El Universo presente y su historia, la forma espiral de la Galaxia, las trayectorias de las estrellas y los planetas que las rodean, así como la atracción de los cuerpos hacia el centro de la Tierra, están gobernados por la fuerza de gravedad. Esta interacción, dominante a grandes distancias, a la que se creyó durante más de dos siglos completamente descripta por las leyes que descubriera Isaac Newton, obedece en realidad a la Teoría de la Relatividad General, formulada por Albert Einstein en 1915. Las leyes de la física que describen las escalas más pequeñas, en cambio, adoptan un aspecto muy diferente. Para explicar el comportamiento de los átomos y las partículas subatómicas, por ejemplo, debemos recurrir a la otra gran teoría del siglo XX, la Mecánica Cuántica. Formulada en la década del ‘20 por Werner Heisenberg y Erwin Schrodinger, entre otros, el éxito predictivo de esta teoría es uno de los logros más espectaculares de la historia de la ciencia.

Aunque la Relatividad General y la Mecánica Cuántica rigen, a priori, el comportamiento del Universo a escalas muy diferentes, es imprescindible para la consistencia de la física que ambas teorías sean compatibles. Si bien la interacción gravitatoria es lo suficientemente débil como para resultar irrelevante en la física atómica, existen al menos dos sistemas físicos cuya evolución debe ser descripta por una teoría cuántica de la gravedad: el Big Bang (la gran explosión, que significó el origen del Universo) y los agujeros negros (restos de estrellas muy masivas que, al agotar su combustible nuclear, no pueden soportar su propio peso e implosionan dejando una suerte de agujero en el espacio, de cuyo interior nada, ni siquiera la luz, puede escapar). Ambos son sistemas muy pequeños en los que la gravedad es muy intensa. Las leyes de la física nos indican que en esas condiciones ambas teorías son relevantes para describir lo que sucede. Por lo tanto, si bien los rudimentos de estos dos sistemas fueron descubiertos dentro de la Relatividad General, sabemos que sólo podrán comprenderse completamente en el contexto de una teoría cuántica de la gravedad. Pero todavía, casi medio siglo después de haber sido identificado el problema, y a pesar de los grandes esfuerzos realizados, el objetivo de construir esa teoría no ha sido alcanzado.

Un universo holográfico

El Big Bang fue, según los indicios presentes, un evento único. Los agujeros negros, por el contrario, pueblan el Universo en grandes cantidades. Se cree que muchas de las galaxias espirales como la Vía Láctea los tienen en el centro. Se pueden encontrar desde agujeros negros cuya masa es poco menos que el doble de la del Sol, hasta aquellos que son millones de veces más masivos. En todos los casos son explicados por la Relatividad General. Pero la evolución de los agujeros negros parece violar principios básicos de la Mecánica Cuántica y por eso son el objeto central de estudio de una posible Teoría Cuántica de la Gravedad.

La entropía de un sistema es una medida de la cantidad de información necesaria para describir completamente su estado. Un objeto fundamental, al no constar de partes, tiene entropía cero. Uno compuesto, en cambio, tendría una entropía que crece con su volumen. Jakob Bekenstein y Stephen Hawking demostraron que los agujeros negros, pese a su condición de elementos fundamentales, tienen una entropía y una temperatura bien definidas. Esto resulta sorprendente. Al tener temperatura, los agujeros negros deben emitir necesariamente radiación, como cualquier cuerpo caliente. Pero el resultado de Bekenstein y Hawking es todavía más inesperado: la entropía de un agujero negro no es proporcional al volumen sino al área de la superficie que lo rodea. Como si toda la información necesaria para describirlo se encontrara en dicha superficie. Esto es lo que define un comportamiento holográfico (al igual que los hologramas, en los que una imagen tridimensional es codificada en un papel bidimensional). Si sabemos algo, entonces, de la esquiva Teoría Cuántica de la Gravedad, es que es de naturaleza holográfica.

La música de las esferas

La teoría de cuerdas fue formulada en los años ‘60 para describir cierto régimen de la física de las partículas elementales. Los quarks, que se encuentran en el interior de los protones y neutrones que componen el núcleo atómico, se resisten a alejarse unos de otros, como si estuvieran unidos por cuerdas. En ese régimen, por lo tanto, parece natural describir la física en términos de cuerdas y no de partículas puntuales. En los ‘70 se exploró la posibilidad de que todas las partículas conocidas fueran los distintos tonos de un único objeto fundamental vibrante, que sería una cuerda microscópica. Esta idea fue pulida y puesta a punto en los ‘80 por Michael Green y John Schwarz, entre otros. La gran sorpresa fue que la Teoría de Cuerdas se reveló como una teoría cuántica de la gravedad. Si se trata de la teoría correcta o no, es aún materia de debate. Pero se sabe que es una teoría consistente que permite abordar preguntas como la aquí sugerida: ¿Es la teoría de cuerdas una teoría holográfica?

Partiendo de la teoría de los quarks, Gerard `t Hooft argumentó en un brillante artículo publicado en 1974 que, en determinadas condiciones, la descripción adecuada de estos constituyentes básicos del núcleo atómico estaría dada en términos de cuerdas. Más de veinte años después, Alexander Polyakov argumentó que dicha teoría de cuerdas necesariamente debía contener una dimensión espacial adicional, además de las tres ya conocidas en las que se mueven las partículas. De este modo, por ejemplo, el microscópico grosor de la cuerda que, en apariencia, mantiene unidos a los quarks, sería un reflejo de la forma en la que una auténtica cuerda fundamental se sumerge en la dimensión adicional. El concepto de holografía fue adquiriendo robustez. En 1993, el propio `t Hooft, y un año después Leonard Susskind, profundizaron en la codificación holográfica de la información en los agujeros negros.

Es en este contexto que, a finales de 1997, Juan Martín Maldacena, un físico argentino de 29 años egresado del Instituto Balseiro y por entonces profesor de la Universidad de Harvard, formuló una conjetura sorprendente, que si bien se puede enmarcar en el espíritu de los avances anteriores, contiene un conjunto de precisiones que los trascienden. El trabajo de Maldacena responde afirmativamente a la pregunta de si la teoría de cuerdas es holográfica, y lo hace presentando un ejemplo preciso y riguroso. Nos dice que existe una teoría cuántica de la gravedad (técnicamente, la Teoría de Cuerdas tipo IIB en un espacio anti de Sitter –AdS–) que es idéntica a una teoría cuántica del tipo que se utiliza para describir las partículas elementales (una teoría de campos (super)conforme –CFT–). Idéntica, sí, pero de una manera compleja: la relación es, precisamente, de naturaleza holográfica.

Hoy, después de una década y pese a la evidencia acumulada en los casi 5000 artículos publicados que se basan en ella, la llamada “Conjetura de Maldacena” (o Correspondencia AdS/CFT) aún no ha podido ser demostrada formalmente. Esta conjetura nos dice, en particular, que ciertos cálculos de física de partículas que son intratables por su complejidad matemática pueden ser traducidos en cálculos simples dentro de la descripción gravitatoria. Y viceversa. Esto ha permitido, recientemente, calcular propiedades del plasma de quarks y gluones, un estado de la materia que tuvo lugar unos pocos microsegundos después del Big Bang (y que es producido en el acelerador de iones pesados, RHIC, de Brookhaven), que no pueden ser calculadas por otros medios, obteniendo resultados compatibles con las mediciones experimentales. Pruebas similares de la conjetura podrán obtenerse en los experimentos del LHC (Large Hadron Collider), una supermáquina destinada a la aceleración y colisión de protones a las energías más altas alcanzadas en aceleradores terrestres, que comenzará a operar en el CERN (Laboratorio Europeo de Altas Energías), en Suiza, a partir del próximo año.

Epílogo

La Conjetura de Maldacena, que en estos días cumple diez años, es la contribución más relevante de la última década en física teórica a nivel mundial. Para celebrar el que, sin duda alguna, es un hito para la comunidad científica argentina, se va a realizar una conferencia que reunirá a algunos de los más reconocidos especialistas mundiales en Buenos Aires. Además, se realizará una jornada de charlas de divulgación abierta para todo público, que contará con la presencia de Maldacena, de modo que todos aquellos interesados puedan aprender algo más. La jornada, titulada “Imágenes del Universo”, tendrá lugar el viernes 21 de diciembre a partir de las 16, en el aula magna del Pabellón 1 de Ciudad Universitaria. La entrada es libre y gratuita.

Los físicos José Edelstein (U. Santiago de Compostela, España), Nicolás Grandi (Instituto de Física de La Plata, ConicetUNLP), Carmen Núñez (Instituto de Astronomía y Física del Espacio, ConicetUBA) y Martín Schvellinger (Instituto de Física de La Plata, ConicetUNLP) forman parte de la red String@ar (www.fisica.unlp.edu.ar/strings)