¿Nuestro universo no es más que un miembro de un multiverso?

La idea es que nuestro universo forma parte de algo mayor, el multiverso.

 Este multiverso es un conjunto de universos desconectados entre sí y que, hipotéticamente, no pueden tener contacto unos con otros.

Esta idea aparece en varias teorías físicas, y no tiene su origen en ideas esotéricas o mágicas, se extrae de teorías físicas que están siendo, en su mayoría, comprobadas observacionalmente o que tienen suficiente entidad teórica como para intentar comprobarlas desde el punto de vista experimental. Ejemplos de teorías que conducirían a la idea de multiverso son la teoría de cuerdas, la inflación, la teoría cuántica, etc.

Aquí describiremos el multiverso inflacionario.
Para ellos necesitamos explicar algunos conceptos previos.

El vacío

El vacío en física no es la nada absoluta, es un estado físico de los sistemas que está bien definido y que tiene propiedades particulares que le posibilitan interactuar con otros estados de diversos sistemas. Es decir, el vacío es algo bien definido en física y no implica la ausencia de todo.

En teoría cuántica los campos como el campo electromagnético está asociado a la presencia de unas determinadas partículas, los fotones. Así podemos decir:
Sabemos que en una región hay campo electromagnético porque hay fotones. Si en una región encontramos fotones sabemos que hay campo electromagnético.

Esto pasa con todos los campos cuánticos conocidos, el Higgs, el electromagnético, el débil, etc. Cada uno de ellos tiene sus propias partículas asociadas con características propias del campo al que están asociadas.

La primera noción que podemos tener del vacío es la siguiente:
El estado de vacío cuántico de un campo es el estado de mínima energía del mismo y que tiene ausencia de sus partículas asociadas.

Así, el campo electromagnético estará en el vacío si tenemos una situación en la que no hay fotones y por tanto el campo electromagnético está en su estado de mínima energía.
Esto es lo que sucede con la mayoría de los campos conocidos.
Si representamos el campo por una bola y sus posibles energías por una superficie, la situación de vacío es que el campo (la bola), esté en el mínimo de energía.Sin embargo, hay campos que pueden estar en la situación de no tener partículas asociadas presentes y no estar en su mínima energía.

Cuando el valor esperado del vacío es nulo (vacuum expectatur valorem / valor esperado del vacio ) no hay partículas presentes del campo, sin embargo el campo no está en su mínima energía. Esta situación es la que presenta por ejemplo el campo de Higgs. Cuando un campo está en esta situación, energía no nula y sin partículas asociadas, se dice que está en estado de falso vacío.

Propiedades del falso vacío

La primeras propiedades del falso vacío son:

a) Al no ser el estado de mínima de energía de un sistema es inestable. Eso quiere decir que decaerá o se “desintegrará” en el estado de mínima energía propia del sistema, el estado de vacío real.
b) Al pasar del falso vacío al vacío real, la energía sobrante se transforma en otros campos y partículas.
Si metemos la gravedad de por medio una región con falso vacío tiene propiedades espectaculares:
1.- Produce una expansión enorme en dicha región. Actúa como una fuente de repulsión gravitatoria. Esto es lo que produce la inflación.
2.- Su densidad de energía no disminuye al expandirse el espacio, se mantiene contante.

¿Cómo sale el multiverso de la teoría inflacionaria?

La cadena de ideas que nos lleva al multiverso es la siguiente:

1.- Inicialmente todo era un falso vacío : " Et in principio, et hoc erat ante quantum vacuum" / Y en el inicio , todo esto antes era vacío cuántico .
2.- Este falso vacío se expande de forma inflacionaria, así que también llamaré al falso vacío, vacío inflacionario.
3.- Este vacío fluctúa, es decir, su valor oscila alrededor del valor de energía que le corresponde en la configuración en la que se encuentra. Las fluctuaciones son inevitables, son debido a la naturaleza cuántica del campo y del vacío inflacionario. Estas fluctuaciones modelan la forma gráfica de la energía del campo y a veces hacen que el falso vacío decaiga a un vacío real. Pero eso no tiene por qué pasar en todo el espaciotiempo a la vez, lo hará en una pequeña región. Esta región dejará de expandirse de forma inflacionaria, “sumergida” en un falso vacío que sigue expandiéndose de forma exponencial. Se crearán partículas, se fijaran las constantes físicas en función del nuevo valor del vacío y tendremos un universo. A estos universos se los denomina universo burbuja.
3.- Pero el falso vacío exterior sigue expandiéndose de forma inflacionaria. La burbuja donde se ha frenado la inflación seguirá una evolución dictada por las leyes de la física que gobiernen la materia que se ha creado en su interior.
El proceso de decaimiento del falso vacío a uno real se hará por zonas, será aleatorio y continuará por siempre.

¿Estas burbujas son universos?

Teóricamente, sí. En estas burbujas las leyes de la física se fijan por cómo haya decaído el vacío inflacionario al vacío real.
Dependiendo del vacío inflacionario de partida y del vacío real de llegada, las leyes de la física no tienen que ser la misma en distintas burbujas. Las leyes de la física a baja energía, aquellas que controlan los procesos físicos relevantes a nuestra escala, están influídas por el valor de determinados campos en el vacío. Por ejemplo, hoy sabemos que las masas de las partículas tienen que ver con el vacío del campo de Higgs. Esto fija masas, cargas e interacciones efectivas en las burbujas, así aunque haya un conjunto de leyes físicas operando en todo el multiverso, en cada burbuja, cada vacío selecciona unas leyes físicas efectivas a baja energía distintas en cada burbuja.

Pero las burbujas están encerradas y aisladas. Bueno, el nombre burbuja, dominio, pocket, o cualquier otro es engañoso. En estas regiones la geometría puede ser infinita, no podemos pensar que son bolas sumergidas en un océano de falso vacío que se expande como loco. La matemática aquí es bellísima y nos dice que estás “burbujas”, o “dominios”, o “universos hijos”, o “universos pocket”, pueden tener geometrías tal y como entendemos la geometría de nuestro universo.

¿Se podría comprobar experimental u observacionalmente la existencia de otros universos?

Pues parece difícil, sin embargo, en física no es la primera vez que se propone algo que en principio no es comprobable y al final se ha comprobado. Empezando por los neutrinos y acabando con la tan buscada supersimetría que aún no ha dado la cara. Unas veces se ha encontrado algo que en principio era inobservable, como los neutrinos.
Con los neutrinos hemos pasado de ser no observables a tener cañones que los lanzan donde queremos.