¿Son los agujeros negros como un holograma?

By 07/06/2020 Portal

La holografía es una técnica óptica que permite crear una imagen tridimensional sobre una superficie bidimensional, generando una impresión de profundidad. Además de eso, la holografía le da nombre a unas asunciones matemáticas con las que se pretende explicar lo que pasa en tres dimensiones a partir de dos. Para entender lo que significa esto, es como intentar explicar lo que pasa dentro de una habitación proyectando los acontecimientos sobre las paredes, y creando un modelo matemático para describir lo que pasa en estas superficies. El volumen de la habitación tiene tres dimensiones, pero se puede explicar desde los muros, que tienen solo dos dimensiones.

Algunos físicos usan las asunciones de este principio holográfico para tratar de explicar la gravedad a pequeña escala (por debajo de la distancia de Planck), entrando en un dominio para el que hoy no hay explicación en el modelo estándar, el marco teórico que explica el mundo de las partículas a partir de cuatro interacciones físicas fundamentales.

De una forma muy sencilla, este principio holográfico implica que se puede explicar la física que ocurre dentro de un agujero negro, en tres dimensiones, a partir de la física que se observa en su frontera, en dos dimensiones. Por eso, se diría que el interior del agujero es como una proyección, un holograma, de lo que ocurre fuera. En un agujero negro, «fuera» es el horizonte de sucesos, la frontera a partir de la cual nada escapa de su gravedad.

Einstein y Hawking
Esta semana, un grupo de investigadores de la Escuela Internacional Superior de Estudios Avanzados (SISSA), en Trieste, Italia, ha presentado un estudio en el que han trabajado en compatibilizar la Relatividad General de Albert Einstein, con el principio holográfico, que parte de ideas propuestas en los setenta por Stephen Hawking y Jacob Bekenstein. Sus conclusiones apoyan esa idea de que los agujeros negros podrían ser como un holograma, con toda su información retenida en una superficie de dos dimensiones, y se han publicado recientemente en la revista «Physical Review X».

Los agujeros negros son uno de esos fenómenos extraños y difíciles de explicar, como el misterio de la materia oscura, que se ven como una oportunidad para que la ciencia vaya más allá y se adentre en lo desconocido. ¿Por qué? Kostas Skenderis ya lo explicó, en un artículo en el que escribimos sobre un universo holográfico: «La Teoría General de la Relatividad describe el Universo muy bien a grandes escalas, pero falla en las escalas muy pequeñas. Por eso, es necesario combinar esta teoría con la Mecánica Cuántica». Precisamente los agujeros negros son una de las mejores oportunidades para tratar de combinar ambas.

Liso y simple o extremadamente complejo
Un agujero negro es un fenómeno predicho por la Relatividad General, que la concibe como un objeto liso, esférico, simple y carente de información. Pero la Mecánica Cuántica, sin embargo, tal como propusieron Hawking y Bekenstein, entre otros, podría ser todo lo contrario.

Hawking y Bekenstein propusieron que la superficie del horizonte de sucesos está repleta de información y que estos objetos serían como un holograma, proyectados a partir de ese «molde» en dos dimensiones. Por tanto, la comprensión de la gravedad como fenómeno cuántico estaría en esa superficie.

«Este revolucionario y de alguna forma contraintuitivo principio propone que el comportamiento de la gravedad en una determinada región del espacio puede ser descrito alternativamente en términos de un sistema diferente, que existe solo al borde de esa región y, por tanto, en una dimensión menos», han escrito en el trabajo Francesco Benini y Paolo Milan, coautores del estudio.

«Y, lo que es más importante, en esta descripción alternativa (llamada holográfica) la gravedad no aparece de forma explícita. En otras palabras, el principio holográfico nos permite usar la gravedad usando un lenguaje que no contiene a la gravedad, evitando así la fricción con la Mecánica Cuántica».

¿Para qué hacer estos cálculos y asunciones? «De esta forma, las misteriosas propiedades termodinámicas de los agujeros negros se han hecho más comprensibles». Una de ellas, es que según los principios de Hawking y Bekenstein son objetos con una grandísima entropía y una gran complejidad.

¿Podremos comprender la gravedad?
Los autores han dicho que su trabajo es solo un primer paso para «comprender con más profundidad estos cuerpos cósmicos y las propiedades que les caracterizan cuando la Mecánica Cuántica se cruza con la Relatividad General».

En su opinión, lo más interesante de estas teorías es el momento en que se encuentran las observaciones astrófísicas. Ponen como ejemplo las observaciones de la fusión de agujeros negros, hechas desde 2015 por los observatorios LIGO y Virgo, o la reciente primera imagen de la historia del horizonte de sucesos de un agujero negro.

«En un futuro cercano, podríamos poner a prueba nuestras predicciones teóricas en relación con la gravedad cuántica, como las hechas en este estudio, con observaciones», han aventurado Francesco Benini y Paolo Milan. «Y esto, desde un punto de vista científico, sería algo absolutamente excepcional».