Una nueva investigación propone una fórmula para penetrar en el interior de un agujero negro, conciliar física cuántica y relatividad y confirmar la vieja suposición de que el universo es un enorme holograma.
El horizonte de sucesos es un concepto de la relatividad general según el cual existe una variedad algebraica llamada hipersuperficie que marca la frontera entre el tiempo y el espacio.
El horizonte de sucesos señala que es imposible que los eventos que ocurren a uno de los dos lados de esa frontera matemática, afecten a un observador situado al otro lado de ese límite espacio-temporal. Ni siquiera la luz puede librarse de esta limitación.
Los horizontes de sucesos pueden aparecer en diversas circunstancias, pero la más conocida es la frontera espacio-temporal que manifiestan los agujeros negros.
Un agujero negro es un objeto astronómico con una fuerza gravitatoria tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él.
Trillones en el universo
Se calcula que hay al menos 40 trillones de agujeros negros en el universo observable y que, en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos.
Cada uno de esos agujeros negros tiene su propio horizonte de eventos infranqueable, que impide conocer lo que está pasando en su interior.
La novedad sobre los horizontes de sucesos es que un estudio de la Universidad de Michigan ha propuesto una técnica para superar ese obstáculo insalvable y poder asomarse al interior de un agujero negro, desde el espacio-tiempo en el que nos encontramos.
Si esta técnica funcionara, no solo podría resolver uno de los problemas más desafiantes de la ciencia (penetrar en un horizonte de sucesos), sino que también confirmaría que el universo es un holograma. El estudio se ha publicado en la revista PRX Quantum.
¿Universo holográfico?
La hipótesis del universo holográfico, aparecida en los años 90 del siglo pasado, sugiere que toda la información creada por nuestra realidad está contenida en una superficie de dos dimensiones.
Según esta hipótesis, nuestro universo sería algo así como ver en el cine una película en 3D. Vemos la altura, el ancho y la profundidad de las imágenes, pero en realidad emanan de una superficie plana, que es la pantalla cinematográfica.
La idea también es similar a los hologramas clásicos, en los que las imágenes en 3D se encuentran codificadas en una superficie 2D, como ocurre, por ejemplo, con el holograma presente en una tarjeta de crédito.
La diferencia es que en nuestro universo nosotros podemos tocar las cosas y por ello consideramos que estos objetos tridimensionales son reales, dentro de nuestra perspectiva.
Conexión significativa
Pero la holografía tiene una ventaja adicional sumamente atractiva para la exploración científica de lo imposible: proporciona una conexión significativa entre las teorías de la mecánica cuántica convencional (de campos y partículas) y la teoría cuántica de la gravedad.
Esta ventaja ha permitido hablar de la así llamada dualidad holográfica, una conjetura matemática que conecta las teorías de las partículas y sus interacciones, con la teoría de la gravedad.
La teoría de la dualidad holográfica sugiere que la gravedad y la teoría de las partículas son equivalentes: lo que sucede matemáticamente en la teoría de la gravedad, sucede también en la teoría de las partículas, y viceversa.
Con una salvedad: en el marco holográfico, ambas teorías describen diferentes dimensiones, pero no comparten el mismo número de dimensiones que describen.
Si la extrapolamos a los agujeros negros, esta teoría nos dice que dentro de un agujero negro la gravedad existe en tres dimensiones, pero que las partículas elementales que pululan en su interior se desenvuelven en dos dimensiones: forman un disco plano (como la pantalla cinematográfica) que refleja la gravedad en tres dimensiones.
Si esto es realmente así, los autores de la nueva investigación indican que todo nuestro universo sería una proyección holográfica de partículas, y que esto podría conducir a una teoría cuántica consistente con la gravedad.
¿Conciliados por fin?
En este supuesto, la gravedad y la mecánica cuántica serían perfectamente conciliables, señalan los investigadores, que han partido de esta hipótesis para trazar el camino que llevaría a traspasar sin problemas el horizonte de sucesos de un agujero negro.
“En la teoría de la relatividad general de Einstein, no hay partículas, solo hay espacio-tiempo. Y en el modelo estándar de física de partículas, no hay gravedad, solo hay partículas”, explica el autor principal, Enrico Rinaldi, en un comunicado.
Añade que conectar ambas teorías es uno de los desafíos más importantes de la física, y que se puede comprobar la vigencia de la dualidad holográfica, que concilia gravedad y partículas, utilizando la computación cuántica y el aprendizaje profundo, un subconjunto del aprendizaje automático de la Inteligencia Artificial, basado en redes neuronales artificiales.
Gracias a estas dos tecnologías, Rinaldi plantea que es posible penetrar en los modelos de matriz cuántica, que no solo son representaciones de la teoría de partículas, sino también de un tipo especial de agujero negro.
Si sabemos cómo se organizan los modelos de matriz cuántica, dice Rinaldi, podríamos comprobar la esquiva dualidad holográfica y tal vez obtener información sobre la gravedad que domina a un agujero negro.
Modelos de matriz cuántica
Para el estudio, Rinaldi y su equipo utilizaron dos modelos de matriz cuántica lo suficientemente simples como para resolverlos con métodos tradicionales, pero con todas las características de los modelos de matriz cuántica más complicados, que se utilizan para describir agujeros negros a través de la dualidad holográfica.
Eso significa que han dado tal vez con la fórmula de penetrar en un horizonte de sucesos y conocer lo que ocurre en el interior de un agujero negro, no directamente, sino a través de lo que puedan averiguar a través de los modelos de matriz cuántica.
Por lo tanto, consideran que han proporcionado un punto de referencia importante para el trabajo futuro en computación cuántica y algoritmos de aprendizaje automático, que los investigadores pueden usar para explorar la gravedad cuántica a través de la idea de la dualidad holográfica.
Si prosperan estas técnicas, no solo podríamos desentrañar el misterio de los agujeros negros, sino tal vez confirmar también la vieja suposición de que vivimos en un universo holográfico.
Referencia
Matrix-Model Simulations Using Quantum Computing, Deep Learning, and Lattice Monte Carlo. Enrico Rinaldi et al. PRX Quantum 3, 010324; 10 February 2022. DOI:https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010324
