“La motivación principal es comprender el principio del Big Bang, o sea, cómo surge el universo”
Juan Martín Maldacena y Gerardo Aldazabal en Bariloche (Crédito Verónica Sympson).Juan Martín Maldacena y Gerardo Aldazabal en Bariloche (Crédito Verónica Sympson).
Durante una visita a Bariloche, el físico argentino Juan Martín Maldacena brindó una entrevista al Instituto Balseiro junto con su director de tesis de Licenciatura, Gerardo Aldazabal. En esta nota en exclusiva, los científicos responden preguntas sobre la época de tesista de Maldacena en el Balseiro, agujeros negros y la “teoría del todo”. Esta es la primera parte de la entrevista, que se publica en el año del 65º aniversario del Balseiro.
Fecha de publicación: 15/07/2020
Cada tanto, Juan Martín Maldacena regresa a la ciudad de Bariloche para visitar a sus colegas del grupo de Física de Partículas del Centro Atómico Bariloche (CAB). Viaja desde los Estados Unidos, donde vive con su esposa e hijos. Allá es investigador y docente del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, donde trabajó Albert Einstein. Maldacena, que es egresado de la Licenciatura en Física del Instituto Balseiro (IB), es un referente a nivel mundial de la teoría de cuerdas y de las preguntas alrededor de la “gravedad cuántica”.
Maldacena impactó a sus colegas en el universo de la física cuando planteó la Conjetura de correspondencia AdS/CFT, que son las siglas de “Anti-de Sitter” y “Conformal Field Theory” (o teoría de campos). Ha recibido numerosos premios y reconocimientos, como el Premio Yuri Milner de física fundamental, el Premio Konex de Brillante, la Medalla Dirac, el Premio Breakthrough y la Medalla Lorentz. Si bien la “Conjetura Maldacena” es una propuesta teórica, sin aspectos observacionales o experimentales por lo pronto, al físico se lo suele nombrar en los medios de comunicación como “candidato” a un Premio Nobel.
Por su parte, Gerardo Aldazabal, egresó de la misma carrera del Balseiro en 1981 y es profesor en este instituto e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el CAB. Investiga en el citado grupo de física de partículas, donde fue director de tesis de Maldacena. Algunos de sus tesistas que también incursionaron en la física de partículas son Sebastián Franco, Ingo Allekotte, Eduardo Andrés, Fernando Alday, Alejandro Rosabal, Andrés Tanasijzuk, Lucila Zarate y, ahora terminando su tesis de Doctorado, Martín Mayo.
En esta entrevista, realizada por el Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro, la propuesta fue reunir a Maldacena y Aldazabal para entablar un diálogo sobre la física de los agujeros negros y el fenómeno del “horizonte”, entre otras cuestiones. El encuentro se realizó en el quincho del CAB en Playa Bonita, con la Isla Huemul de fondo, y el proceso de edición tardó bastante tiempo (ver Apostillas en Parte II). Es probable que el resultado sea un tanto complejo para quienes no estén familiarizados con este campo. Sin embargo, quienes de todas maneras lean las próximas líneas conocerán algunas ideas de la física teórica relatadas por fuentes de “primera mano”. Por la extensión, se dividió en dos partes (ver link a la Parte II en el pie de esta nota).
-Empecemos por la época de estudiante de Juan Martín en el IB. ¿Cómo surgió la idea de hacer la tesis de Licenciatura de Juan Martín en el campo de teoría de cuerdas?
-Juan Martín Maldacena: A mí me interesaba la física de partículas, también era una buena oportunidad para aprender sobre relatividad general y física de partículas. Tenía unos compañeros y amigos que estaban unos años antes que yo, que estaban haciendo la tesis con Gerardo.
-Gerardo Aldazabal: ¿Quiénes eran?
-Maldacena: El Fresco (N. de la R. Es el apodo del físico Eduardo Andrés). Había escuchado que Gerardo había llegado hacía poco tiempo de Italia y que estaba trabajando en estas cosas de cuerdas, algo que sonaba muy interesante. Le pedí a Gerardo ser su estudiante de tesis y me dijo que sí.
-Aladazábal: En mi caso, me doctoré en el Balseiro y después me fui a Trieste, en Italia. Era una época en la que las cuerdas estaban en un muy buen momento. El director del Centro de Física de Trieste era Salam, que era Premio Nobel por el modelo estándar de interacciones fundamentales. En esa época se le daba mucho impulso, pero yo no estaba trabajando en eso cuando llegué a Trieste. Él me dijo algo así como “Muy bien, hacé lo que vos quieras, pero aquí todos hacemos cuerdas así que te recomendamos, si querés interactuar con la gente, hacer eso…”. Así que me puse a trabajar en ese campo. Volví a Bariloche en el ‘88, así que era también bastante novato en el tema.
-¿Cuántos años tenían los dos cuando se conocieron?
-Maldacena: 21 o 22…
-Aldazabal: 31… Algo así.
-En pocas palabras, ¿de qué trató la tesis? ¿Fue una introducción a la teoría de cuerdas para vos, Juan Martín?
-Maldacena: Sí, para mí fue una introducción a la teoría de cuerdas. Cuando las cuerdas se propagan en un espacio curvo este espacio debe obedecer ciertas ecuaciones para que la teoría sea consistente, son las ecuaciones de Einstein. La idea de la tesis era proporcionar una derivación nueva, más sencilla que las anteriores.
-Juan Martín: ¿esta tesis te abrió las puertas para hacer luego el doctorado en los Estados Unidos?
-Maldacena: Sí, para ir a hacer el doctorado a Estados Unidos y después ahí seguir investigando en esta área de las cuerdas. Fue muy bueno haber trabajado con Gerardo, me enseñó mucho. Fue una muy buena preparación.
EN BARILOCHE. Juan M. Maldacena (izq.) y Gerardo Aldazabal, en la entrevista con la periodista Laura García Oviedo del Área de Comunicación y Prensa del IB. Crédito: Verónica Sympson.
-Gerardo, ¿Juan Martín era buen tesista? ¿Era aplicado?
-Aldazabal: Sí, era muy bueno y aplicado. Hizo la mayor parte solo, era una de mis primeras experiencias dirigiendo. Era también, como ocurre con la gente que termina de cursar y comienza a hacer un trabajo, empezar a aprender un montón de cosas nuevas. Era una manera de empezar a meterse en el tema de cuerdas. Luego, todo el resto es de Juan Martín, no tengo mucho que ver.
-Contabas, Gerardo, que en el Balseiro hubo varios estudiantes que hicieron sus tesis en teoría de cuerdas…
-Aldazabal: Sí, tesis… Ahora la tesis de licenciatura se convirtió en lo que es la tesis de Maestría, que es más o menos equivalente. Cambiaron un poco los nombres y las estructuras. Tuve unos cuantos tesistas de maestrías, unos 15 o 17... No me acuerdo cuántos son.
-¿Por qué es tan importante encontrar una “teoría del todo”, que combine la teoría de la teoría de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general?
-Maldacena: La naturaleza a distancias muy pequeñas se comporta de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica. Todas las partículas elementales que están dentro de los átomos se gobiernan bajo esas leyes de interacción cuántica. Son unas nuevas leyes de la mecánica que trascienden las de Newton, son un poco distintas. La teoría de Einstein, por otro lado, habla de qué pasa con objetos muy pesados, como la Tierra, y que curvan el espacio-tiempo. En la teoría de Einstein, el espacio-tiempo se vuelve dinámico, puede oscilar, tener sus vibraciones y, como cualquier otro sistema dinámico, esperamos que a distancias muy pequeñas se comporte de forma cuántica. Por eso se cree que también el espacio-tiempo a distancias muy pequeñas va a ser gobernado por otras leyes, que no son las de Einstein sino que son unas leyes cuánticas.
-¿Cuál es la motivación principal de pensar una teoría “del todo”?
-Maldacena: La motivación principal es comprender el principio del Big Bang, o sea, cómo surge el universo. Porque al inicio todo el universo estaba ocupando un espacio muy pequeño, entonces las leyes de la mecánica cuántica eran importantes. De hecho hay efectos cuánticos que se cree que son cruciales para la formación de la estructura del universo, como la que se está viendo ahora con la radiación cósmica de fondo. Si el universo hubiera sido perfectamente uniforme, no se hubieran formado las galaxias… Unas pequeñas inhomogeneidades, que después las interacciones gravitatorias fueron amplificando, fueron creando las galaxias, las estrellas, los planetas, etcétera. Y se cree que esas fluctuaciones primordiales se deben a efectos cuánticos. Este efecto cuántico pequeño se puede explicar sin la teoría de las cuerdas. Pero es una de las manifestaciones de que la mecánica cuántica era importante al principio del Big Bang. La mecánica cuántica es importante para entender el universo de gran escala, Para entender qué ocurrió antes de que se crearan estas fluctuaciones primordiales, ahí sí es más importante entender la teoría de las cuerdas.
-Gerardo, ¿podrías explicar por qué se llama teoría de “cuerdas”?
-Aldazabal: Cuando uno quiere estudiar las interacciones entre partículas, como decía Juan Martín, en general a velocidades relativistas, es decir mucho más grandes que las usuales, cercanas a la velocidad de la luz, uno tiene una herramienta que es la teoría de campos. En esta teoría, los objetos más importantes o fundamentales son partículas puntuales, puntitos que interactúan entre sí. Es una teoría que funciona a altas velocidades, y es cuántica. Cuando quiere compatibilizar eso con la teoría de la relatividad general, con las interacciones gravitatorias, resulta que no parecen funcionar. O sea la teoría que uno tiene para explicar muchas cosas no parece funcionar. Las cuerdas, de alguna manera, parecen hacer compatible la relatividad general, o sea la gravitación, con la mecánica cuántica y no es que esté explicando nada…
-¿Y por qué “cuerdas”?
-Aldazabal: Porque los objetos ya no son puntuales sino que son objetos extendidos, como hilitos, que vibran y que interactúan. Eso parecería que puede dar una teoría que incluye tanto a las interacciones entre partículas como a la interacción gravitatoria.
EN MADRID. Gerardo Aldazabal (segundo desde la izquierda) junto con colegas en el IFT. Crédito: Gentileza Aldazabal.
-¿Por qué siempre se menciona los agujeros negros al hablar de teoría de cuerdas?
-Maldacena: Habíamos hablado al principio de la teoría del Big Bang, donde todo el universo era muy pequeño y luego se expande. En el interior del agujero negro, también todo el espacio se contrae.
-El espacio-tiempo se curva o se “hunde” cuando hay algo con mucha masa, como un agujero negro…
-Maldacena: Sí, provoca esto que llamamos agujero negro, que es una región del espacio en donde la fuerza gravitatoria es tan importante que hay regiones del espacio que no pueden comunicarse con el exterior. En una superficie imaginaria, a la que llamamos “el horizonte”, si uno la cruza no puede volver a salir. Pero nada especial ocurre en el horizonte, uno pasa y uno no siente nada. Pero una vez que uno lo cruza, todo el espacio alrededor se empieza a contraer y uno termina siendo aplastado en el centro. En vez de un Big Bang, hay un Big Crunch, una gran implosión dentro del agujero negro.
-Einstein lo intentó explicar con el tema de la singularidad gravitacional, ¿no?
-Maldacena: Einstein realmente no entendió qué eran los agujeros negros. Acá vamos a la historia de los agujeros negros. Un poco tiempo después de que que Einstein escribiera sus ecuaciones, Schwarzschild encontró la solución que ahora llamamos agujero negro. Él la encontró en unas coordenadas donde parecía que el horizonte era singular. A Einstein no le gustó que sus ecuaciones no funcionaran en el horizonte y pensó que quizás se debía a que Schwarzschild había asumido que todo era esféricamente simétrico y que por ahí si no fuera simétrico no pasaría… Y después hubo un montón de discusiones sobre esto.
-¿Qué tipo de discusiones?
-Maldacena: Lemaitre y otros encontraron que el horizonte en realidad no era singular, o sea que uno podía pasar a través del horizonte y nada le pasaba a uno. En los años 30, Oppenheimer y Snyder encontraron que una estrella podía colapsar en un agujero negro y que nada especial pasaba cuando uno cruzaba el horizonte. Y después realmente no se estudió demasiado hasta los años 60, cuando mucha gente los empezó a estudiar y encontraron que era algo genérico, que en general aunque no fuera esféricamente simétrico se producía el agujero negro. Así se entendió que los agujeros negros son verdaderamente una predicción de la gravedad de Einstein. Siempre existía esta singularidad, pero dentro de este horizonte. Si alguien se quedaba fuera del agujero negro, no veía nada especial. Ciertamente si uno entraba en el agujero negro, no podía describir qué pasaba en la singularidad de acuerdo con la gravedad, porque las ecuaciones mismas de Einstein predicen que dejan de ser válidas en la singularidad.
EN PRINCENTON. Juan Martín Maldacena con sus colegas Luis Fernando Alday, Yuji Tachikawa y Francesco Benini. Crédito: Gentileza Maldacena.
-¿Cómo sigue la historia de los agujeros negros?
-Maldacena: Hawking se da cuenta que cuando uno considera los efectos cuánticos en la cercanía del horizonte, haciendo un cálculo muy parecido al que se hace para las fluctuaciones primordiales, se puede encontrar que los agujeros negros emiten radiación. Esto es, que los agujeros negros se están como evaporando. No es entonces esta visión clásica que todo lo que cae dentro de un agujero negro se lo traga y listo, sino que el agujero negro está emitiendo… Y hasta se puede dar la paradoja de que haya agujeros blancos, porque son muy pequeños y calientes… Cuando uno considera esto desde la mecánica cuántica, el agujero negro se puede formar, luego emite radiación y termina apagándose completamente. Pero la radiación de acuerdo al cálculo de Hawking es complemente térmica, no tiene ninguna información o no depende de ninguna manera de lo que cayó dentro del agujero negro. Y en todas las teorías cuánticas, el resultado de un experimento depende de las condiciones iniciales. No puede ser independiente de las condiciones iniciales.
-Hay una pérdida de información…
-Maldacena: Sí, eso era la pérdida de información. Era un cierto problema. Había dos posibilidades. Una es que la mecánica cuántica tenía que ser modificada para incorporar estos efectos; y otra posibilidad es que la mecánica cuántica no se modificaba pero que había que modificar el cálculo de Hawking de alguna manera. Así la gente que trabajaba en teoría de cuerdas logró entender cómo se comportaban los agujeros negros dentro de esa teoría, porque según la teoría de cuerdas, por como se la entiende hasta ahora, no modifica la mecánica cuántica. Especialmente, cuando uno ve un agujero negro desde lejos. Hubo ciertos desarrollos, rivalidades. Había unos objetos en la teoría de cuerdas que se llaman d-branas, que se parecen un poco más a los agujeros negros, que curvan el espacio, pero no tanto…
-Las d-branas son una especie de familiares de los agujeros negros…
-Maldacena: Son una especie de familiares, están digamos en el medio de las cuerdas y los agujeros negros. Al estudiar teóricamente estas d-branas, se vieron ciertas similitudes con los agujeros negros. Uno podía hacer un cálculo de dos maneras. Estaban estas d-branas cuyas vibraciones se pueden describir por partículas que interactúan entre sí de acuerdo con las leyes usuales de la teoría cuántica de campos. Por otro lado, estas d-branas también curvan el espacio-tiempo, y hay ciertas regiones que están muy curvas produciendo una región parecida al horizonte de un agujero negro. Entonces la idea era que esta teoría cuántica de campos es equivalente a esta región cerca del horizonte, que se parece a ciertos universos que se llaman Anti-de Sitter que son universos de curvatura constante negativa. La idea es que estos universos se pueden describir por medio de la teoría cuántica de campos.
-¿Esto está relacionado entonces con el planteo de la Conjetura de correspondencia AdS/CFT, que ahora es conocida como “Conjetura Maldacena”?
-Aldazabal: Sí, lo que planteó Juan Martín fue una equivalencia entre la teoría de campos, que es un teoría de partículas, lo que decía al principio sobre objetos puntuales, con la gravedad de un espacio Anti-de Sitter, que es el origen de la Conjetura, que relaciona la teoría de campos con una teoría de la gravedad en un espacio particular: el Ads, el Anti-de Sitter, un espacio de curvatura negativa.
Por Laura García Oviedo - Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro.
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