¿Qué es eso del "universo holográfico" o el "principio holográfico"? ¿Tiene algo de científico?

Los agujeros negros no son tan negros. Se sabe, desde el trabajo de Stephen Hawking de principios de los 70, que emiten radiación térmica, producto de la interacción de campos cuánticos con sus potentes campos de gravedad.

Como consecuencia de este fenómeno, en 1976, el científico británico hizo público otro trabajo influyente en donde expone que los agujeros negros destruyen la información que cae en ellos. No solo eso, también lavan la información sobre el objeto que les dio origen. Así nace la famosa paradoja de la pérdida de información.

Desde entonces, los físicos de todo el mundo han intentado, usando distintos modelos, explicar cómo esos objetos guardan información. El consenso es que ésta no puede ser destruida, pues violaría uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Por tanto, debe existir un mecanismo que explique cómo la información es retenida y luego regresada al universo, a través de la radiación de Hawking. Debe ser un proceso "unitario".

Se han propuesto decenas de modelos para corregir este aparente fallo en la aplicación de las teorías cuánticas a la física de los agujeros negros. El principio holográfico, y con él la noción moderna de un posible universo holográfico, surge dentro de la teoría de las supercuerdas, como una forma de entender el problema de la pérdida de información.

La teoría de las supercuerdas descansa sobre el supuesto de que las partículas subatómicas surgen como consecuencia de las distintas vibraciones de cuerdas ultramicroscópicas. Las hay cerradas y abiertas. A cada modo de vibración corresponde una partícula distinta. De esta manera, bajo un solo esquema, se unifican los fermiones, partículas de materia, con los bosones, partículas portadoras de las fuerzas de la naturaleza. El gran logro de la teoría, sostienen los expertos, es que contiene dentro de su espectro al gravitón, la partícula hipotética portadora de la gravedad. Esta es descrita por cuerdas cerradas.

Bajo un solo esquema, el de cuerdas vibrantes, se unifican pues las cuatro fuerzas de la naturaleza. Es, en esencia, una teoría cuántica de la gravedad. Pero la teoría solo es consistente en diez dimensiones. Para entenderla en las cuatro dimensiones que experimentamos, se compactan seis en forma de variedades multidimensionales, siendo las de Calabi-Yau las más conocidas, aunque también se usan "toros" de seis dimensiones, que simplifican considerablemente los cálculos. La forma cómo las cuerdas se propagan en estas dimensiones periódicas, o se "enrollan" sobre ellas, determina las propiedades de la materia en las cuatro dimensiones extendidas.

Siendo, a bajas energías, una teoría de la gravedad descrita por una extensión de la relatividad general, no es de sorprender que la teoría de cuerdas también contenga soluciones que son versiones, en distintas dimensiones, de agujeros negros. Estos hoyos cuerdísticos se han estudiado desde todos los ángulos para obtener posibles respuestas a los dilemas que nos presentan sus primos de cuatro dimensiones, incluyendo el problema de la pérdida de información.

El origen del principio holográfico tiene su base en el hallazgo de que las cuerdas, al caer a un agujero negro, se comportan de una manera muy distinta a cómo lo hace una partícula. Ya se sabía que las cuerdas curaban las infinidades que plagan a las teorías cuánticas de campos, debido a su naturaleza extendida: no tienen una posición precisa.

Leonard Susskind y Gerard t' Hooft fueron de los primeros en estudiar el fenómeno de la pérdida de información en este contexto, aduciendo que las cuerdas dan como resultado una entropía finita para el agujero negro y, por tanto, una capacidad limitada de almacenar información. Lo que se ha descubierto es que la cuerda se irá extendiendo a medida que cae en el hoyo negro, y jamás terminará de caer. Arropa el horizonte de eventos y distribuye sus grados de libertad sobre esa superficie. La información parece quedar retenida allí.

El agujero negro existe en un espaciotiempo de cuatro dimensiones. El horizonte de eventos tiene dos dimensiones espaciales y el volumen que encierra, tres. La cuarta dimensión es el tiempo. Esto implica que el horizonte de eventos es la frontera de un volumen espacial tridimensional.

¿Podemos, entonces, a partir de la información contenida en la frontera, obtener información sobre el volumen que encierra? En teoría de las supercuerdas la respuesta parece ser afirmativa, y este es el principio holográfico.

Hay un modelo concreto que es un ejemplo elegante y original de este principio: la conjetura de Maldacena. En este famoso paradigma, un teoría cuántica de la gravedad (teoría de cuerdas cerradas) en cinco dimensiones es equivalente a una teoría cuántica de partículas que existe en su frontera, de solo cuatro. Las partículas, en ausencia de la gravedad, se propagan en la frontera, mientras que cuerdas cerradas, o gravitones, circulan en el interior, llamado espacio Anti de Sitter (AdS). Es, pues, una teoría cuántica de la gravedad, aunque lejos de ser realista, debido a que ese espacio tiene constante cosmológica negativa.

La paradoja de la pérdida de información quedaría resuelta en estos modelos. Se teoriza un agujero negro con cierta temperatura en el espacio AdS y, por tanto, emitiendo radiación de Hawking. El sistema correspondiente en la frontera es un enjambre cuántico de partículas a la misma temperatura. Como la evolución cuántica en la frontera es unitaria, automáticamente la evaporacion del agujero negro que existe en el interior lo será también.

En cuanto al problema cosmológico, el dilema es que nuestro universo no tiene frontera, así que los científicos buscan la manera de insertarlas, teóricamente, en distintos modelos para entender cómo quizá este principio aplica al cosmos. Si el universo es holográfico, toda la información contenida en su interior, de tres dimensiones espaciales, puede ser extraída a partir de una superficie de dos dimensiones que lo encierra. Sería, en verdad, una simplificación extraordinaria.