Durante el último siglo, la mayor pelea de bar en la ciencia ha sido entre Albert Einstein y él mismo.
Por un lado está el Einstein que en 1915 concibió la relatividad general, que describe la gravedad como la deformación del espacio-tiempo por la materia y la energía. Esa teoría predijo que el espacio-tiempo podía doblarse, expandirse, desgarrarse, temblar como un bol de gelatina y desaparecer en esos pozos sin fondo de la nada conocidos como agujeros negros.
En el otro lado está el Einstein que, a partir de 1905, sentó las bases de la mecánica cuántica, las reglas no intuitivas que inyectan aleatoriedad al mundo, reglas que Einstein nunca aceptó. De acuerdo con la mecánica cuántica, una partícula subatómica como el electrón puede estar en cualquier lugar y en todas partes a la vez y un gato puede estar vivo y muerto a la vez hasta que se le observa. Dios no juega a los dados, se quejaba a menudo Einstein.
La gravedad gobierna el espacio exterior, dando forma a las galaxias y, de hecho, a todo el universo, mientras que la mecánica cuántica gobierna el espacio interior, el ámbito de los átomos y las partículas elementales. Durante mucho tiempo, ambos ámbitos parecían no tener nada que ver entre sí, lo que dejaba a los científicos mal equipados para entender lo que ocurre en una situación extrema como un agujero negro o el principio del universo.
Sin embargo, en la última década, una avalancha de investigaciones relacionada con la vida interior de los agujeros negros ha revelado conexiones inesperadas entre las dos visiones del cosmos. Las implicaciones son alucinantes, incluida la posibilidad de que nuestro universo tridimensional —y nosotros mismos— seamos hologramas, como las imágenes fantasmales contra la falsificación que aparecen en algunas tarjetas de crédito y permisos de conducir. En esta versión del cosmos, no hay diferencia entre el aquí y el allá, la causa y el efecto, el interior y el exterior o tal vez incluso el entonces y el ahora; los gatos domésticos pueden ser conjurados en el espacio vacío. Todos podemos ser Doctor Strange.
“Puede ser demasiado fuerte decir que la gravedad y la mecánica cuántica son exactamente lo mismo”, escribió Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford, en un artículo de 2017. “Pero los que estamos prestando atención ya podemos intuir que las dos son inseparables y que ninguna tiene sentido sin la otra”.
Esa percepción, esperan Susskind y sus colegas, podría conducir a una teoría que combine la gravedad y la mecánica cuántica —la gravedad cuántica— y tal vez explique cómo comenzó el universo.
Einstein contra Einstein
El cisma entre los dos Einsteins entró en escena en 1935, cuando el físico se enfrentó a sí mismo en un par de artículos académicos.
En uno de ellos, Einstein y Nathan Rosen demostraron que la relatividad general predecía que los agujeros negros (que aún no se conocían con ese nombre) podían formarse en parejas conectadas por atajos a través del espacio-tiempo, llamados puentes Einstein-Rosen o “agujeros de gusano”. En la imaginación de los escritores de ciencia ficción, se podía saltar a un agujero negro y salir del otro.
En el otro artículo, Einstein, Rosen y otro físico, Boris Podolsky, intentaron tirar de la manta de la mecánica cuántica exponiendo una inconsistencia aparentemente lógica. Señalaron que, de acuerdo con el principio de incertidumbre de la física cuántica, un par de partículas una vez asociadas estarían eternamente conectadas, aunque estuvieran a años luz de distancia. La medición de una propiedad de una partícula —su dirección de giro, por ejemplo— afectaría instantáneamente a la medición de su compañera. Si estos fotones fueran monedas al aire y una de ellas saliera cara, la otra resultaría invariablemente cruz.
Para Einstein esta proposición era obviamente ridícula y la desechó como “acción fantasmal a distancia”, pero hoy los físicos lo llaman “entrelazamiento” y los experimentos de laboratorio confirman su realidad cada día. La semana pasada se le concedió el Premio Nobel de Física a un trío de físicos cuyos experimentos han demostrado a lo largo de los años la realidad de esta “acción fantasmal”.
El físico N. David Mermin, de la Universidad de Cornell, calificó en su día esta rareza cuántica como “lo más parecido a la magia”.
Como explicó Daniel Kabat, profesor de física de Lehman College en New York, “estamos acostumbrados a pensar que la información en torno a un objeto —por ejemplo, que un vaso está medio lleno— está de alguna manera contenida en el objeto. El enredo significa que esto no es correcto. Los objetos enredados no tienen una existencia independiente con propiedades definidas por sí mismos. En cambio, sólo existen en relación con otros objetos”.
Probablemente, Einstein nunca imaginó que los dos artículos de 1935 tuvieran algo en común, dijo recientemente Susskind. Pero Susskind y otros físicos especulan ahora que los agujeros de gusano y la acción fantasmal son dos aspectos de la misma magia y, como tales, son la clave para resolver una serie de paradojas cósmicas.
Lanzando dados en la oscuridad
Para los astrónomos, los agujeros negros son monstruos oscuros con una gravedad tan fuerte que pueden consumir estrellas, destrozar galaxias y aprisionar incluso la luz. En el borde de un agujero negro, el tiempo parece detenerse. En el centro de un agujero negro, la materia se encoge hasta una densidad infinita y las leyes físicas conocidas se rompen.
Pero, para los físicos empeñados en explicar esas leyes fundamentales, los agujeros negros son un Coney Island de misterios e imaginación.
En 1974, el cosmólogo Stephen Hawking asombró al mundo científico con un cálculo heroico que demostraba que, para su propia sorpresa, los agujeros negros no eran verdaderamente negros ni eternos cuando se añadían los efectos cuánticos. A lo largo de eones, un agujero negro dejaba escapar energía y partículas subatómicas, se encogía, se calentaba cada vez más y finalmente explotaba. En el proceso, toda la masa que había caído en el agujero negro a lo largo de los años sería devuelta al universo exterior como una efervescencia aleatoria de partículas y radiación.
Esto podría parecer una buena noticia, una especie de resurrección cósmica, pero era una catástrofe potencial para la física. Un principio básico de la ciencia es que la información nunca se pierde; las bolas de billar pueden dispersarse por todas partes en una mesa de billar, pero en principio siempre es posible rebobinar la cinta para determinar en dónde estaban en el pasado o predecir sus posiciones en el futuro, incluso si caen en un agujero negro.
Pero, si Hawking tuviera razón, las partículas que irradian de un agujero negro serían aleatorias, un ruido térmico sin sentido despojado de los detalles de lo que haya caído dentro. Si un gato cayera dentro, la mayor parte de su información —nombre, color, temperamento— sería irrecuperable, se perdería efectivamente de la historia; sería como si abriera su caja de seguridad y descubriera que su certificado de nacimiento y su pasaporte desaparecieron. Como dijo Hawking en 1976, “Dios no sólo juega a los dados, sino que a veces los lanza adonde no se ven”.
Su declaración desencadenó una guerra de ideas de 40 años. “Esto no puede ser cierto”, pensó Susskind, quien se convirtió en el mayor adversario de Hawking en el debate posterior, cuando se enteró de la afirmación de Hawking. “No sabía qué pensar de ello”.
Codificar la realidad
Una posible solución se le ocurrió a Susskind un día de 1993 mientras caminaba por un edificio de física del campus. Allí, en el pasillo, vio la exhibición de un holograma de una mujer joven.
Un holograma es básicamente una imagen en 3D —una tetera, un gato, la princesa Leia— hecha completamente de luz. Se crea iluminando el objeto original (real) con un láser y grabando los patrones de luz reflejada en una placa fotográfica. Cuando la placa se ilumina posteriormente, aparece una imagen en 3D del objeto en el centro.
“‘Oye, aquí hay una situación en la que parece que la información se reproduce de dos maneras diferentes'”, recuerda Susskind que pensó. Por un lado, hay un objeto visible que “parece real”, dijo. “Y por otro lado, está la misma información codificada en la película que rodea al holograma. De cerca, parece un puñado de arañazos y una codificación muy compleja”.
Las combinaciones adecuadas de arañazos en esa película, se dio cuenta Susskind, podrían hacer que cualquier cosa surgiera en tres dimensiones. Entonces pensó: ¿y si un agujero negro fuera en realidad un holograma, con el horizonte de sucesos sirviendo de “película”, codificando lo que había dentro? Era “una idea loca, una idea genial”, recuerda.
Al otro lado del Atlántico, el físico holandés Gerardus ‘t Hooft, premio Nobel de la Universidad de Utrecht, Países Bajos, había tenido la misma idea.
De acuerdo con la relatividad general de Einstein, el contenido informativo de un agujero negro o de cualquier espacio tridimensional —el salón de casa, por ejemplo, o el universo entero— estaba limitado al número de bits que podían codificarse en una superficie imaginaria que lo rodeaba. Ese espacio se medía en píxeles de 10 a la potencia negativa de 33 centímetros de lado, la unidad más pequeña del espacio, conocida como longitud de Planck.
Con píxeles de datos tan pequeños, esto equivalía a cuatrillones de megabytes por centímetro cuadrado: una cantidad estupenda de información, pero no infinita. Intentar meter demasiada información en cualquier región haría que se superara el límite decretado por Jacob Bekenstein, entonces estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton y rival de Hawking, y provocaría su colapso en un agujero negro.
“Esto es lo que descubrimos acerca del sistema de contabilidad de la Naturaleza”, escribió ‘t Hooft en 1993. “Los datos se pueden escribir en una superficie y la pluma con la que se escriben los datos tiene un tamaño finito”.
El universo de la lata de sopa
La idea del cosmos como holograma encontró su máxima expresión unos años después, en 1997. Juan Maldacena, teórico del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, usó las nuevas ideas de la teoría de cuerdas —la “teoría del todo” especulativa que retrata las partículas subatómicas como cuerdas que vibran— para crear un modelo matemático de todo el universo como un holograma.
En su formulación, toda la información relacionada con lo que ocurre dentro de un volumen de espacio se codifica como campos cuánticos en la superficie de la frontera de la región.
El universo de Maldacena se representa a menudo como una lata de sopa: las galaxias, los agujeros negros, la gravedad, las estrellas y el resto, incluidos nosotros, son la sopa del interior, y la información que los describe reside en el exterior, como una etiqueta. Piensa en ello como la gravedad en una lata. El interior y el exterior de la lata —el “bulto” y el “límite”— son descripciones complementarias del mismo fenómeno.
Dado que los campos de la superficie de la lata obedecen a las reglas cuánticas de preservación de la información, los campos gravitatorios del interior de la lata también deben preservar la información. En una imagen así, “no hay lugar para la pérdida de información”, dijo Maldacena en una conferencia en 2004.
Hawking lo admitió: la gravedad no era el gran borrador, después de todo.
“En otras palabras, el universo tiene sentido”, dijo Susskind en una entrevista.
“Es una completa locura”, dijo, en referencia al universo holográfico. “Se podría imaginar en un laboratorio, en un laboratorio suficientemente avanzado, una gran esfera —digamos, una esfera hueca de un material especialmente adaptado— que estuviera hecha de silicio y otras cosas, con algún tipo de campos cuánticos apropiados inscritos en ella”. Entonces se podrían realizar experimentos, dijo: golpear la esfera, interactuar con ella y luego esperar las respuestas de las entidades del interior.
“Por otro lado, se podría abrir esa esfera y no se encontraría nada en ella”, dijo. En cuanto a las entidades de dentro: “No leemos el holograma: somos el holograma”.
Agujeros de gusano por todas partes
Nuestro universo real, a diferencia del modelo matemático de Maldacena, no tiene fronteras ni límite exterior. Sin embargo, para los físicos, su universo se convirtió en una prueba de principio de que la gravedad y la mecánica cuántica eran compatibles y ofreció una fuente de pistas sobre el funcionamiento de nuestro universo real.
Pero, como señaló recientemente Maldacena, su modelo no explicaba cómo la información consigue escapar intacta de un agujero negro ni cómo el cálculo de Hawking en 1974 salió mal.
Don Page, un antiguo alumno de Hawking que ahora trabaja en la Universidad de Alberta, adoptó un enfoque diferente en la década de 1990. Supongamos, dijo, que la información se conserva cuando un agujero negro se evapora; si es así, un agujero negro no escupe partículas de forma tan aleatoria como pensaba Hawking. La radiación comenzaría siendo aleatoria, pero, a medida que pasara el tiempo, las partículas emitidas estarían cada vez más correlacionadas con las que habían salido antes, rellenando esencialmente los huecos de la información perdida. Al cabo de miles y miles de millones de años, toda la información oculta habría surgido.
En términos cuánticos, esta explicación requería que cualquier partícula que ahora escapara del agujero negro estuviera enredada con las partículas que habían salido antes, pero esto presentaba un problema: esas partículas recién emitidas ya estaban entrelazadas con sus compañeras que ya habían caído en el agujero negro, incumpliendo las reglas cuánticas que ordenan que las partículas se entrelacen solo por parejas. El esquema de transmisión de información de Page solo podía funcionar si las partículas del interior del agujero negro eran, de alguna manera, las mismas que las partículas que ahora estaban fuera.
¿Cómo podría ser eso? El interior y el exterior del agujero negro estaban conectados por agujeros de gusano, los atajos a través del espacio y el tiempo propuestos por Einstein y Rosen en 1935.
En 2012 Maldacena y Susskind propusieron una tregua formal entre los dos Einsteins enfrentados: propusieron que el entrelazamiento espeluznante y los agujeros de gusano eran dos caras del mismo fenómeno. Como dijeron, empleando las iniciales de los autores de aquellos dos trabajos de 1935, Einstein y Rosen en uno y Einstein, Podolsky y Rosen en el otro: “ER = EPR”.
“Deberíamos ser capaces de influir en el interior de uno de estos agujeros negros, haciéndole ‘cosquillas’ a su radiación, y así enviar un mensaje al interior del agujero negro”, dijo en una entrevista de 2017 con Quanta. Y añadió: “Parece una locura”.
Ahmed Almheiri, un físico de la Universidad de Nueva York Abu Dhabi, señaló recientemente que, manipulando la radiación que había escapado de un agujero negro, podría crear un gato dentro de ese agujero negro. “Puedo hacer algo con las partículas que irradian del agujero negro y de repente aparecerá un gato en el agujero negro”, dijo.
Y dijo: “Tenemos que acostumbrarnos a esto”.
La implicación es que, en algún extraño sentido, el exterior de un agujero negro era lo mismo que el interior, como una botella de Klein que solo tiene un lado.
¿Cómo podría la información estar en dos lugares a la vez? Al igual que gran parte de la física cuántica, la pregunta deja perpleja a la mente, como la noción de que la luz puede ser una onda o una partícula dependiendo de cómo se haga la medición.
Lo que importa es que, si el interior y el exterior de un agujero negro estuvieran conectados por agujeros de gusano, la información podría fluir a través de ellos en cualquier dirección, hacia dentro o hacia fuera, de acuerdo con John Preskill, físico de California Institute of Technology (Caltech) y experto en computación cuántica.
La agitación metafísica llegó a su punto álgido en 2019. Ese año, dos grupos de teóricos hicieron cálculos detallados que mostraban que la información que se filtraba a través de los agujeros de gusano coincidiría con el patrón predicho por Page. Uno de los trabajos fue el de Geoff Penington, ahora en la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley) y el otro, de Netta Engelhardt, de Massachusetts Institute of Technology (MIT); Don Marolf, de la Universidad de California en Santa Bárbara (UC Santa Barbara); Henry Maxfield, ahora en Stanford; y Almheiri. Los dos grupos publicaron sus trabajos el mismo día.
“Así que la moraleja final de la historia es que, si tu teoría de la gravedad incluye agujeros de gusano, entonces consigues que salga información”, dijo Penington. “Si no incluye agujeros de gusano, entonces es de suponer que no sale información”.
Y añadió: “Hawking no incluyó los agujeros de gusano y nosotros los estamos incluyendo”.
No todo el mundo se ha apuntado a esta teoría; ponerla a prueba es un reto, ya que los aceleradores de partículas probablemente nunca serán lo suficientemente potentes como para producir agujeros negros en el laboratorio para su estudio, aunque varios grupos de experimentadores esperan simular agujeros negros y agujeros de gusano en ordenadores cuánticos.
E incluso si esta física resulta ser exacta, la magia de Mermin tiene un límite importante: ni los agujeros de gusano ni el entrelazamiento pueden transmitir un mensaje, mucho menos a un humano, más rápido que la velocidad de la luz. Esto en cuanto a los viajes en el tiempo. La rareza solo se hace patente a posteriori, cuando dos científicos comparan sus observaciones y descubren que coinciden, un proceso en el que interviene la física clásica, que obedece al límite de velocidad establecido por Einstein.
Como le gusta decir a Susskind: “No puedes hacer que el gato salga de un agujero negro más rápido que la velocidad de la luz”.
