Animados por los éxitos en la comprensión de los agujeros negros, los físicos teóricos están aplicando lo aprendido al estudio de universos enteros. Lo que están descubriendo les está haciendo cuestionar supuestos fundamentales sobre cómo debería hacerse la física.
Un artículo de Matt von Hippel. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.
Mientras manipulaban en sus escritorios las matemáticas del espacio-tiempo cuántico, los físicos tropezaron con un extraño enigma. Las complejas reglas de la teoría cuántica y de la gravedad les permiten imaginar con gran detalle muchos tipos distintos de universos, lo que ha dado lugar en los últimos años a experimentos mentales muy potentes que han resuelto antiguos misterios sobre los agujeros negros.
Pero cuando en 2019 un grupo de investigadores analizó un universo notablemente parecido al nuestro, encontraron una paradoja: el universo teórico parecía admitir únicamente un único estado posible. Resultaba tan simple que su contenido podía describirse sin transmitir ni un solo bit de información, ni siquiera la elección entre un cero y un uno. Este resultado chocaba frontalmente con el hecho de que ese tipo de universo debería poder albergar agujeros negros, estrellas, planetas… y personas. Sin embargo, toda esa riqueza de detalles brillaba por su ausencia.
«Miramos a nuestro alrededor y, desde luego, el mundo parece mucho más complejo que eso», comenta Rob Myers, físico teórico del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo (Canadá), que no ha participado directamente en estas investigaciones.
Los físicos tienen buenas razones para confiar en el cálculo, que se basa en ideas físicas fundamentales. Las matemáticas implican un universo con un solo estado; nuestro universo claramente no es así. Ahora, un equipo de teóricos ha propuesto una posible solución. El resultado paradójico surgió al buscar una descripción objetiva del estado de un universo entero. Pero quizá esa descripción no sea posible, ni siquiera en principio. Tal cosa supone implícitamente un universo que existe sin que haya un observador que lo observe. Y tal vez, sin observadores, la complejidad del universo pierda todo su sentido.
Un argumento impactante
Para los físicos apasionados tanto por la mecánica cuántica como por la gravedad, unir ambas teorías ha resultado extraordinariamente difícil. La teoría de cuerdas es una candidata a solución: sustituye las partículas por minúsculas cuerdas vibrantes para eliminar los problemas que condenan a otras teorías candidatas. Sin embargo, sus matemáticas son muy exigentes y sus implicaciones han sido difíciles de extraer.
Hace casi treinta años, un artículo histórico de Juan Maldacena (Institute for Advanced Study) demostró que algunos cálculos complicados de la teoría de cuerdas podían evitarse y realizarse con conceptos familiares de la física de partículas. El inconveniente es que este método solo funciona si el universo tiene una geometría peculiar llamada «anti-de Sitter». Un universo anti-de Sitter posee una frontera, a menudo representada como una lata de conserva. Sorprendentemente, todo lo que ocurre dentro de la lata (colisiones de partículas, agujeros negros girando…) se refleja en sombras proyectadas sobre la superficie externa de la lata. Es como si el universo tridimensional del interior fuera equivalente a una imagen plana en una pantalla: el concepto que los físicos denominan holografía.
La holografía ha producido avances importantes. En 2019, Maldacena y tres colegas del IAS —Ahmed Almheiri, Raghu Mahajan y Ying Zhao— utilizaron este enfoque para entender mejor qué ocurre dentro de un agujero negro. Partiendo de trabajos previos, propusieron la «fórmula de la isla», que delimita las fronteras de distintas regiones dentro del agujero negro. Pronto ayudó a resolver un viejo misterio: cómo pueden los agujeros negros revelar información sobre lo que ha caído en ellos (algo que la teoría cuántica exige) sin violar la naturaleza absoluta de su gravedad. El éxito dio confianza en que la fórmula de la isla era una herramienta fiable para entender la gravedad cuántica, y resultados posteriores mostraron que también funcionaba fuera del contexto original anti-de Sitter.
Pero aquello solo era el calentamiento.
«Los agujeros negros son un excelente banco de pruebas para las ideas, pero no es ahí donde está el verdadero premio», apunta Henry Maxfield, físico de la Universidad de Stanford. «La gran pregunta de la gravedad cuántica es la cosmología cuántica»: el esfuerzo por comprender el universo muy temprano.
El problema es que no vivimos en un cosmos-lata anti-de Sitter. La forma en que se expande nuestro universo implica que no tiene frontera. Por muy lejos que viajes, nunca encontrarás un borde.
Una manera de que un universo no tenga borde es que posea una geometría «cerrada». En ese caso, un viajero que se desplace siempre en línea recta podría acabar regresando al punto de partida, igual que si tomaras un avión y volaras siempre hacia el este.
Dado que nuestro universo podría ser cerrado, Maldacena pronto aplicó la fórmula de la isla a un universo cerrado. Y descubrió algo que sus colegas encontraron difícil de aceptar: la región cerrada parecía casi completamente vacía.
«Me dejó bastante impactado aquel argumento», recuerda Zhao. «Intenté rebatírselo». Tardaría unos años, pero al final Zhao encontraría un agujero en el universo vacío de Maldacena.
Pizarra en blanco
Los universos cerrados que estudió Maldacena no estaban vacíos de masa ni de energía. Estaban vacíos de algo aún más esencial: información.
Cuando los físicos estudian teorías cuánticas deben llevar la cuenta de todos los estados posibles en los que puede encontrarse un sistema físico. Para ello emplean un espacio abstracto llamado espacio de Hilbert. Los espacios de Hilbert (nombrados así por el matemático David Hilbert, de principios del siglo XX) incorporan los diferentes estados cuánticos añadiendo nuevas dimensiones matemáticas. Cuantas más dimensiones, más información pueden codificar.
Un sistema sencillo, como un bit de ordenador que puede ser 0 o 1, tiene dos dimensiones.
La mayoría de los sistemas cuánticos son mucho más complejos. Tomemos un átomo de hidrógeno aislado: su electrón puede ocupar órbitas cada vez más altas a medida que le aportamos energía. En ese caso el número de estados posibles es ilimitado y el espacio de Hilbert es infinito-dimensional. Casi todos los sistemas cuánticos reales tienen esta característica.
Por eso los físicos esperan que un universo entero también posea un número infinito de estados. Sin embargo, cuando Maldacena aplicó la fórmula de la isla a un universo cerrado obtuvo exactamente lo contrario: un espacio de Hilbert de una sola dimensión. No había información alguna. Todo el universo y cuanto contenía solo podía estar en un único estado cuántico. Ni siquiera tenía la complejidad de un solo bit.
Esta conclusión resultó paradójica, pues nada impide que nosotros vivamos en un universo cerrado… y claramente vemos a nuestro alrededor muchísimo más que un único estado.
«En mi escritorio hay un número infinito de estados», afirma Edgar Shaghoulian, físico de la Universidad de California en Santa Cruz.
Pero a medida que los físicos estudiaban distintos tipos de universos cerrados seguían encontrando el mismo patrón. Mientras el grupo del IAS se centraba en agujeros negros, Maxfield y su colaborador Donald Marolf analizaron burbujas hipotéticas de espacio-tiempo denominadas «universos bebé». También allí apareció la misma simplicidad extrema. Cada vez parecía más claro que la esterilidad de los universos cerrados era una tendencia universal.
«Al final lo aceptamos», recuerda Zhao.
La complejidad regresa
Tenemos, pues, una paradoja: los cálculos indican sistemáticamente que cualquier universo cerrado solo admite un estado posible. Pero nuestro universo, que muy bien podría ser cerrado, parece infinitamente más complejo. ¿Qué está pasando?
En un ensayo de 2023, Shaghoulian señaló que los físicos ya habían visto antes este extraño comportamiento en teorías denominadas teorías de campo topológicas. Los matemáticos las usan para describir la forma o topología de espacios geométricos. Estas teorías también pueden tener espacios de Hilbert de una dimensión. Pero si divides el espacio geométrico en varias zonas, surgen muchas formas distintas de describirlo. Para seguir la pista a todas esas posibilidades hace falta un espacio de Hilbert mayor.
«Las reglas del juego cambian», explica Shaghoulian.
Shaghoulian propuso que quizá existiera una forma análoga de dividir un universo cerrado: introducir un observador.
La mecánica cuántica exige distinguir entre un observador (por ejemplo, el científico que realiza un experimento) y el sistema que observa. Normalmente el sistema es pequeño y cuántico (un átomo), mientras que el observador es grande, está lejos y se describe perfectamente con física clásica. Shaghoulian observó que esa separación es análoga a la que aumenta el tamaño del espacio de Hilbert en las teorías de campo topológicas. ¿Y si un observador hiciera lo mismo con esos universos cerrados que parecen imposiblemente simples?
En 2024 Zhao se trasladó al MIT y empezó a trabajar en cómo introducir un observador dentro de un universo cerrado. Junto con Daniel Harlow y Mykhaylo Usatyuk propusieron considerar al observador como una nueva clase de frontera: no el borde del universo, sino el propio límite del observador. Cuando incluyes un observador clásico dentro de un universo cerrado, toda la complejidad del mundo vuelve, demostraron Zhao y sus colaboradores.
El artículo del equipo del MIT se publicó a principios de 2025, casi al mismo tiempo que otro grupo presentaba una idea muy similar. Otros investigadores señalaron conexiones con trabajos anteriores.
En esta fase, todos los implicados insisten en que aún no conocen la solución definitiva. Puede que la propia paradoja sea un malentendido que se disipe con un nuevo argumento. Pero por ahora, la vía más segura parece ser incluir un observador en el universo cerrado y tratar de tener en cuenta su presencia.
«¿Estoy totalmente segura de que es correcto, de que resuelve el problema? No puedo afirmarlo. Hacemos lo que podemos», reconoce Zhao.
Si la idea resiste el escrutinio, utilizar la naturaleza subjetiva del observador para explicar la complejidad del universo supondría un cambio de paradigma en física. Los físicos suelen buscar una visión desde ninguna parte, una descripción autónoma de la naturaleza. Quieren saber cómo funciona el mundo y cómo emergemos nosotros como parte de él. Pero a medida que avanzan en la comprensión de los universos cerrados en términos de fronteras privadas alrededor de observadores privados, esa visión desde ninguna parte parece cada vez menos viable. Tal vez las únicas visiones posibles sean siempre visiones desde algún lugar.
El artículo original, Cosmic Paradox Reveals the Awful Consequence of an Observer-Free Universe, se publicó el 19 de noviembre de 2025 en Quanta Magazine.
Traducido por César Tomé López
