La gravedad cuántica podría emerger de un universo holográfico

Una nueva investigación sugiere que la gravedad que domina todo el universo a gran escala emerge del mundo cuántico. Usando matemáticas avanzadas, concluye que el principio holográfico puede conciliar gravedad y mecánica cuántica.

Uno de los grandes retos de la física teórica moderna es alumbrar una teoría unificada del universo que describa todas las leyes de la naturaleza en un marco único.

El principal problema que representa este desafío es que el universo, a efectos de la ciencia, presenta una barrera infranqueable, dos mundos aparentemente antagónicos que nunca hemos podido conciliar.

Uno de esos mundos es el universo descrito a gran escala, que se rige por una serie de leyes perfectamente conocidas y que marcan la evolución del universo observable.

El otro es el mundo de lo infinitamente pequeño, de las partículas elementales, que actúan como si el mundo perceptible no tuviera relación alguna con, por ejemplo, los protones, los quarks o los electrones.

Teoría unificada

Una teoría capaz de describir ambos mundos es lo que persigue la física desde que a principios del siglo pasado (1915 y 1916) Albert Einstein publicara la Teoría General de la Relatividad.

Esa teoría describe el universo a gran escala y se basa en un continúo espacio-tiempo que se curva por el efecto que ejerce la gravedad sobre los cuerpos celestes.

En este marco teórico, la gravedad se describe como un fuerza capaz de doblar o curvar el espacio que ocupan los cuerpos celestes, así como de impulsar la expansión acelerada del universo.

Esa curvatura del espacio tiempo que lo abarca todo, no se aprecia en las escalas más pequeñas de la naturaleza, sino que se detiene al nivel de los átomos, la frontera que separa a los dos universos irreconciliables.

Gravedad cuántica

Por debajo del nivel atómico, lo que podemos describir es un universo completamente diferente y en muchos aspectos impenetrable. A distancias minúsculas y energías extremas, los efectos gravitatorios son tan importantes como los cuánticos, pero no han podido medirse.

Lo que más intriga a los físicos es descubrir cómo la gravedad, que todo lo domina en el universo a gran escala, puede surgir del caótico mundo cuántico.

Robert Berman, profesor del Departamento de Matemáticas. Ciencias en la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, describe este desafío con estas palabras: así como los fenómenos cotidianos, como el flujo de un líquido, emergen de los movimientos caóticos de las gotas individuales, queremos saber cómo emerge la gravedad desde el sistema mecánico cuántico, hasta el nivel microscópico.

Emergencia cuántica

Berman y su equipo han logrado un avance significativo en la respuesta a este desafío: usando técnicas matemáticas originales, han formulado una explicación de cómo emerge la gravedad  del mundo cuántico, según explica en un comunicado.

Ha habido intentos anteriores para describir esta emergencia, como la gravedad cuántica o la teoría de cuerdas, pero no se consideran satisfactorios, ni se han comprobado experimentalmente.

La nueva aproximación es algo más original: el lenguaje de las leyes de la naturaleza está escrito mediante matemáticas y lo que han hecho estos investigadores es explorar la gravedad cuántica desde su propia experiencia matemática.

Lo que ha conseguido la nueva investigación es demostrar matemáticamente que la gravedad puede emerger de un principio de la mecánica cuántica conocido como principio holográfico. Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista Nature Communications.

Universo holográfico

El principio holográfico forma parte de la teoría de cuerdas, según la cual las partículas elementales son en realidad estados vibracionales de supuestas cuerdas cósmicas.

Según uno de los inspiradores de la teoría de cuerdas, el físico de Stanford, Leonard Susskind, el mundo tridimensional de la experiencia ordinaria, el universo lleno de galaxias, estrellas y planetas, es en realidad un holograma cuya fuente es la información codificada en una superficie más simple (del mismo universo) que la imagen que proyecta en 3D.

Partiendo de esta suposición, la nueva investigación ha combinado en un marco holográfico diferentes modelos que rigen las partículas y sus ondas, así como la forma en que se transforman en campos.

Equivalente matemático

Considerando que este marco holográfico obliga al universo cuántico a plegarse lo suficiente como para poder medir el efecto de la gravedad en su superficie, según lo que dicta el principio holográfico, los investigadores han descrito por fin el equivalente matemático del funcionamiento de la gravedad en el mundo cuántico.

Este equivalente matemático de la gravedad cuántica es el resultado de las interacciones entre partículas y sus ondas, medidas en un marco holográfico de menos dimensiones, señalan los investigadores.

Consideran que su demostración, puramente matemática, podría, por fin, describir la relación entre la teoría de la gravedad de Einstein y la mecánica cuántica. Algo que solo sería posible si, como se ha especulado, el universo puede ser interpretado como un holograma.

Referencia

Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT. Robert J. Berman et al. Nature Communications volume 13, Article number: 365 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-021-27951-9