"El espacio-tiempo podría no ser fundamental": hablamos con Juan Maldacena, el 'Einstein' de nuestra época y claro candidato al Nobel de Física
La historia de Juan Martín Maldacena es atípica. Este físico teórico argentino nacido en Buenos Aires obtuvo la titularidad como profesor de física en Harvard (EEUU) con solo 30 años, lo que lo posicionó como el docente titular más joven de la historia de esta prestigiosa universidad. Comenzó sus estudios de Física en la Universidad de Buenos Aires, aunque poco después se trasladó al Instituto Balseiro, uno de los centros de formación científica más prestigiosos de Argentina y una institución de referencia internacional en Física. Se licenció en 1991.
De momento solo podemos intuir que Maldacena era un estudiante realmente bueno, pero, en realidad, su historia acababa de empezar. Después de licenciarse, comenzó su doctorado en Física en la Universidad de Princeton (EEUU), y se doctoró en 1996 con una tesis dedicada a los agujeros negros en el marco de la teoría de cuerdas. Después de investigar durante un año en la Universidad Rutgers, Harvard lo fichó en 1997, y en 1999 consiguió la titularidad. Este último fue un año excepcionalmente prolífico para él.
Y es que su célebre propuesta de la correspondencia AdS/CFT, también conocida como dualidad de Maldacena, vio la luz en 1999. Hablaremos de ella más adelante en este mismo artículo. Ese mismo año, Maldacena comenzó a ejercer como profesor visitante en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, el mismo centro en el que investigaron Einstein, Pauli, Oppenheimer o Dirac. Desde 2016 ocupa la cátedra Carl P. Feinberg en este último centro, y hoy es uno de los mayores expertos mundiales en gravedad cuántica, teoría de cuerdas, agujeros negros y teoría cuántica de campos. Esta es la conversación que hemos mantenido con él.
La incompatibilidad entre relatividad y mecánica cuántica
Reconciliar la descripción de lo muy grande y lo muy pequeño no es nada fácil. De hecho, los físicos teóricos coquetean con la idea de unificar la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica desde hace algo más de un siglo. Prácticamente desde el mismo instante en el que ambas ramas de la física vieron la luz a principios del siglo XX. Aún no lo han conseguido. Y no lo han hecho porque estamos ante el que muchos investigadores consideran el mayor desafío de la física moderna.
La relatividad general se ocupa, a grandes rasgos, de describir la interacción entre la materia (o la energía) y el continuo espacio-tiempo. De esta teoría del campo gravitatorio publicada por Albert Einstein en 1915 se desprende que la materia curva el espacio-tiempo, alterando su geometría, lo que a su vez condiciona la trayectoria tanto de los objetos móviles como de la luz. En su momento esta teoría fue revolucionaria, y a pesar de haber sido puesta a prueba muchísimas veces permanece erguida e intacta.
La mecánica cuántica, en cambio, se ocupa de lo muy pequeño. Del mundo de las partículas y las interacciones a las que están expuestas las estructuras atómicas y subatómicas. Y la mayor parte de esas reglas son radicalmente diferentes a las leyes con las que estamos familiarizados. Richard Feynman y otros físicos han defendido con vehemencia que intentar entender esta rama de la física es un esfuerzo vano. Sus leyes son tan distintas a las que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico que escapan a nuestra comprensión.
La relatividad general y la mecánica cuántica son dos de las teorías más sólidas y exitosas de la física, pero sabemos que no nos ofrecen una descripción completa y definitiva de la naturaleza. ¿Qué cree que nos está diciendo esta incompatibilidad acerca de la realidad?
Maldacena: Por un lado, es cierto que son incompatibles lógicamente, pero, por otro, las aplicamos a dos ámbitos distintos. Usamos la mecánica cuántica para describir objetos muy pequeños y la relatividad general para describir el espacio-tiempo a escalas muy grandes. No es que nos encontremos con esa incompatibilidad en un experimento concreto. En cada experimento que hacemos, una de las dos teorías suele ser más importante. La gravedad nos atrae hacia la Tierra, por ejemplo, pero la Tierra es un objeto muy grande.
Hay pocas situaciones en las que esa incompatibilidad se manifiesta de forma directa, como en el interior de los agujeros negros o en el principio mismo del Big Bang. Esas serían las regiones en las que necesitaríamos aplicar ambas teorías al mismo tiempo. Al principio del Big Bang todo el universo estaba concentrado en una región extremadamente pequeña. Por esa razón, uno pensaría que debería utilizar la mecánica cuántica. Pero, al mismo tiempo, toda la materia y la energía estaban concentradas en esa región, de modo que también tenemos que tener en cuenta la relatividad general.
Por eso, en el principio del Big Bang necesitamos ambas descripciones: tanto la naturaleza cuántica como la propia estructura del espacio-tiempo son importantes.
¿Cree que el espacio y el tiempo son ingredientes fundamentales del universo o, como sugiere una parte de su investigación, podrían ser fenómenos emergentes de una estructura más profunda?
Maldacena: Según la teoría actual, el espacio y el tiempo son elementos fundamentales de la relatividad. Pero las teorías que estamos investigando para tratar de unir la mecánica cuántica con la gravedad en algunas situaciones parecen indicar que el espacio-tiempo podría ser algo emergente.
Esto significa que podríamos tener una descripción más fundamental, relacionada con la mecánica cuántica, de la que surgiría el espacio-tiempo. Lo que entendemos mejor es cómo pueden surgir las dimensiones espaciales, pero creemos que quizá las dimensiones temporales también podrían surgir de una manera similar.
La paradoja de la información de los agujeros negros
Stephen Hawking llegó a la conclusión de que la radiación emitida por un agujero negro podía implicar una pérdida fundamental de información. Hoy tenemos razones bien fundadas para pensar que la información se conserva. ¿Qué cree que fue lo que Hawking no vio? ¿Es posible que la paradoja de la información de los agujeros negros no sea realmente un problema sobre los agujeros negros, sino una pista de que nuestra concepción del espacio-tiempo está incompleta?
Maldacena: La idea de Hawking era que algo que caía dentro del agujero negro permanecía en su interior, y que esa región, de alguna manera, nunca volvía a estar en contacto con el exterior. Por eso se produciría la pérdida de información.
Si pensamos en un agujero negro desde el exterior, es un objeto que se forma y después se evapora, es decir, que emite radiación. Es una predicción teórica. No hemos observado la evaporación de ningún agujero negro que se haya formado porque los agujeros negros normales tienen temperaturas muy bajas y los agujeros negros producidos por procesos astrofísicos tardan muchísimo tiempo en evaporarse. Ninguno se ha evaporado todavía.
"Un agujero negro muy pequeño emitiría radiación de Hawking y terminaría desapareciendo en un tiempo mucho más corto"
Pero un agujero negro muy pequeño emitiría radiación de Hawking y terminaría desapareciendo en un tiempo mucho más corto. Desde el punto de vista del espacio-tiempo exterior, ese proceso parece, en cierto sentido, no muy distinto del de un objeto que colapsa y después explota. Entonces uno pensaría que, si la física puede describirse restringiéndonos a ese espacio-tiempo exterior, la información no debería perderse.
Lo que decía Hawking es que uno no puede restringir la física únicamente a ese espacio-tiempo exterior. Hay un nuevo espacio-tiempo en el interior y, en algunas descripciones, aparecen otras regiones. La pregunta es, básicamente, si la existencia de esas otras regiones implica una pérdida de información para un observador que contempla el proceso desde fuera.
Y lo que ahora se ha encontrado, con más evidencia teórica dentro de la propia estructura de la teoría, es que alguien que permanece en el exterior no perdería esa información. Si uno calcula ciertas medidas de información, llamadas entropía, que son una manera de cuantificarla, hay distintas formas de realizar ese cálculo. Existe una forma derivada de la propia teoría en la que la información se conserva.
El objetivo de entender este problema no es que queramos recuperar la información que cayó en algún agujero negro concreto, sino comprender cuál es la estructura de la teoría y si las leyes de la física son tales que la información se preserva, como ocurre en las demás circunstancias que conocemos.
La correspondencia AdS/CFT sugiere que una teoría con gravedad puede tener una descripción equivalente mediante una teoría cuántica sin gravedad. ¿Qué nos dice esta idea acerca de la naturaleza de la gravedad?
Maldacena: La consecuencia más directa es que algunos aspectos del espacio-tiempo, incluso el espacio-tiempo mismo, pueden ser fenómenos emergentes que surgen a partir de una teoría en la que, al menos, algunas de las dimensiones de ese espacio-tiempo no estaban presentes. Esa es quizá una de las consecuencias.
La otra es que, si uno acepta esta relación, ve que el proceso de formación y evolución de un agujero negro no pierde información y es compatible con las leyes de la mecánica cuántica. Desde el punto de vista de la teoría que no tiene gravedad, la formación del agujero negro se describe como un proceso más o menos normal en el que un sistema se "termaliza", evoluciona y finalmente disipa su energía. Sería algo parecido a una colisión o al colapso de un objeto que tiene una determinada temperatura y después va bajando esa temperatura.
Cuando hablamos del principio holográfico es fácil que el lector imagine que el universo es literalmente una especie de holograma. ¿Cuál es la interpretación correcta y cuál es el principal malentendido que le gustaría corregir?
Maldacena: Uno piensa en el principio holográfico como un principio. Y lo que quiere decir en cualquier caso es que una región del espacio puede describirse mediante un holograma situado en la frontera de esa región, pero lo entendemos de forma concreta solo para ciertos universos. En particular, para universos con curvatura negativa que no se expanden y que no tienen una historia cosmológica como la nuestra. Por eso no sabemos si existe una descripción holográfica precisa para nuestro universo. Quizá la haya, pero todavía no la conocemos.
Entrelazamiento y geometría
La física cuántica no es nada intuitiva. No lo es hoy, algo más de un siglo después de su nacimiento, y, desde luego, no lo era a principios del siglo XX cuando algunos de los físicos teóricos más eminentes de aquella época comenzaron a coquetear con ella. Uno de ellos fue Albert Einstein. Ha trascendido que uno de los fenómenos más exóticos de la mecánica cuántica, el entrelazamiento cuántico, le parecía tan extraño cuando lo predijo en 1935 junto a Podolsky y Rosen que llegó a describirlo como "una acción fantasmal a distancia" con el propósito de defender la imposibilidad de que aquella predicción fuese correcta.
Pero sí, el entrelazamiento cuántico existe. Los científicos lo saben desde que en 1949 la física china-estadounidense Chien-Shiung Wu y el estadounidense Irving Shaknov lo comprobaron experimentalmente por primera vez. De hecho, es uno de los mecanismos que hacen posible el correcto funcionamiento de los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos actualmente. Este fenómeno no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo.
Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa. Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del universo.
Una de las ideas más sorprendentes de las últimas décadas es que el entrelazamiento cuántico podría estar relacionado con la geometría del continuo espacio-tiempo. ¿Podría explicarnos cómo algo tan abstracto como el entrelazamiento cuántico puede acabar dando lugar a algo que nosotros percibimos como una distancia?
Maldacena: Empecemos tratando de describir lo contrario. Si uno mide cuánto vale un campo en un punto determinado del espacio, no va a encontrar necesariamente que sea cero. Tenemos, por ejemplo, el campo eléctrico o el magnético. Son variables parecidas a la posición y el momento de una partícula, que están sujetas al principio de incertidumbre de Heisenberg.
"Incluso en el vacío, el estado de un campo cualquiera está entrelazado"
Entonces, si uno mide el campo en un lugar, obtiene un resultado aleatorio. Y si realiza esas mediciones en dos lugares distintos, los resultados estarán correlacionados. Lo que uno mide en un punto cualquiera es un número al azar, pero lo que mide en dos puntos está correlacionado.
Eso es lo que ocurre tanto con el campo eléctrico como con el magnético. Son variables sujetas al principio de incertidumbre y, al mismo tiempo, están correlacionadas. Esto es el entrelazamiento cuántico: tener variables correlacionadas cuyas propias variables están relacionadas por el principio de incertidumbre.
Lo que quiero explicar es que, incluso en el vacío, el estado de un campo cualquiera está entrelazado. Esto significa que existen correlaciones entre las mediciones que hacemos en dos regiones del espacio. Esas correlaciones son mayores cuanto más cerca están esas regiones. Si medimos dos puntos que están muy lejos, no están muy correlacionados. Pero si medimos dos puntos que están muy cerca, están mucho más correlacionados.
Se puede calcular la cantidad de correlación que existe entre dos regiones. Y cuando se observa qué ocurre al acercarlas, en una teoría cuántica de partículas esa correlación presenta una divergencia a distancias muy pequeñas relacionada con el área de las regiones y con la distancia que las separa.
En una teoría cuántica de la gravedad esa correlación no sería infinita; sería finita y proporcional al área de esa región, expresada en unidades de la longitud de Planck. Esta fórmula basada en el área para calcular esa cantidad de correlación, que a veces llamamos entropía de entrelazamiento, se desarrolló inicialmente en relación con la entropía de los agujeros negros y después se extendió al problema del entrelazamiento.
"Schwarzschild encontró una solución que describía lo que ahora llamaríamos el exterior de un agujero negro"
La extensión la hicieron dos físicos japoneses hace unos 20 años. Esta fórmula (el hecho de que la entropía sea finita en lugar de infinita) sugiere que, si tomáramos dos sistemas que no están relacionados y los correlacionáramos precisamente de la manera en que está correlacionado el espacio-tiempo, podríamos llegar a unir las dos regiones. Es una idea un poco intuitiva: si encontramos el patrón de entrelazamiento correcto, podríamos conectar las dos regiones.
Una idea relacionada con esta es que existen determinadas soluciones de las ecuaciones de Einstein. La solución quizá más sencilla, que es esféricamente simétrica, es la que Schwarzschild encontró un año después de que Einstein formulara sus ecuaciones. Schwarzschild encontró una solución que describía lo que ahora llamaríamos el exterior de un agujero negro.
Pero la solución completa, en realidad, continúa y describe más regiones. Describe dos regiones exteriores y regiones interiores asociadas a los agujeros negros. En esa extensión completa, dos regiones exteriores aparecen conectadas mediante un puente de Einstein-Rosen.
Si pensamos en un agujero negro como un objeto, no podemos considerarlo simplemente como un objeto situado en el espacio, sino como un sistema con una entropía y un número finito de grados de libertad relacionados con el área del horizonte.
Entonces es natural interpretar esta solución de Schwarzschild como dos agujeros negros cuyos estados cuánticos están correlacionados mediante un tipo de correlación que existe en la mecánica cuántica y que llamamos entrelazamiento.
Esta es una interpretación de la solución. No estoy diciendo que vayamos a encontrar esa solución de Schwarzschild en el espacio, ni que sea fácil construirla o que pueda aparecer de forma natural. Simplemente es una configuración posible dentro del conjunto de configuraciones de una teoría.
La interpretación de esta configuración es la de un estado entrelazado de dos agujeros negros entrelazados de una manera muy particular. Tiene una propiedad de entrelazamiento similar a la que habíamos mencionado antes para el espacio vacío. En este caso, los dos agujeros negros están conectados a través de una geometría que forma un espacio continuo entre ambas regiones. Entonces en ese caso uno pensaría que si tiene dos agujeros negros y los entrelaza de esta manera debería obtener un espacio conectado.
Si unimos esto con las conjeturas holográficas, según las cuales un agujero negro y su exterior pueden describirse mediante un sistema cuántico, podríamos tener un sistema cuántico entrelazado de esta manera particular que formaría uno de estos llamados agujeros de gusano.
"Los dos agujeros negros están conectados a través de una geometría que forma un espacio continuo entre ambas regiones"
Esta solución completa también puede interpretarse como un agujero de gusano: un agujero de gusano muy especial, conectado de una manera particular, que depende del tiempo y que no se puede atravesar. Por tanto, este es un tipo de entrelazamiento que puede existir en un sistema cuántico. En principio, podemos pensar en entrelazamientos similares en sistemas cuánticos más sencillos, aunque no tengan un origen gravitatorio. Se parecen en algunos aspectos.
Los investigadores han tratado de estudiar cómo serían esos entrelazamientos e incluso de producirlos en ordenadores cuánticos. De hecho, ha habido experimentos en los que se han producido estados de este tipo. Pero existe cierta discusión sobre cuánto se parecen realmente al caso del espacio-tiempo. Quizá en el futuro tengamos situaciones que se parezcan cada vez más. A medida que podamos manipular sistemas cuánticos con mayor precisión, estos podrían reproducir de una manera cada vez más fiel algunas de las propiedades que esperaríamos encontrar en el espacio-tiempo.
Lo que quería enfatizar es que esto es algo que se está intentando hacer, y que estamos empezando a conseguir: producir sistemas que puedan tener una descripción gravitatoria. No estamos produciendo un agujero negro tan grande como los que existen en el universo. Sería un agujero negro supermicroscópico que apenas podría describirse mediante la gravedad de Einstein.
Todavía no se ha producido ninguno que pueda describirse mediante la gravedad de Einstein. Para ello necesitaríamos ordenadores más potentes que los que tenemos ahora, o un simulador cuántico mucho más potente.
Agujeros de gusano
Para hablar de los agujeros de gusano tenemos que recurrir, además de a la geometría, a algo aún más complicado llamado topología. Supongamos que tenemos una hoja de papel y que la enrollamos para darle forma de cilindro. Si inicialmente hubiésemos dibujado un triángulo en la hoja de papel, sus ángulos después de enrollarla para constituir con ella un cilindro continuarán sumando 180 grados. Esto nos está indicando que este espacio parece curvo porque lo hemos metido en un espacio tridimensional, que es el que tenemos en nuestro cilindro. Lo más curioso es que podemos hacer una cosa todavía más perversa: convertir el cilindro en una rosquilla, cerrándolo.
Al hacerlo nos daremos cuenta de que ahora tiene un agujero, y este orificio es importante porque es una propiedad topológica del objeto con el que estamos trabajando que no podemos borrar. Es obvio que hay una diferencia importante entre espacios planos y espacios como el de nuestra rosquilla, que, a pesar de ser planos, tienen agujeros. Los agujeros de gusano tienen mucho que ver con esto. Si tomamos de nuevo una hoja de papel, que es un espacio plano, y le dibujamos dos puntos separados por una cierta distancia, de manera que representen dos puntos del espacio-tiempo, podemos doblarlo con el propósito de que un punto quede encima del otro.
Ahora dos puntos que estaban muy alejados en el espacio-tiempo resulta que están muy cerca, uno encima del otro. Si cogemos una aguja y hacemos un agujero en la hoja para que un punto llegue al otro, habremos construido una especie de puente entre ellos. Desde un punto de vista geométrico esto es un agujero de gusano, de modo que se trata de un objeto que pone en contacto cercano dos puntos que inicialmente podían estar muy distantes en el espacio-tiempo. En realidad lo que hemos hecho es darle una topología nueva, de modo que nuestro espacio-tiempo ya no tiene una topología sencillísima; tiene una más complicada.
Si ahora extendemos el plano de nuevo lo que sucederá es que el agujero de gusano se transformará en una especie de asa, y esa asa tendrá un agujero. Todas las ideas en las que podemos indagar acerca de los agujeros de gusano tienen que ver con estas topologías complicadas en las que hay asas y agujeros. La teoría de la relatividad general es una ecuación fundamental, y tiene varias soluciones. Precisamente, algunas de estas soluciones describen los agujeros de gusano, y han sido comprobadas con mucha precisión, pero siempre localmente.
Usted y Leonard Susskind propusieron una conexión entre los agujeros de gusano y el entrelazamiento cuántico. ¿Qué tendría que ocurrir para que pudiéramos considerar que esta idea es algo más que una conjetura útil?
Maldacena: La idea es que se trata de un principio que debería ser correcto en todos los casos. Hemos hablado bastante del caso de dos agujeros negros entrelazados que deberían producir esa conexión. En ese caso parece que la idea funciona, pero no sabemos hasta qué punto es correcta en todos los casos.
Por ejemplo, incluso para agujeros negros, el patrón de correlaciones no es exactamente el que produce la solución de Schwarzschild, sino que puede ser un poco diferente. Si es solo ligeramente diferente, la conexión podría seguir existiendo. Pero si es muy diferente, esa conexión podría corresponder a un espacio muy largo, quizá a un espacio que no esté bien definido o que deje de poder describirse mediante las ecuaciones de Einstein.
"Lo que sí está claro es que no siempre podremos describir el espacio-tiempo mediante las ecuaciones de Einstein"
Lo que sí está claro es que no siempre podremos describir el espacio-tiempo mediante las ecuaciones de Einstein. Incluso si la conjetura fuera cierta, tendría que serlo dentro de una teoría cuántica completa de la gravedad que vaya más allá de la teoría de Einstein y que pueda describir, en principio, conexiones extremadamente pequeñas, como las que tendríamos entre cúbits entrelazados. Pero no sabemos hasta qué punto es general.
Déjame decirlo de una manera quizá más clara. El entrelazamiento cuántico existe claramente en cualquier situación cuántica. Pero el puente de Einstein-Rosen, este agujero de gusano, solo aparece en determinadas situaciones. Si el espacio-tiempo es muy grande, la cantidad de entrelazamiento sería muy grande. Si el espacio-tiempo es muy pequeño, la cantidad de entrelazamiento sería muy pequeña. No sabemos todavía cómo debemos interpretar esa situación en general.
¿Qué pueden enseñarnos los ordenadores cuánticos sobre la gravedad?
Durante los últimos años se han llevado a cabo experimentos, como usted ha mencionado hace un momento, con procesadores cuánticos que reproducen comportamientos vinculados teóricamente con los agujeros de gusano. ¿Hasta qué punto cree que estas simulaciones nos están enseñando algo genuino sobre la gravedad cuántica y dónde están los límites de lo que un ordenador cuántico puede simular de un universo con gravedad?
Maldacena: Hay un punto de vista desde el que uno podría decir: lo único que se está haciendo es simular un sistema cuántico. La idea de que eso describe la gravedad está en nuestra mente. Pero quizá eso deje de ser así, al menos en determinados casos.
Creo que en el futuro será posible simular situaciones en las que podamos calcular los resultados del experimento utilizando las leyes de la gravedad de Einstein. Es decir, resolveremos un problema con las ecuaciones de Einstein y calcularemos resultados que después podremos medir con el simulador cuántico. Cuando eso ocurra, creo que será un poco más difícil decir que esa descripción gravitatoria está solamente en nuestra mente.
Es extremadamente ilusionante pensar que tenemos un recurso que hace pocos años no teníamos y que probablemente nos va a ayudar a desarrollar nuestra comprensión del universo mucho más allá de lo que podíamos imaginar hasta hace poco...
Maldacena: Sí, desde luego. Creo que el hecho de poder simular sistemas que se pueden describir aproximadamente con las ecuaciones de Einstein nos llevará a plantearnos nuevas preguntas y a entender mejor determinados aspectos de la gravedad.
Quizá debería enfatizar que el tipo de universos o situaciones que podremos simular serán, en primer lugar, supermicroscópicos, para nada comparables con nuestro universo. En segundo lugar, no serán universos en expansión como el nuestro. Tendrán algunas diferencias importantes, pero, a pesar de ellas, esperamos aprender algunas lecciones que quizá sean válidas de una forma más general.
En conversaciones recientes, usted ha sugerido que uno de los problemas más profundos de la gravedad cuántica podría no estar en los agujeros negros, sino en el Big Bang. ¿Por qué cree que el inicio del universo puede ser un desafío aún mayor que la paradoja de la información? ¿Qué ideas o herramientas de la correspondencia AdS/CFT podrían ayudarnos a comprender ese momento?
Maldacena: Sí, efectivamente, el caso de un agujero negro es un poco más sencillo. La razón es que la curvatura del espacio-tiempo en el interior del agujero negro es muy grande, pero si uno se desplaza hacia el exterior es menor y, si se aleja mucho del agujero negro, es todavía menor.
Uno puede tener una situación en la que la geometría del espacio-tiempo es muy estable lejos del agujero negro. Al tener esa geometría bien definida, uno puede pensar en experimentos que podría realizar, al menos imaginariamente. Tiene preguntas bien definidas que, en principio, pueden recibir una descripción matemáticamente precisa. Y eso es lo que se ha logrado en determinadas situaciones.
"El caso del Big Bang es más complicado porque nosotros estamos dentro de ese espacio-tiempo y toda su geometría está evolucionando"
El caso del Big Bang es más complicado porque nosotros estamos dentro de ese espacio-tiempo y toda su geometría está evolucionando, con una curvatura muy grande en sus primeras etapas. No podemos alejarnos hasta una región exterior que no se esté expandiendo y que nos proporcione un entorno sencillo desde el que estudiar el Big Bang. Además, de ese mismo Big Bang surgen los observadores. Surgimos nosotros, que somos quienes estamos intentando observar y describir el universo.
El hecho de tener que describir también al observador, y de que las observaciones no puedan realizarse con una precisión matemática infinita, sino que necesariamente tengan una precisión finita, hace más difícil abordar algunos problemas de gravedad cuántica que podemos evitar en el caso de los agujeros negros, pero que tenemos que afrontar en cosmología. Por eso es más difícil.
En cosmología uno forma parte del sistema. En la mecánica cuántica tradicional pensamos que estamos fuera del sistema, y esa es una aproximación que puede funcionar en el caso de un agujero negro porque podemos situarnos muy lejos de él y considerar que somos el sistema exterior que lo está observando. Pero cuando somos parte del sistema, todo se vuelve más complicado.
El gran problema de la física fundamental
Si tuviera que elegir un solo problema de la física fundamental cuya solución pudiera cambiar radicalmente nuestra visión del universo, ¿cuál elegiría hoy?
Maldacena: Entender el principio del Big Bang del que habíamos estado hablando: el principio de la expansión del universo, lo que ocurrió antes de la inflación. A veces la gente llama Big Bang a la fase dominada por la radiación. Antes de eso, quizá hubo otro periodo que llamamos periodo inflacionario.
Tenemos menos evidencia de ese periodo, aunque tenemos algunos indicios, y ahora estamos hablando de lo que ocurrió antes de él. Es decir, antes de... el principio de todo.
Durante décadas hemos buscado nuevas partículas, nuevas simetrías y nuevas dimensiones. ¿Cree que la próxima gran revolución de la física llegará mediante el descubrimiento de una nueva partícula, mediante una nueva teoría de la gravedad? ¿O quizá mediante una idea completamente diferente?
Maldacena: Bueno, es difícil saberlo. La exploración del universo a distancias cada vez más pequeñas, cuya frontera experimental está ahora en el CERN, no ha descubierto ninguna partícula nueva además del bosón de Higgs.
Antes se pensaba que quizá había muchas otras partículas además del bosón de Higgs. Hasta ahora no hemos encontrado ninguna, y ese es uno de los resultados más importantes que tenemos. Y esa exploración a distancias cada vez más pequeñas continuará, me imagino.
"Probablemente las observaciones relacionadas con la gravedad cuántica y con los problemas de los que hemos hablado lleguen a través de observaciones cosmológicas"
Quizá descubramos las partículas que dan origen a la materia oscura. No lo sabemos. Quizá descubramos otras partículas. Quizá descubramos que algunas de las partículas que conocemos están hechas de otras más pequeñas.
El problema de la gravedad cuántica involucra distancias muchísimo más pequeñas, a las que quizá no podamos acceder directamente en un futuro muy cercano, al menos por lo que conocemos ahora.
Podemos tener mucha suerte y que se descubra un tipo de partículas que después sean fáciles de acelerar y manipular, y que eso nos permita alcanzar energías mayores. Podríamos imaginar que, si la naturaleza estuviera especialmente diseñada para nosotros, acceder a las distancias de Planck podría ser posible.
Pero, por otro lado, están las observaciones. Probablemente las observaciones relacionadas con la gravedad cuántica y con los problemas de los que hemos hablado lleguen a través de observaciones cosmológicas, mediante alguna información o alguna propiedad de la naturaleza que ahora no creemos que esté relacionada con la cosmología, pero que quizá en el futuro entendamos que sí lo está. Podría ser alguna de las propiedades de las partículas elementales o alguna propiedad del universo a gran escala.
Después de décadas intentando comprender qué son el espacio, el tiempo, la materia y la información, ¿cuál es la idea sobre la naturaleza de la realidad que hoy le parece más probable y que hace 30 años le habría parecido completamente absurda?
Maldacena: Es una pregunta complicada. Voy a empezar diciendo simplemente que la posibilidad que me parece más probable es que el espacio-tiempo no sea fundamental, sino que esté descrito de otra manera.
Y que quizá la mecánica cuántica tampoco sea fundamental, sino que exista una teoría más fundamental que no involucre la mecánica cuántica. Una teoría quizá puramente estadística, de la que, de alguna manera, surjan tanto la mecánica cuántica como la gravedad, porque ambas parecen estar íntimamente relacionadas. Por lo tanto, si el espacio es emergente, quizá también lo sea la mecánica cuántica.
Imagen | Juan Maldacena (procesada con ChatGPT)
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