 34 ceros más, con un uno al final. Para hacernos una idea de lo pequeña que es la escala de estas unidades en las que está dividida la superficie de un agujero negro, harían falta sesenta mil sextillones (6*10³⁴) de áreas de Planck para recubrir la superficie de un sólo protón.

Es importante tener esto en cuenta porque, en condiciones normales, cada unidad de información viaja a bordo de partículas fundamentales, que son mucho más grandes que los «píxeles» de la superficie de un agujero negro. Esto significa que, cuando una partícula cae en un agujero negro, su información se ve comprimida a una región de un tamaño muchísimo menor sobre su superficie, de modo que se puede almacenar una cantidad tremenda de «datos» en ella.

De hecho, sobre el horizonte de sucesos de un agujero negro cabe la mayor cantidad de información posible para un volumen determinado.

Total que, además, este planteamiento sugiere que la información de los objetos que caen en un agujero negro no está en su interior tridimensional, sino que queda registrada sobre la superficie bidimensional y esférica de su horizonte de sucesos. Por tanto, en cierto sentido, estaríamos hablando de un mecanismo parecido al de un holograma: una superficie en dos dimensiones que puede proyectar imágenes tridimensionales porque contiene los datos codificados en su interior.

Espera, ¿cómo que «en cierto sentido»?

Es que, al contrario de lo que pueda sugerir mi ilustración anterior, este fenómeno no implica que las siluetas de los objetos que caen en el interior de un agujero negro queden grabadas en su superficie. Simplemente que la información de las partículas que componían el objeto (como su posición o su velocidad) deja una marca a lo largo del horizonte de sucesos cuando lo atraviesan. Pero, sea como sea, esto no significa que los objetos que caen dentro de un agujero negro se conviertan en hologramas proyectados desde su superficie.

Ah, vale, vale. ¿Y qué tiene que ver todo esto con que el universo entero sea un holograma, por cierto?

Buena pregunta, voz cursiva.

De toda esta elucubración sobre los agujeros negros surgió el principio holográfico, un postulado que sostiene que la máxima cantidad de información que puede contener cualquier sistema no depende de su volumen, sino del tamaño de su superficie, dividida en «píxeles» del tamaño de un área de Planck. Y el sistema más grande conocido es el universo entero, claro.

Aplicado a la vida real, este principio da a entender que toda la información contenida en nuestro espacio tridimensional se podría «codificar» en el horizonte de partículas del universo, la cara interna de la esfera de 93.000 millones de años luz de diámetro que nos rodea (hablé de esta frontera con más detalle en esta entrada sobre la posible infinitud del universo).

Tomado literalmente, este concepto parece sugerir que, en efecto, toda la materia que contiene el universo es un holograma proyectado desde los confines del espacio… Algo que funcionaría más o menos así:

¡Entonces es verdad! ¡Vivimos en un holog…!

Espeeeera, voz cursiva, espeeeera. Hay que recordar algo muy importante antes de sacar ciertas conclusiones: la extrapolación del principio holográfico de los agujeros negros al universo entero no es literal, sino teórica y puramente matemática.

Según el principio holográfico se podría representar matemáticamente toda la información del universo en una superficie bidimensional, es verdad. Pero que se pueda hacer matemáticamente no significa que toda la materia que contiene el universo sea un holograma. El astrofísico Paul Sutter, de la Universidad de Ohio, lo aclara en esta entrevista:

«[El principio holográfico] es una herramienta matemática útil porque, en física, algunas preguntas son muy complicadas […] y resolverlas en tres dimensiones es realmente difícil, pero podría ser más fácil hacerlo en una superficie bidimensional […]. Por tanto, no es que el principio holográfico implique que el universo sea tenga dos dimensiones y que vivamos en una proyección tridimensional de él, sino que contiene algunas traducciones matemáticas útiles que podemos aprovechar para facilitar los cálculos y hacer predicciones sobre cómo funciona el universo.»

En otras palabras: calcular cómo se comportará un sistema en tres dimensiones puede ser complicado pero, usando el principio holográfico como modelo matemático, es posible simplificar la tarea eliminando una dimensión del problema. Cuando se conoce el resultado en dos dimensiones, basta con volver a añadir la tercera dimensión para ver como se traduce a la vida real.

De hecho, trabajando en el marco de la teoría de cuerdas, otro físico llamado Juan Maldacena descubrió que, con la formulación adecuada, la fuerza de la gravedad desaparece si se supone que el resto de interacciones de las demás fuerzas ocurren sobre una superficie bidimensional, lo que sirve como ejemplo del tipo de triquiñuela matemática de la que estamos hablando.

O sea, que el principio holográfico no implica que vivamos en un holograma ni ninguna otra interpretación esotérica extraña: simplemente es un modelo matemático que se puede utilizar para construir modelos bidimensionales del universo que no se desmoronan al traducirlos a tres dimensiones. Y eso es útil para hacer cálculos. Nada más: hasta donde sabemos, no vivimos en un holograma.

Bueeeeno, vaaaale. Aun así, ¿podría esta herramienta matemática tener algún vestigio de realidad y que nuestro universo sea verdaderamente alguna especie de proyección holográfica de una superficie lejana? 

No hay ninguna evidencia que lo sugiera. De hecho, este principio pertenece al campo de la teoría de cuerdas, un campo en el que es muy complicado verificar experimentalmente las predicciones así que, incluso aunque hubiera algún indicio de que describe correctamente la naturaleza del universo más allá de un modelo matemático, es posible que nunca lográramos ser capaces de averiguarlo.

 

Y ahora, para variar, la publicidad de los libros de Ciencia de Sofá (a los que podéis prender fuego o no, siempre que los compréis primero).