viernes, 13 de noviembre de 2015

Tenemos un universo, tenemos un problema... Cuentos Cuánticos.


Durante los últimos días, y a causa del descubrimiento del BICEP2 de algo llamado polarización en modos B de la radiación cósmica de fondo, han habido dimes y diretes en relación a la existencia de un universo, de un multiverso y de otras cosas al respecto.
  Todo lo que puedo decir es que actualmente la física teórica está plagada de ideas lo suficientemente locas y atrevidas como para sorprender al más pintado.
 Además, estas ideas polarizan las opiniones de físicos, aficionados y de los que pasaban por allí. 
 El problema en mi opinión, y sí, esta es mi opinión personal, es que nadie pone énfasis en qué es lo aceptado teórica y experimentalmente, es decir, fuera de toda duda (fuera de toda duda en ciencia se traduce por:  estamos bastante seguros mientras no se demuestre lo contrario), y lo que son puras elucubraciones teóricas asociadas a los modelos que estamos usando para describir la realidad que nos rodea (por favor, uso realidad en el sentido de la calle, no estoy haciendo ontología, axiología, teleología o cualquier otra logía que se os ocurra).
Por lo tanto, voy a poner aquí unas cuantas cosas que me llevan de cabeza en este tema.
  Son cosas que si las piensas dos veces tienes tres opiniones distintas, por eso procuro pensarlas solo una vez y, la mayoría de las veces, media vez.  
Voy a procurar seguir la siguiente estructura:
  1. El título de las secciones será alguna idea cosmológica.
  2. Intentaré decir y fundamentar si la idea es aceptada (comprobada con mayor o menor grado) o no lo es.  Algunas, directamente son ideas falsas que pululan por ahí.
  3. Procuraré explicar, en la medida de lo posible y lo más llanamente que sea capaz, de dónde viene la idea y qué importancia tiene.
Espero que esto le sirva a alguien, a mí me servirá para poner orden en mi cabeza.

El big bang fue la explosión de un punto que lo contenía todo


Estado de la idea:
Hoy día tenemos múltiples evidencias de que nuestro universo se está expandiendo.  Además sabemos que lo está haciendo de forma acelerada. 
 Por lo tanto podemos hacer la siguiente cadena de razonamientos:

  1. Si todo está separándose de todo (y aquí por todo tenemos que entender las galaxias) en el pasado todo estaba más junto, más cerca.
  2. Si extrapolamos esta situación llegamos a la conclusión de que tuvo que haber un instante en el que toda la materia/energía que conocemos estaría concentrada en un único punto.
A eso se le han dado varios nombres, big bang, huevo cósmico, etcétera.
La idea por tanto nos lleva a pensar que todo lo que existe pre-existía contenido en un punto.  Pero aquí vienen varios problemas, ese punto tendría una densidad infinita y una temperatura infinita. Lo que es aún más grave, la expansión del universo involucra la propia expansión del espaciotiempo.
 Es dicha expansión del espaciotiempo lo que “arrastra” a las galaxias que están en su seno.  Por lo tanto, ese huevo cósmico también contenía todo el espaciotiempo.  Nada existía fuera de él.
El origen del universo se plantea en este contexto como la “explosión” de este huevo.  Esta imagen ha pululado y se ha asentado en el imaginario popular echando profundas raíces.  Sin embargo, es una imagen falsa y sin sentido físico.  Las razones son las siguientes:
a)  Si todo estaba contenido en un punto con propiedades infinitas de densidad y temperatura nuestras leyes de la física no pueden describir ese sistema.  El susodicho huevo no es algo físico.
b)  No tenemos ninguna explicación ni razón para que dicho huevo “explotara” generando el universo.
c)  Hoy sabemos que la materia como la vemos hoy día no es como ha sido siempre durante la evolución del universo.  En los experimentos de alta energía hemos visto como la materia se comporta de formas extrañas y exóticas cuando está en un ambiente de alta energía.  En la evolución del universo, al estar más y más comprimido la temperatura sería más y más alta.  Por tanto la energía disponible en el ambiente sería tal que las formas en las que se presentaba la materia tendrían poco que ver con la materia que estamos acostumbrados a ver a nuestro alrededor.  Esto quiere decir que aún no sabemos que había justo en los primerísimos instantes del universo.
Cuando un científico habla del big bang habla de la historia del universo sin especificar su origen. Asumimos que tuvo un origen, no podemos explicar el mismo, pero si podemos explicar su evolución.
¿Qué cosas hemos predicho sobre el universo y su evolución?
a)  La teoría del big bang, como teoría de la evolución del universo sin entrar en su origen, ha predicho las proporciones de los primeros elementos químicos, hidrógeno, helio, litio, etc.
b)  Ha permitido entender la estructura a gran escala del universo. La forma en la que se distribuyen las galaxias en el universo.
c)  Y quizás lo más impactante, predijo la presencia de una radiación cósmica de microondas que nos llegaba desde todas las direcciones. 
Esta radiación tendría que tener la misma energía en todos los puntos salvo por fluctuaciones de una parte en 100.000.
La radiación cósmica de fondo es la mejor fuente de información que tenemos para contrastar nuestros modelos y para hacer observaciones sobre características que adquirió el universo temprano. Cada vez somos capaces de hacer mejor medidas sobre dicha radiación y de extraer más y mejor información sobre el universo.

El universo tiene un tamaño de…  El universo es infinito


En muchas ocasiones nos hablan sobre el tamaño del universo. En muchas otras nos dicen que el universo es infinito. ¿Nos toman el pelo?
La respuesta es, no.
Cuando nos hablan del tamaño del universo nos están hablando del universo observable.  El universo que es accesible a nosotros. Y tenemos que recordar que solo podemos tener conocimiento de un suceso o localización de algo en el universo si ha dado tiempo a que nos llegue información sobre dicho suceso o localización.  Sabemos que la información se traslada por el universo con una velocidad que a lo sumo es la velocidad de la luz en el vacío. 
 Por tanto, esto hace que tengamos regiones de las que podemos tener conocimiento y otras de las que no.
observable

La región de universo observable tiene un tamaño finito.
 El tamaño viene dado por la distancia máxima que han podido seguir los rayos de luz en la vida del universo.

¿Hay más universo fuera de mi universo observable?  
Pues no podemos estar seguros, no sabemos lo que hay ahí fuera, ni tan siquiera si hay algo.  Sin embargo, podemos suponer que no estamos en ningún sitio especial del universo así que si nos movemos a un punto distante, a otra galaxia, nuestro universo observable cambiaría.  
Es de suponer que no encontraremos una barrera donde el universo acabe bruscamente. Así el tamaño del universo “completo” (observable + no observable) podría ser infinito.
De hecho, hoy día sabemos que nuestro universo se está expandiendo de forma acelerada.  Hay una sutil relación entre este hecho y las posibles “formas geométricas” y “tamaños” del universo completo (no solo el observable). 
 Lo que ahora asumimos en cosmología es que nuestro universo completo es infinito en extensión espacial, siendo nuestro universo observable un parche de universo, al que podemos acceder por observaciones.
Para concluir,
Nuestro universo puede ser infinito en extensión espacial.
De ese universo solo podemos acceder a una pequeña parte conocida como “universo observable”.

El universo pasó por una fase de expansión muy, muy rápida llamada inflación


Estado de la idea:
Esta idea está hoy día aceptada por los datos acumulados en distintas misiones de observación cosmológica.
Lo que nos cuenta es que el universo pasó un proceso de expansión exponencial y salvaje en los primeros instantes de su vida.  Este proceso es capaz de explicar una serie de detalles que pasamos a mencionar:
a)  El universo es homogéneo a gran escala.  El universo se presenta homogéneo, tan homogéneo que solo hay variaciones en la densidad del mismo en una parte en 100.000.  Esto es justo lo que se ve en la radiación cósmica de fondo.
Esta homogeneidad no hace referencia a escalas pequeñas, sistema solar o galaxias, hay que ir a escalas mucho más grandes donde los elementos más pequeños distinguibles serían cúmulos o supercúmulos de galaxias. 
 Entonces el universo se muestra como una pasta homogénea con pequeños grupos despreciables.
Con la teoría del big bang no era posible tener un universo tan homogéneo sin que el estado inicial del universo “hubiera sido seleccionado con una precisión exquisita”.  Pero dado que no hay ningún mecanismo que haga esa selección de forma natural tendríamos que pensar que nuestro universo empezó de una forma arbitraria.  Hawking y compañía demostraron en la década de los 70 que no hay ninguna posibilidad de acabar con un universo tan homogéneo como el que vemos si empezamos con unas condiciones iniciales arbitrarias.
La inflación soluciona esto de una forma simple y elegante, da igual con que situación inicial empieces, tras la expansión brutal que implica la inflación siempre acabarás con una distribución homogénea con pequeñas variaciones.  La inflación tiene como efecto tamizar el universo.
b)  La inflación también predice que tenemos que ver distintas características en la radiación cósmica de fondo.  Hay una cosa en la radiación cósmica de fondo que se denomina multipolos. Distintos modelos cosmológicos describen de forma diferente la forma en la que se presentan dichos multipolos en la radiación.  
Lo que se encuentra es:
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Diferentes curvas de distintos colores corresponden a distintos modelos cosmológicos.  La curva roja es la que mejor ajusta a los datos observacionales y es la que predice la inflación (los modelos más sencillos con constante cosmológica).
Además, la inflación explica de dónde procede la materia que observamos en el universo.  Inicialmente se produce un proceso de expansión inflacionaria y llegado un momento esta inflación se detiene, se frena, y en el proceso de frenado se libera energía que se transforma en las partículas y en los campos cuya evolución dio lugar al universo que conocemos.
La inflación no modifica al big bang (historia de la evolución térmica del universo), lo complementa y lo amplía explicando algunas cosas que la teoría originaria no podía explicar.
Evidentemente, la teoría inflacionaria no está libre de problemas:
a. Hay, literalmente, cientos de modelos inflacionarios con distintos modos en los que la inflación empieza y acaba.  Afortunadamente dan lugar a distintas predicciones sobre distintos observables y ahora estamos en disposición de eliminar aquellos cuyas predicciones no coinciden con la observaciones experimentales.
b.  Los modelos inflacionarios tienen una extensión metafísica, parecen implicar que nuestro universo solo es una parte de algo mayor llamado multiverso.  Ahora hablaremos de eso con más detalles.

Nuestro universo no es más que un miembro de un multiverso


Estado de la idea:
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 expectation value) 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.  
2.-  Este falso vacío se expande de forma inflacionaria, así que también llamaré al falso vacío, vacío inflacionario.
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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.
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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:
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Pocket-Universe
¿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.
El vacío inflacionario no tiene una gráfica de energía simple, más bien es algo así:
CD-Potential1
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.
Multiverse
¿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.
Pero dado que cabezotas hay en todos sitios y en física son especialmente abundantes:
First Observational Tests of Eternal Inflation  Se plantean encontrar pruebas de las colisiones de burbujas en el multiverso mirando los datos de la radiación cósmica de fondo del WMAP.  RESULTADO = NINGUNA EVIDENCIA.
¿Podría nuestro universo tener alguna señal de entrelazamiento cuántico con otro universo del multiverso?   RESULTADO=NINGUNA EVIDENCIA.
No haré una lista pormenorizada de cuantos trabajos hablan de observar el multiverso en datos a los que podemos o podríamos acceder.
A mí, no me gusta el tema de los multiversos por varios motivos:
1.-  La principal razón es… Porque no.
2.-  La segunda es que los modelos inflacionarios todavía no están libres de problemas en su definición.  Por ahora se basan en modelos extrapolados de modelos efectivos, es decir, no sabemos qué campo es el que generó la inflación.  Lo que parecen indicar los datos es que debe de ser un campo escalar. Afortunadamente ya hemos encontrado un campo escalar fundamental en la naturaleza, el Higgs.  Eso hace más plausible encontrar otro, el inflatón, que produzca la inflación.
3.-  Los argumentos gravitatorios asumen que la relatividad general es válida en el contexto inflacionario, tal vez lo sea, pero no está probado. Seguramente hay que partir de un estado anterior preinflacionario en el que una teoría de gravedad cuántica sea indispensable para saber qué genero y cómo la inflación.
Pero el modelo inflacionario nos lleva genéricamente a pensar en un multiverso del tipo explicado aquí, tendremos que seguir pensando en el tema y viendo a ver si podemos descartar o aceptar la imagen en base a datos observacionales.  Al igual que tenemos que seguir buscando la energía oscura, dimensiones extra o señales de supercuerdas. 
Al final, como siempre en este negocio, decidirán los datos.