Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. La publicación contribuyó con el artículo a Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Durante más de un siglo, la física se ha construido sobre dos grandes teorías. La relatividad general de Einstein explica la gravedad como la curvatura del espacio y el tiempo.
La mecánica cuántica gobierna el mundo de las partículas y los campos. Ambos trabajan brillantemente en sus propios dominios. Pero si los juntamos, aparecen contradicciones, especialmente cuando se trata de agujeros negros, materia oscura, energía oscura y los orígenes del cosmos.
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Mis colegas y yo hemos estado explorando una nueva forma de cerrar esa brecha. La idea es tratar la información –no la materia, ni la energía, ni siquiera el espacio-tiempo mismo– como el ingrediente más fundamental de la realidad. A este marco lo llamamos matriz de memoria cuántica (QMM).
En esencia, hay una afirmación simple pero poderosa: el espacio-tiempo no es fluido, sino discreto: está hecho de “células” diminutas, que es lo que sugiere la mecánica cuántica. Cada célula puede almacenar una huella cuántica de cada interacción, como el paso de una partícula o incluso la influencia de una fuerza como el electromagnetismo o las interacciones nucleares, que la atraviesa. Cada evento deja tras de sí un pequeño cambio en el estado cuántico local de la célula del espacio-tiempo.
En otras palabras, el universo no simplemente evoluciona. Recuerda.
La historia comienza con la paradoja de la información del agujero negro. Según la relatividad, todo lo que cae en un agujero negro desaparece para siempre. Según la teoría cuántica, eso es imposible. La información nunca puede destruirse.
QMM ofrece una salida. A medida que la materia cae, las células del espacio-tiempo circundantes registran su huella. Cuando el agujero negro finalmente se evapora, la información no se pierde. Ya ha sido escrito en la memoria del espacio-tiempo.
Este mecanismo se captura matemáticamente mediante lo que llamamos operador de impresión, una regla reversible que hace que funcione la conservación de la información. Al principio aplicamos esto a la gravedad. Pero luego preguntamos: ¿qué pasa con las otras fuerzas de la naturaleza? Resulta que encajan en la misma imagen.
En nuestros modelos, que suponen que existen células en el espacio-tiempo, las fuerzas nucleares fuertes y débiles, que mantienen unidos los núcleos atómicos, también dejan huellas en el espacio-tiempo. Posteriormente, ampliamos el marco al electromagnetismo (aunque este artículo se encuentra actualmente en revisión por pares). Incluso un simple campo eléctrico cambia el estado de memoria de las células del espacio-tiempo.
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Explicando la materia oscura y la energía oscura
Eso nos llevó a un principio más amplio que llamamos dualidad geometría-información. Desde este punto de vista, la forma del espacio-tiempo está influenciada no sólo por la masa y la energía, como nos enseñó Einstein, sino también por cómo se distribuye la información cuántica, especialmente a través del entrelazamiento. El entrelazamiento es una característica cuántica en la que dos partículas, por ejemplo, pueden estar conectadas de manera espeluznante, lo que significa que si cambias el estado de una, automática e inmediatamente cambias también la otra, incluso si está a años luz de distancia.
Este cambio de perspectiva tiene consecuencias dramáticas. En un estudio, actualmente bajo revisión por pares, descubrimos que grupos de huellas se comportan igual que la materia oscura, una sustancia desconocida que constituye la mayor parte de la materia del universo. Se agrupan bajo la gravedad y explican el movimiento de las galaxias, que parecen orbitar a velocidades inesperadamente altas, sin necesidad de nuevas partículas exóticas.
En otro, mostramos cómo podría surgir también la energía oscura. Cuando las células del espacio-tiempo están saturadas, no pueden registrar información nueva e independiente. Más bien, contribuyen a una energía residual del espacio-tiempo. Curiosamente, esta contribución sobrante tiene la misma forma matemática que la “constante cosmológica”, o energía oscura, que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.
Su tamaño coincide con la energía oscura observada que impulsa la aceleración cósmica. En conjunto, estos resultados sugieren que la materia oscura y la energía oscura pueden ser dos caras de la misma moneda informativa.
¿Un universo cíclico?
Pero si el espacio-tiempo tiene memoria finita, ¿qué pasa cuando se llena? Nuestro último artículo cosmológico, aceptado para publicación en The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, apunta a un universo cíclico: nacer y morir una y otra vez. Cada ciclo de expansión y contracción deposita más entropía (una medida de desorden) en el libro mayor. Cuando se alcanza el límite, el universo “rebota” hacia un nuevo ciclo.
Alcanzar el límite significa que la capacidad de información (entropía) del espacio-tiempo está al máximo. En ese momento, la contracción no puede continuar sin problemas. Las ecuaciones muestran que en lugar de colapsar hasta convertirse en una singularidad, la entropía almacenada provoca una reversión, lo que lleva a una nueva fase de expansión. Esto es lo que describimos como un “rebote”.
Comparando el modelo con datos observacionales, estimamos que el universo ya ha pasado por tres o cuatro ciclos de expansión y contracción, y quedan menos de diez. Una vez completados los ciclos restantes, la capacidad de información del espacio-tiempo quedaría completamente saturada. En ese momento, no se producen más rebotes. En cambio, el universo entraría en una fase final de expansión más lenta.
Eso hace que la verdadera “era de la información” del cosmos dure unos 62 mil millones de años, no sólo los 13,8 mil millones de años de nuestra expansión actual.
Hasta ahora, esto podría parecer puramente teórico. Pero ya hemos probado partes de QMM en las computadoras cuánticas actuales. Tratamos a los qubits, las unidades básicas de las computadoras cuánticas, como pequeñas células del espacio-tiempo. Utilizando protocolos de impresión y recuperación basados en las ecuaciones QMM, recuperamos los estados cuánticos originales con más del 90% de precisión.
Esto nos mostró dos cosas. Primero, que el operador de impresión trabaja en sistemas cuánticos reales. En segundo lugar, tiene beneficios prácticos. Al combinar la impresión con códigos de corrección de errores convencionales, reducimos significativamente los errores lógicos. Eso significa que QMM podría no sólo explicar el cosmos, sino también ayudarnos a construir mejores computadoras cuánticas.
QMM replantea el universo como un banco de memoria cósmica y una computadora cuántica. Cada evento, cada fuerza, cada partícula deja una huella que da forma a la evolución del cosmos. Relaciona algunos de los enigmas más profundos de la física, desde la paradoja de la información hasta la materia y la energía oscuras, desde los ciclos cósmicos hasta la flecha del tiempo.
Y lo hace de una manera que ya puede simularse y probarse en el laboratorio. Ya sea que QMM demuestre ser la última palabra o un trampolín, abre una posibilidad sorprendente: el universo puede no ser sólo geometría y energía. También es memoria. Y en esa memoria aún puede estar escrito cada momento de la historia cósmica.