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Artículo publicado por Andre Salles el 3 de diciembre de 2015 en Symmetry Magazine

La extremadamente sensible herramienta de medida del espacio-tiempo cuántico servirá como plantilla para continuar la exploración científica.

The universal

¿Es el universo un holograma?

Nuestro sentido común, y las leyes de la física, suponen que el espacio y el tiempo son continuos. El Holómetro, un experimento con sede en el Fermi National Accelerator Laboratory, desafía esta suposición.

Sabemos que la energía a nivel atómico, por ejemplo, no es continua, sino que aparece en pequeñas cantidades indivisibles. El Holómetro se construyó para poner a prueba si el espacio y el tiempo se comportan de la misma forma.

En un nuevo resultado, publicado esta semana tras un año de toma de datos, la colaboración Holómetro ha anunciado que ha descartado una teoría de universo pixelado con un alto nivel de relevancia estadística.

Si el espacio y el tiempo no fuesen continuos, todo estaría pixelado, como una imagen digital.

Cuando amplías lo suficiente ves que una imagen digital no es lisa, sino que está hecha de píxeles individuales. Una imagen sólo puede almacenar tantos datos como le permite su número de píxeles. Si el universo estuviese segmentado del mismo modo, entonces existiría un límite a la cantidad de información que puede contener el espacio-tiempo.

El Holómetro se construyó para poner a prueba, principalmente, una teoría propuesta por Craig Hogan, profesor de astronomía y física en la Universidad de Chicago y director del Centro para Astrofísica de Partículas en el Fermilab. El Holómetro no detectó la cantidad de ruido holográfico correlacionado — agitación cuántica — que este modelo concreto del espacio-tiempo predice.

Pero, como enfatiza Hogan, es sólo una teoría, y con el Holómetro este equipo de científicos ha demostrado que el espacio-tiempo puede estudiarse a un nivel sin precedentes.

“Esto es sólo el comienzo de la historia”, comenta Hogan. “Hemos desarrollado una nueva forma de estudiar el espacio y el tiempo de la que no disponíamos antes. Ni siquiera estábamos seguros de que se pudiese lograr la sensibilidad que obtuvimos”.

El Holómetro no tiene un aspecto muy espectacular. Es un pequeño conjunto de láseres y espejos con un remolque para una sala de control. Pero este aspecto de baja tecnología del dispositivo oculta el hecho de que es un instrumento con una sensibilidad sin precedentes, capaz de medir movimientos que duran apenas una millonésima de segundo, y distancias que son la un millón de billonésimas de metro — mil veces más pequeño que un protón.

El Holómetro usa un par de interferómetros láser colocados cerca uno de otro, cada uno enviando un haz de 1 kilowatt de luz a través de un divisor de haces a lo largo de dos brazos perpendiculares, cada uno de 40 metros de largo. La luz entonces se refleja de vuelta al divisor de haces donde se recombinan ambos haces.

Si no se ha producido movimiento, entonces el haz recombinado será igual que el original. Pero si se observan fluctuaciones en el brillo, los investigadores analizarán estas fluctuaciones para ver si el divisor se mueve de cierta manera, siendo transportado por una agitación del propio espacio.

De acuerdo con Aaron Chou, de Fermilab y director del proyecto del experimento del Holómetro, la colaboración revisó el trabajo realizado para diseñar otros instrumentos similares, tales como el experimento LIGO. Chou explica que una vez que el equipo del Holómetro se dio cuenta de que podía usarse esta tecnología para estudiar las fluctuaciones cuánticas que perseguían, el trabajo de otras colaboraciones que usaban interferómetros láser,incluyendo a LIGO, era incalculable.

“Nadie había aplicado jamás esta tecnología antes del modo que lo hacemos nosotros”, comenta Chou. “Un pequeño equipo, mayormente formado por estudiantes, construyó un instrumento casi tan sensible como LIGO para buscar algo completamente diferente”.

El desafío para los investigadores era usar el Holómetro para eliminar todas las otras fuentes de movimiento, hasta que sólo quedase una fluctuación que no pudiesen explicar. De acuerdo con Chris Stoughton, de Fermilab y científico del experimento del Holómetro, el proceso de toma de datos estuvo en constante ajuste de la máquina para eliminar cada vez más ruido.

“Podías poner en funcionamiento la máquina durante un rato, tomar datos, y luego tratar de eliminar todas las fluctuaciones que pudieses ver antes de ponerla de nuevo en marcha”, comenta. “El origen del fenómeno que estábamos buscando es un millón de billones de veces más pequeño que un protón, y el Holómetro es extremadamente sensible, por lo que capta una gran cantidad de fuentes de ruido, como el viento o el tráfico”.

Si el Holómetro pudiese apreciar el ruido holográfico que los investigadores no pudieron eliminar, podría estar detectando un ruido que es intrínseco al espacio-tiempo, lo cual puede indicar que nuestro universo está realmente codificado en minúsculos paquetes bidimensionales.

El hecho de que el Holómetro haya descartado esta teoría con un alto nivel de relevancia estadística demuestra que puede estudiar el espacio y el tiempo a unas escalas anteriomente inimaginables, señala Hogan. También demuestra que, si existe la agitación cuántica, es mucho menor de lo que puede detectar el Holómetro, o se mueve en direcciones para las que el instrumento actual no está configurado para observar.

Entonces, ¿qué es lo siguiente? Hogan dice que el equipo del Holómetro seguirá tomando y analizando datos, y publicará estudios más generales y sensibles sobre el ruido holográfico. La colaboración ya ha publicado un resultado relacionado con el estudio de las ondas gravitatorias.

Y Hogan ya está proponiendo un nuevo modelo de estructura holográfica que requeriría instrumentos de una sensibilidad similar, pero con una configuración sensible a distintas rotaciones en el espacio. El Holómetro, señala, servirá como plantilla para un campo completamente nuevo de ciencia experimental.

“Es una nueva tecnología, y el Holómetro es el primer ejemplo de una nueva forma de estudiar correlaciones exóticas”, apunta Hogan. “Es apenas la primera visión a través de un microscopio recién inventado”.

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