GEO600 y los hologramas

Conduciendo a través de las afueras al sur de Hanover, sería fácil pasar por alto el experimento GEO600. Desde fuera no tiene un aspecto impresionante: en una esquina de un campo se eleva una variedad de edificios cuadrados temporales, desde los cuales surgen dos zanjas, en ángulo recto entre sí, cubiertas con hierro corrugado. Bajo las capas de metal, no obstante, se encuentra un detector que se extiende 600 metros. Durante los últimos ocho años, esta configuración alemana ha estado buscando ondas gravitatorias – ondulaciones en el espacio-tiempo arrojadas por objetos astronómicos densos tales como estrellas de neutrones y agujeros negros. GEO600 no ha detectado ninguna onda gravitatoria hasta el momento, pero podría haber hecho de forma inadvertida el descubrimiento más importante de la física en el último medio siglo.

Durante muchos meses, los miembros del equipo GEO600 habían estado rascándose la cabeza debido a un inexplicable ruido que plaga el detector gigante. Entonces, cuando menos lo esperaban un investigador se aproximó a ellos con una explicación. De hecho, incluso deberían haber predicho el ruido antes de saber que lo estaban detectando. De acuerdo con Craig Hogan, físico en el laboratorio de física de partículas en el Fermilab en Batavia, Illinois, GEO600 se ha topado con el límite fundamental del espacio-tiempo – el punto donde el espacio-tiempo deja de comportarse como el continuo suave que Einstein describe y en lugar de esto se disuelve en “granos”, de la misma forma que la fotografía de un periódico se disuelve en puntos cuando la amplías. “Parece que GEO600 está siendo sacudido por las convulsiones cuánticas microscópicas del espacio-tiempo”, dice Hogan.
Si esto no ha servido para dejarte mareado, entonces Hogan, que acaba de ser seleccionado como director del Centro de Astrofísica de Partículas del Fermilab, tiene aún otra impactante noticia en la manga: “Si el resultado es lo que sospecho que es, entonces estamos viviendo en un holograma cósmico gigante”.
La idea de que vivimos en un holograma probablemente suena absurda, pero es una extensión natural de nuestra mejor comprensión de los agujeros negros, y algo con un equilibrio teórico bastante firme. También ha sido sorprendentemente útil para los físicos que luchan con las teorías de cómo funciona el universo a su nivel más fundamental. Los hologramas que encuentras en las tarjetas de crédito y billetes están impresos en películas de plástico bidimensionales. Cuando la luz rebota en ellos, recrea la apariencia de una imagen 3D. En la década de 1990 el físico Leonard Susskind y el ganador del Premio Nobel Gerard ‘t Hooft sugirieron que el mismo principio podría aplicarse a todo el universo globalmente. Nuestra experiencia cotidiana podría ser una proyección holográfica de procesos físicos que tienen lugar en una lejana superficie en 2D. El principio holográfico reta a nuestros sentidos. Parece difícil creer que levantarse, cepillarse los dientes y leer este artículo es algo que sucede porque algo está teniendo lugar en los límites del universo. Nadie sabe qué significaría para nosotros si realmente vivimos en un holograma, aunque los teóricos tienen buenas razones para creer que muchos aspectos del principio holográfico son ciertos.

La notable idea de Susskind y ‘t Hooft estaba motivada por el innovador trabajo sobre los agujeros negros de Jacob Bekenstein de la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel y de Stephen Hawking en la Universidad de Cambridge. A mediados de la década de 1970, Hawking demostró que los agujeros negros no son, de hecho, completamente “negros” sino que emiten radiación, lo que provoca que se evaporen y finalmente desaparezcan. Esto propone un misterio, debido a que la radiación de Hawking no porta ninguna información sobre el interior de un agujero negro. Cuando el agujero negro se ha marchado, toda la información sobre la estrella que colapsó para formar el agujero negro se ha desvanecido, lo cual contradice el principio ampliamente afirmado de que la información no puede destruirse. Esto se conoce como la paradoja de la información de los agujeros negros. El trabajo de Bekenstein proporcionó una pista importante para resolver la paradoja. Descubrió que la entropía de un agujero negro – la cual es sinónimo de la información que contiene - es proporcional al área de la superficie de su horizonte de eventos. Esta es la superficie teórica que oculta al agujero negro y marca el punto de no retorno para la luz o materia que caen. Los teóricos han demostrado desde entonces que las ondas cuánticas microscópicas en el horizonte de eventos pueden codificar la información del interior del agujero negro, por lo que no existe misteriosa pérdida de información cuando los agujeros negros se evaporan.

Crucialmente, esto proporciona una profunda visión física: la información en 3D sobre la estrella precursora puede ser codificada en el horizonte 2D del posterior agujero negro - no muy distinto a como la imagen en 3D de un objeto se codifica en un holograma en 2D. Susskind y ‘t Hooft extendieron la visión al universo como un todo en base a que el cosmos también tiene un horizonte –el límite desde el que más allá la luz no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros en el tiempo de vida de 13 700 millones de años del universo. Es más, el trabajo de varios teóricos de cuerdas, muy notablemente el de Juan Maldacena en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, ha confirmado que la idea está en el buen camino. Demostró que la física dentro de un universo hipotético con cinco dimensiones y con la forma de una “patata Pringle” es la misma que la física que tiene lugar en el límite de cuatro dimensiones.
De acuerdo con Hogan, el principio holográfico cambia radicalmente nuestra descripción del espacio-tiempo. Los físicos teóricos han creído desde hace mucho tiempo que los efectos cuánticos provocarán que el espacio-tiempo convulsione alocadamente en las escalas más pequeñas. En esta ampliación, el tejido del espacio-tiempo se hace granulado y está finalmente hecho de diminutas unidades como píxeles, pero cien trillones de veces menor que un protón. Esta distancia es conocida como longitud de Planck, apenas 10-35 metros. La longitud de Planck está mucho más allá del alcance de cualquier experimento concebible, por lo que nadie osó soñar que la granularidad del espacio-tiempo puediese ser discernible. Es decir, no hasta que Hogan se dio cuenta de que el principio holográfico lo cambia todo. Si el espacio-tiempo es un holograma granular, entonces puedes pensar en el universo como en una esfera cuya superficie exterior está empapelada con cuadrados del tamaño de la longitud de Planck, conteniendo cada uno un bit de información. El principio holográfico dice que la cantidad de información que empapela el exterior debe encajar con el número de bits contenidos dentro del volumen del universo.

Dado que el volumen del universo esférico es mucho mayor que su superficie exterior, ¿cómo podría esto ser cierto? Hogan se dio cuenta de que para tener el mismo número de bits dentro del universo que en el borde, el mundo de dentro debía estar hecho de granos de mayor tamaño que la longitud de Planck. “O, dicho de otra forma, un universo holográfico es borroso”, dice Hogan. Estas son buenas noticias para cualquier que intente estudiar la menor unidad del espacio-tiempo. “Contrariamente a todas las expectativas, trae su estructura cuántica microscópica dentro del alcance de los experimentos actuales”, dice Hogan. Por lo que aunque la longitud de Planck es demasiado pequeña para que los experimentos la detecten, la “proyección” holográfica de la granularidad podría ser mucho más grande, de alrededor de 10-16 metros. “Si vivieses en el interior de un holograma, podrías decirlo midiendo la borrosidad”, dice.
Cuando Hogan se dio cuenta de esto por primera vez, se preguntó su algún experimento sería capaz de detectar la borrosidad holográfica del espacio-tiempo. Aquí es donde entra en juego el GEO600.
Los detectores de ondas gravitatorias como GEO600 son, básicamente, reglas fantásticamente sensibles. La idea es que si una onda gravitatoria pasa a través de GEO600, alternativamente estirará el espacio en una dirección y lo apretará en otra. Para medir esto, el equipo de GEO600 dispara un único láser a través de un espejo semi-plateado llamado divisor de rayo. Éste divide la luz en dos rayos, los cuales pasa a través de los brazos perpendiculares de 600 metros del instrumento y vuelve de nuevo. La luz de los rayos que retornan se funden de nuevo en el divisor de rayo para crear un patrón de interferencia de las regiones iluminadas y oscuras donde las ondas de luz se cancelan o refuerzan entre sí. Cualquier desplazamiento en la posición de estas regiones nos dice que la longitud relativa de los brazos ha cambiado. “La clave es que tales experimentos son sensibles a cambios en la longitud de las reglas que son mucho más pequeños que el diámetro de un protón”, dice Hogan.
Entonces, ¿serían capaces de detectar la proyección holográfica de un grano de espacio-tiempo? De los cincos detectores de ondas gravitatorias de todo el mundo, Hogan se dio cuenta de que el experimento anglo-germano GEO600 resultaba ser el más sensible para lo que tenía en mente. Predijo que si el divisor de rayo del experimento se veía sacudido por convulsiones cuánticas del espacio-tiempo, esto se mostraría en sus medidas (Physical Review D, vol 77, p 104031). “Esta variación aleatoria causaría un ruido en la señal de la luz láser”, dice Hogan.

En junio envió su predicción al equipo GEO600. “Increíblemente, descubrí que el experimento estaba captando el inesperado ruido”, dices Hogan. El investigador principal de GEO600 Karsten Danzmann del Instituto Max Planck de Física Gravitatoria en Potsdam, AlemanIa, y también de la Universidad de Hanover, admite que el exceso de ruido, con frecuencias entre los 300 y 1500 hertzios, ha estado molestando al equipo durante mucho tiempo. Respondió a Hogan y le envió un diagrama del ruido. “Era exactamente igual a mi predicción”, dice Hogan. “Era como si el divisor de rayo tuviese una sacudida lateral extra”. Nadie – incluyendo a Hogan – ha afirmado aún que GEO600 ha encontrado la prueba de que vivimos en un universo holográfico. Es demasiado pronto para decirlo. “Podría ser una fuente mundana de ruido”, admite Hogan. Los detectores de ondas gravitatorias son extremadamente sensibles, por lo que aquellos que los manejan tienen que trabajar duro más duro que el resto para descartar el ruido. Tienen que tener en cuenta el paso de las nubes, el tráfico lejano, movimientos sismológicos y muchísimas otras fuentes que podrían enmascarar una señal real. “El negocio diario de mejorar la sensibilidad de estos experimentos siempre nos da un exceso de ruido”, dice Danzmann. “Trabajamos para identificar las causas, tenerlas en cuenta y solucionar la siguiente fuente de exceso de ruido”. Actualmente no existe un candidato claro para la fuente de ruido que está experimentando GEO600. “A este respecto consideraría la situación actual incómoda, pero no realmente preocupante”. Durante un tiempo el equipo de GEO600 pensó que el ruido en el que Hogan estaba interesado estaba causado por fluctuaciones en la temperatura del divisor de rayo. No obstante, el equipo resolvió que esto podría contar como mucho con un tercio del ruido. Danzmann dice que distintas mejores planificadas deberían aumentar la sensibilidad de GEO600 y eliminar algunas fuentes experimentales posibles para el exceso de ruido. “Si el ruido permanece donde está tras estas medidas, entonces tendremos que volver a pensarlo”, comenta.

Si GEO600 ha descubierto realmente el ruido holográfico procedente de las convulsiones cuánticas del espacio-tiempo, entonces se presenta una espada de doble filo para los investigadores que detectan las ondas gravitatorias. Por una parte, el ruido obstaculizará sus intentos de detectar las ondas gravitatorias. Por otra parte, podría representar un descubrimiento incluso más fundamental. Tal situación tendría algún precedente en la física. Los detectores gigantes construidos para buscar una forma hipotética de radiactividad en la cual decaen los protones, nunca encontró tal cosa. En lugar de esto descubrió que los neutrinos pueden cambiar de un tipo a otro – lo que podría decirse que es más importante debido a que podría decirnos cómo el universo llegó a estar repleto de materia y no de antimateria (New Scientist, 12 de abril de 2008, p 26).

Sería irónico que un instrumento construido para detectar algo tan vasto como una fuente astrofísica de ondas gravitatorias detecte inadvertidamente la minúscula granularidad del espacio-tiempo. “Hablando como físico fundamental, veo el descubrimiento del ruido holográfico mucho más interesante”, dice Hogan.
A pesar del hecho de si Hogan tiene razón, y el ruido holográfico acabe con la capacidad del GEO600 de detectar ondas gravitatorias, Danzmann es optimista. “Incluso si está limitada la sensibilidad de GEO600 en algún rango de frecuencias, estaría contento de pagar por la primera detección de la granularidad del espacio-tiempo”, comenta. “Puedes apostar a que estaríamos encantados. Sería uno de los descubrimientos más importantes desde hace mucho tiempo”.
No obstante, Danzmann es cauto sobre la propuesta de Hogan y cree que se debe realizar más trabajo teórico. “Es intrigante”, comenta. “Pero en realidad aún no existe una teoría, es más una idea”. Como muchos otros, Danzmann concuerda que es demasiado pronto para hacer ninguna afirmación definitiva. “Vamos a esperar y ver”, dice. “Creemos que es al menos un año pronto para estar entusiasmados”. Cuanto mayor es el misterio, no obstante, mayor es la motivación para construir un instrumento dedicado a estudiar el ruido holográfico. John Cramer de la Universidad de Washington en Seattle está de acuerdo. Fue un “accidente afortunado” que las predicciones de Hogan pudiesen conectarse con el experimento GEO600, dice. “Parece claro que una podría elaborarse una investigación experimental mucho mejor si nos centrásemos específicamente en la medida y caracterización del ruido holográfico y fenómenos relacionados”
Una posibilidad, de acuerdo con Hogan, sería usar un dispositivo llamado interferómetro atómico. Estos funcionan usando el mismo principio que los detectores basados en láser pero usan rayos hechos de átomos ultrafríos en lugar de luz láser. Debido a que los átomos pueden comportarse como ondas con una longitud de onda mucho menos que la de la luz, los interferómetros de átomos son significativamente menores y por tanto más baratos de construir que sus homólogos de detectores de ondas gravitatorias.

Pero, ¿qué significaría que se hubiese encontrado el ruido holográfico? Cramer lo asemeja al descubrimiento de un ruido inesperado en una antena en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey en 1964. Ese ruido resultó ser el fondo de microondas cósmico, el resplandor de la bola de fuego del Big Bang. “No sólo le valió un Premio Nobel a Arno Penzias y Robert Wilson, sino que confirmó el Big Bang y abrió todo un nuevo campo de la cosmología”, dice Cramer.
Hogan es más específico. “Olvídate del Solaz Cuántico, habríamos observado directamente el cuanto del tiempo”, dice Hogan. “Es el menor intervalo de tiempo posible – la longitud de Planck dividida por la velocidad de la luz”.
Mas importante aún, confirmar el principio holográfico sería una gran ayuda para los investigadores que unifican la mecánica cuántica con la Teoría de la Gravedad de Einstein. Actualmente la aproximación más popular a la gravedad cuántica es la Teoría de Cuerdas, la cual según esperan los investigadores pueda describir lo que sucede en el universo al nivel más fundamental. Pero no es el único espectáculo en la ciudad. “El espacio-tiempo holográfico se usa en ciertas aproximaciones para cuantizar la gravedad que tiene una sólida conexión con la Teoría de Cuerdas”, dice Cramer. “Por consiguiente, algunas teorías de la gravedad cuántica podrían ser falsadas y otras reforzadas”.
Hogan concuerda en que si se confirma el principio holográfico, esto descartaría todas las aproximaciones a la gravedad cuántica que no incorporen el principio holográfico. De forma inversa, sería un impulso para esas que lo hacen – incluyendo alguna derivada de la Teoría de Cuerdas llamada la Teoría de la Matriz. “Finalmente, puede que tengamos nuestra primera indicación de cómo surge el espacio-tiempo de la Teoría Cuántica.” Como sucede con los descubrimientos casuales, es difícil hacer algo más vanguardista que eso.