Una extraña coincidencia
Durante más de 100 años, la física cuántica y la gravedad se han resistido a la unificación en una teoría general de la gravedad cuántica. La teoría de cuerdas, en la que los componentes fundamentales de nuestro mundo se describen como pequeñas cuerdas vibrantes, ofrece una supuesta solución. Pero las matemáticas involucradas son extremadamente desafiantes y las consecuencias de la teoría son difíciles de descifrar.
En la década de 1990, el físico Juan Maldacena, del Instituto de Estudios Avanzados, demostró en un artículo innovador que los complicados cálculos de la teoría de cuerdas a veces pueden eludirse; algunos de ellos pueden trasladarse a conceptos bien conocidos de la física de partículas. El problema: este enfoque sólo funciona si el universo tiene una geometría extraña «anti-de Sitter».
Un universo anti-de Sitter puede considerarse como una pantalla de lámpara. Todo lo que sucede en el interior, desde partículas que chocan hasta agujeros negros que giran, se vuelve visible a través de las sombras en la superficie de la pantalla. Es como si el universo 3D dentro de la lata correspondiera a la sombra bidimensional proyectada. Los físicos llaman a este concepto holografía.
© marian / Getty Images / Momento (detalle)
Universo holográfico | Toda la información dentro de un universo podría codificarse en sus bordes, o eso dice el principio holográfico. Pero esto sólo se ha demostrado en el caso de extrañas geometrías “anti-de Sitter” que difieren de la forma de nuestro universo.
La holografía ha dado lugar a varios descubrimientos importantes. En 2019, Maldacena, junto con Ahmed Almheiri, Raghu Mahajan y Ying Zhao, utilizaron el principio holográfico para comprender mejor lo que sucede dentro de un agujero negro. A partir de trabajos anteriores, finalmente desarrollaron la “fórmula de la isla”, que traza los bordes de diferentes regiones dentro de un agujero negro. La fórmula les ayudó a ellos y a otros a resolver un misterio de larga data: ¿cómo pueden los agujeros negros revelar información sobre lo que cayó en ellos?
Este éxito dio a los físicos la confianza de que la fórmula de la isla también podría ayudar en el desarrollo de una teoría cuántica de la gravedad. “Un punto importante aquí es la cosmología cuántica”, dice Henry Maxfield, físico de la Universidad de Stanford, es decir, el intento de comprender el universo primitivo.
El problema es que no vivimos en un cosmos anti-De Sitter. Dado que nuestro universo parece estar en continua expansión, no puede tener límites. Por muy lejos que viajes, nunca llegarás a un límite. Una forma de explicar esto es una geometría «cerrada»: en este caso, un viajero que se mueve en línea recta siempre regresa en algún momento al punto de partida, como cuando vuela constantemente hacia el este en un avión.
Dado que nuestro universo podría ser cerrado, Maldacena aplicó la fórmula de la isla a dicho modelo. Descubrió algo que a sus colegas les costaba aceptar: la región cerrada parecía casi vacía. «Me quedé bastante sorprendido», dice el físico Zhao. «Traté de discutirlo con él». Pasarían muchos años más antes de que Zhao finalmente encontrara una laguna en el universo de Maldacena.
Un universo completamente vacío
En los universos cerrados estudiados por Maldacena no faltaba ni masa ni energía. Faltaba algo mucho más importante: información.
En física cuántica se deben tener en cuenta todos los estados posibles de un sistema físico. Para ello, los expertos utilizan un concepto abstracto llamado espacio de Hilbert. Lleva el nombre del matemático alemán David Hilbert y su tamaño está relacionado con el número de estados cuánticos. Cuanto mayor sea el número de dimensiones, mayor será la cantidad de información que los espacios de Hilbert pueden codificar.
Por ejemplo, un sistema tan simple como un bit de computadora, que puede ser cero o uno, podría tener un espacio de Hilbert bidimensional. Pero la mayoría de los sistemas cuánticos son mucho más complejos. Incluso un solo átomo de hidrógeno: su electrón puede alcanzar niveles de energía cada vez más altos si se le añade más energía. Por tanto, el número de estados posibles es ilimitado y el espacio de Hilbert asociado es infinitamente dimensional. De hecho, esto es cierto para la mayoría de los sistemas cuánticos reales.
© Jürgen Fälchle / stock.adobe.com (extracto)
Universos recién nacidos | ¿Hay otros universos además del nuestro flotando en el espacio como pompas de jabón gigantes? Algunos investigadores están convencidos de esta idea, pero es prácticamente imposible comprobarlo.
Por tanto, los expertos suponen que nuestro universo también tiene un número infinito de estados. Pero cuando Maldacena aplicó la fórmula de la isla a un universo cerrado, el espacio de Hilbert asociado tenía sólo una dimensión. Por lo tanto, todo el universo teórico y todo lo que contiene sólo puede estar en un único estado cuántico.
Este patrón se repitió cuando los expertos examinaron otros tipos de universos cerrados. Mientras el grupo de Maldacena se centró en los agujeros negros, Maxfield y su colega Donald Marolf se centraron en hipotéticas burbujas cuánticas en el espacio-tiempo, los llamados universos bebés. Encontraron la misma extraña sencillez. Esta forma aparentemente simple se ha convertido en tendencia. “Al final lo creímos”, resume Zhao.
Vuelve la complejidad
Los cálculos muestran repetidamente que cada universo cerrado tiene un solo estado posible. Parece paradójico. Porque nuestro universo, quizás cerrado, parece infinitamente más complejo. «Sólo en mi escritorio hay una cantidad infinita de estados», dice Edgar Shaghoulian, físico de la Universidad de California en Santa Cruz. ¿Cómo se puede explicar esto?
En 2023, Shaghoulian reconoció algo en común con otra área de investigación. Este extraño comportamiento ha aparecido anteriormente en teorías de campos topológicos, que pueden usarse para describir la forma de espacios geométricos. Y resulta que las teorías de campos topológicos también tienen espacios de Hilbert unidimensionales. Pero si se divide el espacio geométrico en múltiples áreas, se puede describir de muchas maneras diferentes. Para capturar todas estas nuevas posibilidades, se necesita un espacio de Hilbert más grande. «Las reglas del juego están cambiando», afirma Shaghoulian. Por tanto, el físico sospechaba que podría existir una forma similar de dividir un universo cerrado. Para ello puso en juego a un observador.
La mecánica cuántica distingue entre un observador (por ejemplo, una persona que realiza un experimento) y el sistema que está observando. El sistema suele ser algo pequeño y cuántico como un átomo. Un observador, sin embargo, es macroscópico y, por tanto, está bien descrito por la física clásica. Shaghoulian reconoció que esta división en macrocosmos y microcosmos es similar a la división de espacios geométricos que expande los espacios de Hilbert de las teorías topológicas de campos. ¿Quizás un observador podría tener el mismo efecto en los espacios de Hilbert que en los universos cerrados?
En 2024, Zhao se trasladó al Instituto de Tecnología de Massachusetts, donde aprovechó esta oportunidad. Junto con sus dos colegas Daniel Harlow y Mykhaylo Usatyuk reconoció que el observador introduce un nuevo tipo de frontera. Pudieron demostrar que un observador clásico dentro de un universo cerrado informa de toda la complejidad del mundo. El equipo publicó sus hallazgos a principios de 2025, casi al mismo tiempo que otro equipo de investigación presentó una idea similar.
Sin embargo, aún no se conoce la solución completa al misterio. La paradoja en sí podría ser un malentendido que se resuelve con un nuevo argumento físico.
Pero hasta ahora la única explicación es introducir un observador en el universo cerrado e intentar explicar su presencia. »¿Puedo realmente decir con confianza que es correcto y que resuelve el problema? No lo creo. Pero estamos haciendo lo mejor que podemos”, afirma Zhao.
Si la idea resulta cierta, la naturaleza subjetiva del observador conduciría a un cambio de paradigma en la física. Los físicos normalmente buscan una visión objetiva, una descripción independiente de la naturaleza. Quieren saber cómo funciona el mundo y cómo los observadores se vuelven parte de él. Pero cuanto más se ocupan los expertos de universos cerrados, menos parece posible esta objetividad. Quizás las opiniones subjetivas sean todo lo que podamos lograr.
