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6 de Febrero de 2017
Física teórica

¿Una descripción holográfica del universo primitivo?

Ciertas teorías de partículas en dos dimensiones permiten reproducir algunas propiedades estadísticas del fondo cósmico de microondas.

Fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas (rojo, más caliente que la media; azul, más frío que la media) tal y como se verían proyectadas en la esfera celeste. Un modelo de partículas obtenido a partir del principio holográfico ha conseguido reproducir con éxito algunas de las propiedades estadísticas asociadas a dichas fluctuaciones. [NASA/WMAP]

Uno de los mayores hitos en la física matemática de las últimas dos décadas ha sido la formulación del principio holográfico. Postulado en su versión moderna en 1997 por el teórico de cuerdas argentino Juan Maldacena, por entonces en Harvard, dicho principio establece que, desde un punto de vista matemático, algunas teorías de la gravedad resultarían equivalentes a ciertas teorías de partículas que no incluyen la gravedad y que, además, estarían formuladas en un espaciotiempo con una dimensión menos que aquel en el que «vive» la teoría gravitatoria. El calificativo holográfico hace aquí una referencia metafórica a la manera en que funcionan los hologramas usuales, donde toda la información necesaria para reconstruir una imagen tridimensional puede codificarse en una placa de dos dimensiones. En este caso, la información que permite describir la gravedad en tres dimensiones espaciales estaría codificada en una teoría de partículas formulada en un espacio bidimensional.

En los últimos años, esa equivalencia formal entre teorías aparentemente tan dispares ha ofrecido una vía completamente nueva para afrontar uno de los mayores problemas a los que desde hace décadas se enfrentan los físicos teóricos: estudiar los efectos de la gravedad en un contexto cuántico. Ello se debe a que, según el principio holográfico, todo fenómeno gravitatorio debería poder calcularse a partir de alguna teoría de partículas equivalente; y, en líneas generales, los físicos sí saben cómo incluir los efectos cuánticos en las teorías de partículas.    

Ahora, un trabajo firmado por Niayesh Afshordi, del Instituto Perimeter de Física Teórica de Ontario, y otros investigadores ha aplicado el principio holográfico a un sistema gravitatorio de especial interés: los primeros instantes del universo; es decir, un espaciotiempo con tres dimensiones espaciales (más el tiempo) expandiéndose a toda velocidad. La principal novedad del trabajo es que, a partir de la descripción holográfica que proponen, los autores han podido calcular con detalle algunas de las propiedades estadísticas del fondo cósmico de microondas para, después, compararlas con los datos experimentales obtenidos en los últimos años por el satélite Planck, de la ESA. Los resultados han sido publicados en Physical Review Letters.

En general, a la hora de aplicar el principio holográfico, lo primero que deben hacer los investigadores es encontrar qué teoría de partículas resulta equivalente al sistema gravitatorio que se proponen estudiar. En 2009, Kostas Skenderis, uno de los autores del nuevo trabajo, y Paul McFadden, por entonces ambos en la Universidad de Ámsterdam, propusieron una serie de modelos holográficos en dos dimensiones para describir la física del universo temprano. Entre otras caracteristicas, dichos modelos correspondían a teorías con un gran número de partículas similares a los gluones (los mediadores de la interacción fuerte) y una cantidad también muy elevada de partículas escalares (del mismo tipo que el bosón de Higgs).

En el estudio publicado ahora, los investigadores han explorado esos modelos de partículas y han usado su «traducción holográfica» para calcular qué implicarían dichas teorías en lo referente a las propiedades estadísticas del fondo cósmico de microondas, la radiación electromagnética que fue emitida cuando el universo apenas tenía el 0,003 por ciento de su edad actual. Después, han comparado esas predicciones con los datos del satélite Planck, así como con las predicciones del modelo cosmológico estándar, la teoría canónica usada por los cosmólogos para describir el universo.

Los autores demuestran en su trabajo que las predicciones basadas en el modelo holográfico difieren en general de las del modelo cosmológico estándar, aunque por el momento tanto las primeras como las segundas se encuentran dentro de los márgenes de error de los datos experimentales. De hecho, la predicción holográfica parece ajustarse a los datos casi tan bien como el modelo cosmológico estándar. Aunque por ahora los datos no permiten decantarse por un modelo u otro, sí podrían hacerlo en el futuro si su precisión aumentase lo suficiente. 

Más información en Physical Review Letters. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.

—IyC

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