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19/Ene/09

El universo como un holograma

El experimento GEO600 busca, desde hace siete años, ondas gravitatorias generadas por densos objetos astronómicos como las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Hasta ahora, esta instalación alemana no detectó ninguna onda gravitatoria, pero quizás, podría haber realizado un increíble descubrimiento

Holograma círculos.

Durante varios meses, los miembros del equipo del experimento GEO600 se estuvieron rascando la cabeza para resolver un misterio. Un inexplicable ruido plagaba su gigantesco detector. Ahora, Craig Hogan, un físico de Fermilab, dice que GEO600 tropezó con el límite fundamental del espacio-tiempo, el punto en que deja de ser un "continuum" descrito por Einstein y se disuelve en "granos". Algo similar a lo que ocurre con las imágenes cuando las ampliamos y comenzamos a notar que dejan de aparentar continuidad de colores y líneas para ser puntos, píxeles.

Pero eso no es todo. "Si el resultado de GEO600 es lo que sospecho que es, luego, todos vivimos en un gigantesco holograma cósmico", opinó Hogan.

La idea de que vivimos en un holograma suena absurda, a priori, pero las alegorías y comparaciones pueden ser fructíferas. Los hologramas que encontramos en las tarjetas de crédito y otros documentos están grabados en films plásticos de dos dimensiones. Cuando la luz es reflejada, recrea la apariencia de una imagen 3D. En los años 1990, Leonard Susskind y el ganador del premio Nobel Gerard 't Hooft sugirieron que el mismo principio podría aplicarse al universo como un todo. Nuestra experiencia cotidiana podría ser una proyección holográfica de procesos físicos que tengan lugar en una distante superficie 2D.

El "principio holográfico" desafía nuestros sentidos. La notable idea fue motivada por el trabajo sobre agujeros negros de Jacob Bekenstein y Stephen Hawking. En los años '70, Hawking mostró que los agujeros negros no son enteramente "negros", sino que pueden emitir radiación, lo que causaría su evaporación luego de eones. Esta afirmación, sin embargo, parece contraria, a priori, al principio de conservación de la información. La radiación Hawking no transmitiría ninguna información acerca del interior del agujero. Al evaporarse éste, desaparecería la información contenida en él. Esto se conoce como la paradoja de la pérdida de información en los agujeros negros.

Tomado de Scientific American Latinoamérica.
La Información en el Universo Holográfico. Jacob D. Bekenstein. Año 2 No. 15 octubre de 2003
1. LA ENTROPÍA DE UN AGUJERO NEGRO es proporcional al área de
su horizonte de eventos (superficie de cuyo interior no puede escapar,
a causa de la gravedad del agujero, ni siquiera la luz). En concreto, un agujero con un horizonte
que abarque A áreas de Planck tendrá A/4 unidades de entropía.
(El área de Planck, unos 10-66 centímetros cuadrados, es la unidad cuántica de área fundamental,
determinada por la intensidad de la gravedad, la velocidad de la luz y el tamaño de los cuantos.)
Como si la entropía, en cuanto medida de la información, estuviese
escrita sobre el horizonte de eventos, de suerte tal que cada bit (cada 0 ó 1 de la codificación digital)
correspondiera a 4 áreas de Planck.

El trabajo de Bekenstein produjo importantes pistas para resolver la paradoja. Descubrió que la entropía de un agujero negro -relacionada con el contenido de información- es proporcional al área de superficie de su horizonte de sucesos, el punto de no retorno. Los teóricos, desde entonces, mostraron que ondas cuánticas en el horizonte de sucesos pueden codificar la información dentro del agujero negro, por lo que no hay una misteriosa pérdida de información.

"Ángeles y Demonios" de Escher: El espacio Anti-de Stitter es una solución
a las ecuaciones de campo de Einstein que es negativamente curvado.
Es análogo a la geometría de Eschers "Ángeles y demonios", en la cual hay
que imagen que todos los ángeles y demonios son del mismo tamaño pero están distorsionados
debido a la curvatura negativa del espacio, en la misma forma que la proyección Mercator
del globo terráqueo deforma el área de los continentes.

Ahora bien, la información tridimensional de una estrella precursora puede ser completamente codificada en el horizonte bidimensional del posterior agujero negro, no muy diferente a la imagen 3D de un objeto codificado en un holograma 2D. Susskind y 't Hooft extendieron el concepto a todo el universo, en la base de que el cosmos tiene un horizonte también: el límite más allá del cual la luz no tuvo tiempo de alcanzarnos en los 13.700 millones de años de vida del universo. Es más, el trabajo de varios teóricos de cuerdas, fundamentalmente Juan Maldacena, confirmaron que la idea iba por buen camino. Él mostró que la física en un hipotético universo de cinco dimensiones y con la forma de una papa frita, es la misma que la física que se lleva a cabo en un límite de cuatro dimensiones.

Según Hogan, el principio holográfico cambia radicalmente nuestra imagen del espacio-tiempo. Los físicos teóricos han creído que los efectos cuánticos causarían que el espacio-tiempo fuera finalmente pequeñísimas unidades (como los píxeles del ejemplo anterior) pero cientos de billones de veces menores que un protón. Esta distancia es conocida como longitud de Planck, 10-35 metros. Esta distancia está más allá de cualquier experimento concebible por lo que ni se sueña con discernir esta granulosidad.

Hasta que Hogan se dio cuenta que el principio holográfico cambiaba todo. Si el espacio-tiempo es un granuloso holograma, puede pensarse al universo como una esfera cuya superficie exterior está pegada en cuadrados del tamaño de la longitud de Planck, cada uno conteniendo un bit de información. Este principio dice que la cantidad de información del exterior debe coincidir con la cantidad de bits contenidos dentro del volumen del universo.

Dado que el volumen del universo esférico es mucho mayor que su superficie exterior, ¿cómo puede esto ser cierto? Hogan notó que para tener la misma cantidad de bits en el universo que en el límite, el mundo dentro debía estar hecho de granos mayores que la longitud de Planck.

Ésta es una buena noticia para quien quiera investigar las unidades más pequeñas del espacio-tiempo.

"Contrariamente a las expectativas, inserta la estructura cuántica dentro de los alcances de los experimentos actuales", dice Hogan. Si la longitud de Planck es muy muy pequeña para ser detectada, la "proyección" holográfica de esa granulosidad puede ser mucho más grande, de 10-16 metros.

"Para ponerlo de otra forma, un universo holográfico es borroso. Si vives dentro de un holograma, puedes saberlo al medir la borrosidad", señaló el científico.

Cuando Hogan se percató de esto, pensó que algún experimento podría ser capaz de detectar esta borrosidad holográfica del espacio-tiempo. Aquí entra en juego GEO600.

Los detectores de ondas gravitatorias como GEO600 son esencialmente "reglas" increíblemente sensibles. La idea es que si una onda gravitatoria pasa a través del experimento, alternativamente extendería el espacio en una dirección y lo comprimiría en otro. Para medirlo, el equipo dispara un láser a través de un espejo que divide la luz en dos haces que pasan por los brazos perpendiculares de 600 metros del instrumento y rebotan. Los haces se funden al volver y crean un patrón de interferencia: regiones de luz y oscuridad donde las ondas de luz se cancelaron o reforzaron. Cualquier desplazamiento de esas regiones indica que la longitud relativa de los brazos cambió.

Estos experimentos son sensibles a cambios mucho menores al diámetro de un protón. De los cinco detectores de ondas gravitatorias alrededor del mundo, Hogan pensó que GEO600 era el más sensible para lo que tenía en mente. Predijo que si el divisor del haz era sacudido por las convulsiones cuánticas del espacio-tiempo, se mostraría en las mediciones, y causaría ruido en la señal del láser. (Physical Review D, vol 77, p 104031)

En junio, envió esta predicción al equipo GEO600. Karsten Danzmann, del Instituto Max Planck de física gravitatoria y la Universidad de Hanover, admite el exceso de ruido en frecuencias entre 300 y 1500 hertz, que estuvieron molestando al equipo largo tiempo. Y envió a Hogan un trazado del ruido. "Se veía exactamente igual a mi predicción", señala Hogan.

Nadie, ni el mismo Hogan, está afirmando haber encontrado evidencia del principio holográfico del universo. Podría ser una fuente corriente de ruido. Justamente por ser tan sensibles estos instrumentos, pueden detectar muchos tipos de señales que "contaminan" los resultados.

La posibilidad de que fuesen fluctuaciones de la temperatura en el divisor, por ahora, fue descartada, ya que sólo daría cuenta de una tercera parte del ruido.

Sería irónico si un instrumento construído para detectar algo tan vasto como las ondas gravitatorias de origen astronómico, inadvertidamente detectara la minúscula granulosidad del espacio-tiempo.

Mucho trabajo queda aún para establecer algo concreto. Quizás, un instrumento dedicado específicamente a esta búsqueda fuese lo ideal. Con estos hechos, existe una cierta motivación en ese rumbo.

¿Qué significaría si se confirmara el ruido holográfico?

"Olvídate de Quantum of Solace, habríamos observado directamente el quantum del tiempo".

Sería de gran ayuda para los investigadores que tratan de unir la mecánica cuántica con la teoría de la gravedad. Hasta ahora, el acercamiento más popular es la teoría de cuerdas. Según Hogan, descartaría los acercamientos a la gravedad cuántica que no incorporen el principio holográfico y un impulso para los que sí lo hacen. "En última instancia, podríamos tener la primera indicación de cómo el espacio-tiempo emerge de la teoría cuántica".

Fuente: Noticias del Cosmos. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard

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