martes, 7 de febrero de 2012

Peces de pecera, hijos del vacío.



Somos hijos de una fluctuación del vacío que dio lugar al Big Bang. Nuestra relación con el conjunto del verdadero universo, que nosotros llamamos heteroverso, es la de un pez de pecera con el resto del mundo. ¿Ciencia ficción? No, sólo ciencia.

En los años 90 del siglo pasado se descubrió que el universo no sólo se está expandiendo sino que además lo hace aceleradamente (este descubrimiento fue merecedor del último premio Nobel de física). Sus constituyentes están siendo separados por una misteriosa fuerza repulsiva que viene del espacio vacío: a esto es lo que llamamos energía oscura. Esta repulsión universal puede describirse por un sólo número, la constante cosmológica (véase Einstein y...la pizarra del observatorio de Monte Wilson).

De manera poco rigurosa pero intuitiva podemos considerar la constante cosmológica como el “peso”, la energía si lo prefieres, del espacio vacío. Imaginate en esa época en la que se desconocía la existencia de los átomos y que estás en una habitación en la que se han retirado absolutamente todos los objetos: puedes creer que la habitación está vacía y que no ocurre nada; hoy, sin embargo, sabemos que hay una actividad frenética a nivel atómico. La teoría cuántica nos dice que, sorprendentemente, el espacio vacío es un enjambre de partículas virtuales apareciendo y desapareciendo de la existencia.

El comportamiento de estas partículas es descrito con una precisión extraordinaria por otra teoría: el modelo estándar de la física de partículas. Pero en cuanto hablamos de la constante cosmológica el modelo tiene problemas. Según éste el espacio vacío debería pesar mucho más de lo que sabemos que hace, y la diferencia entre modelo y datos no es pequeña: unos 120 órdenes de magnitud mayor el primero que los segundos. Una predicción terriblemente mala de una, por otra parte, estupenda teoría.

No sólo eso, el modelo estándar de la física de partículas no tiene en cuenta la gravedad. Todos los intentos que ha habido de intentar introducir la gravedad han llevado a resultados matemáticos que no tienen sentido físico. Los científicos llevan mucho tiempo intentando encontrar una “teoría del todo” que pueda acomodar tanto la teoría de partículas (y, por extensión, la cuántica) y la gravedad. Una teoría, aunque realmente habría que decir una colección de teorías, que pretende ser la solución al problema es la teoría de cuerdas. Y la teoría de cuerdas sugiere que nuestro universo no es todo lo que hay. En este punto el término multiverso es muy popular, y quizás tiene connotaciones demasiado melodramáticas, por lo que utilizaremos mejor la palabra heteroverso, por razones que serán evidentes enseguida.

El universo realmente no sería homogéneo, único, sino que podría tener regiones en las que las leyes de la física serían diferentes en cada una. Pero no porque sean diferentes de una forma fundamental, sino porque lo que existe tiene ajustes ligeramente diferentes en diferentes regiones. Veámoslo con un ejemplo. Imagina que eres un pez en una pecera enorme; nunca has conocido nada que no sea la pecera. Para ti es inconcebible un sitio que los peces físicos teóricos llaman aire en el que las leyes de la física son distintas: la velocidad del sonido es diferente, la velocidad de la luz es diferente, la conductividad es diferente, etc. Los peces físicos teóricos también hablan de hielo, roca, metal y muchos más. Son todos diferentes “universos”, pero están en éste, el heteroverso.

El heteroverso es gigantesco, mucho mayor de lo que puedas imaginar, y existen regiones en él abrumadoramente grandes separadas por distancias enormes, que podrían tener sus propias variantes de leyes físicas. A diferencia de los peces físicos teóricos, sus equivalentes humanos no han conseguido descubrir esas otras versiones de las leyes de la física. Una de las razones es que no hemos podido descomponer electrones, protones y neutrones en sus constituyentes y recomponerlos de otra manera, básicamente porque las energías necesarias son demasiado elevadas.

En un heteroverso el enigma de por qué la constante cosmológica es tan pequeña se hace un poco menos enigmático. Nada hace que tenga que ser tan pequeña en principio, de hecho en otras partes del heteroverso podría ser mucho mayor. Ocurre simplemente que no podemos experimentar nunca con/en esas partes. ¿Por qué? Porque en una región del heteroverso con una constante cosmológica demasiado grande no hay cabida para la complejidad, es decir, no pueden desarrollarse observadores. No es sorprendente, por tanto, que nos encontremos en una región con una constante cosmológica pequeña.

El misterio del vacío y la constante cosmológica aún puede hacerse más perturbador, tanto como Darth Vader diciéndole quién era en realidad a Luke Skywalker. Y es que el vacío es nuestro padre.

Un estado vacío, en física cuántica, es aquel que tiene la energía más baja y concuerda con nuestra intuición de vacío, esto es, no contiene partículas. Estar en un estado vacío es como estar en lo más profundo del valle más bajo. También es posible estar en un falso vacío, en nuestra analogía sería estar en lo más profundo de un valle pero no del más bajo. El vacío es lo que llamamos un estado estable, mientras que el falso vacío es un estado metaestable

Metaestabilidad
La idea del heteroverso inflacionario, que forma parte del modelo cosmológico estándar, es que el heteroverso, o alguna parte de él, comenzó en un estado de falso vacío. Este falso vacío lleva aparejada una presión negativa, que convierte la gravedad en una fuerza repulsiva, haciendo que el universo inflacione a una velocidad vertiginosa, doblando su tamaño en tan solo 10-37 segundos. Un símil con mucha limitaciones pero posiblemente útil es considerar la esfera de la imagen: un observador en ella verifica la atracción gravitatoria normal en su superficie pero la misma gravedad en otro marco también hace que la esfera se acelere alejándola (inflacionariamente) de su procedencia.

En nuestro símil, el falso vacío es el valle superior de la imagen, que no es estable. De la misma forma que un núcleo radiactivo se desintegra en algún momento, el falso vacío se desintegra en verdadero vacío, y sube la pequeña colina central. Su cima es el Big Bang.

Pero, como apuntábamos más arriba, la desintegración del falso vacío no tiene por qué ocurrir en todos los lugares al mismo tiempo, evitando que el conjunto del heteroverso se expanda. Más bien podría ocurrir en pequeñas regiones del espacio, creando bolsas que experimentan big bangs locales. Nosotros viviríamos en una de estas bolsas, rodeando a nuestro big bang particular.

¿Quién necesita ficción cuando tiene a la ciencia?

6 comentarios:

Raven dijo...

Brutal... Sencillamente, lo mejor que he leído últimamente.

La idea la descubrí a través del libro de Dawkins "El espejismo de Dios" pero tengo que admitir que me ha gustado mucho más tal como la has contado.


Ahora me pregunto si en este heteroverso, hay sitio para agujeros de gusano.

Francis dijo...

Buena entrada, César, entre la filosofía y la física. Me gusta el término "heteroverso" por "multiverso" (y me parece muy acertado hablar de "heteroverso inflacionario" porque hay otros "multiversos" pero el inflacionario es el más razonable).

Solo quisiera apuntar un detalle. En los próximos 3 años se publicarán diferentes análisis del fondo cósmico de microondas (CMB) gracias al satélite Planck de la ESA. El análisis más importante y el más difícil de realizar (por ello creo que necesitará varios años para ver la luz) es el que pretende observar las señales en el CMB del fondo cósmico de ondas gravitatorias debidas a la inflación cósmica. Este análisis es una "misión imposible" (muy difícil de realizar y requiere alardes técnicos que rayan lo no factible), pero si al final se observan (o no) los modos B en las anisotropías del CMB podremos saber si la inflación ha existido (o no) y podremos saber si las ideas del "heteroverso inflacionario" son filosofía o física.

Jose dijo...

Con tu permiso voy a usar este post, uno de los mejores que he leido en los últimos tiempos, para agradecerte todo lo que estoy aprendiendo con Experientia Docet desde hace hoyy un año.
Gracias
Jose

banchsinger dijo...

Simplemente genial... me recuerda a algo que una vez leí en algún lugar a cerca del multiverso, o heteroverso, o como lo queramos... No podemos probar experimentalmente que esto existe, pero explicar lo que existe sin recurrir a esto haría las cosas tan complicadas que es mucho mas improbable que sea de otra manera.

Esperaremos a que la tecnología y la ciencia nos digan si, a este nivel, aun corta la Navaja de Ockham.

Ese Punto Azul Pálido dijo...

Este post merece una calificación de AAAA+

Brutal, como dice Raven.

Gracias, César.

Fernando Beltran dijo...

En el artículo se afirma la existencia del multiverso (ésta es la terminología más aceptada actualmente, aunque me parece muy acertado el concepto de heteroverso ) pero, es necesario aceptar la Teoría de la Inflación para entender un multiverso. Hoy día, sin embargo, incluso los propios impulsores de esta revolucionaria Teoría se están descolgando en su defensa. Según Paul J. Steinhardt "una teoría que predice cualquier cosa no predice nada".
Recomiendo la lectura del artículo LA INFLACIÓN A DEBATE en el nº 417 de Investigación y Ciencia..
Soy un fiel seguidor de tus post, César.