EL VACÍO CUÁNTICO Y LA DESTRUCCIÓN DEL UNIVERSO

La física moderna está repleta de conceptos y fenómenos físico-matemáticos tan ajenos a nuestra experiencia cotidiana que no parecen tener conexión con nuestra realidad. Además, en física fundamental, muchos modelos teóricos son tan abstractos y complejos que son muy difíciles de comprender. Por esto, a veces es fácil olvidar que nuestro mundo macroscópico depende absolutamente de lo que suceda a nivel fundamental y a este nivel el mundo está descrito por leyes "físico-matemáticas" como las leyes en las que se basa el modelo estándar de la física de partículas. En este artículo veremos hasta que punto es importante comprender las leyes fundamentales para entender nuestro lugar en el Universo y porque estamos aquí. Además descubriremos como alguno de estos "conceptos abstractos" como el concepto de estado de vacío de un campo cuántico no solo influyen directamente en nuestro mundo real sino que pueden decidir el destino del Universo que habitamos.

A continuación trataremos de explicar de forma sencilla, sin fórmulas complicadas, como la estabilidad de nuestro Universo no está garantizada, de hecho, existe la posibilidad real de que nuestro vacío sea en realidad un estado de falso vacío y sufra una transición a un estado de vacío verdadero. Esto supondría, nada más y nada menos, que la destrucción del Universo tal y como lo conocemos y la aparición de un nuevo Universo, muy probablemente, incompatible con la aparición de cualquier clase de vida.

El vacío cuántico de nuestro Universo

Nuestro Universo, a nivel fundamental, está formado por campos cuánticos cuyas vibraciones constituyen todas las partículas que conocemos. El estado de "vibración mínima" se denomina estado de vacío del campo y no es un estado de energía cero sino un estado de mínima energía.

El llamado modelo estándar (SM) contiene prácticamente todo lo que sabemos sobre física de partículas, de hecho, esta teoría es sin duda uno de los mayores logros del conocimiento humano y su capacidad para predecir como funciona nuestro mundo (cuántico) es absolutamente impresionante. Esta teoría es una teoría cuántica de campos en la que, como hemos dicho, los componentes fundamentales son campos que oscilan o "vibran". De entre todos los campos del SM existe uno especial, uno que permea todo el espacio-tiempo similar al campo de "la fuerza" de Star Wars :D

Este campo de fuerza determina las características del resto de partículas conocidas y por tanto permite nuestra existencia. A continuación vamos a visualizar la forma de este campo extraordinario:

La energía total de un campo cuántico tiene dos componentes que podemos denominar energía cinética y energía potencial. El eje x y el eje y representan el valor de la energía cinética y el eje z el valor de la energía potencial. Si nos fijamos en el gráfico anterior vemos que en el punto A el campo tiene energía cinética 0 y energía potencial V. Los campos tienden siempre a "rodar" hacia el punto de mínimo potencial, por eso, el campo en el punto A es inestable: en un momento dado, debido a una fluctuación cuántica o por efecto túnel, el campo "saltará" desde el punto A al punto B. En el punto B sucede algo "curioso": el potencial del campo es 0 pero el valor del campo es 246GeV. Por si aún no lo han adivinado este "campo de fuerza" es el campo de Higgs. Cuando la energía media de nuestro Universo descendió por debajo de 246GeV el "campo de fuerza" saltó desde el punto A al punto B, este proceso fijó el valor del vacío del campo de Higgs que determina el vacío del SM y por tanto el vacío actual de nuestro Universo.

Túnel cuántico hacia la destrucción

A continuación nos haremos dos preguntas cruciales: ¿Podemos conocer la forma COMPLETA del potencial del campo "de fuerza"? Si seguimos explorando el gráfico para valores muy grandes del eje x, ¿Qué forma tendría el gráfico? La respuesta a la primera pregunta es afirmativa. La respuesta a la segunda es la siguiente:

El punto B representa el vacío actual de nuestro Universo y se corresponde

con el punto B del gráfico anterior

El hecho fundamental es que a partir de cierto valor del campo, el potencial llega a un máximo, vuelve a descender y ¡se vuelve negativo! Esto hace posible la existencia de un nuevo valor de vacío ¡Inferior al valor actual! Veamos esto con más detalle.

La forma del potencial del "campo de fuerza" viene dada por un valor denominado constante de acoplamiento (lambda). Cuando calculamos que le sucede a este valor al aumentar la energía encontramos algo verdaderamente alarmante:

Para energías del orden de 10exp10 GeV el valor de lambda ¡se vuelve negativo! Esto quiere decir que el potencial del campo tiene un valor menor que el actual y que por tanto ¡El vacío de nuestro Universo no es estable!

Esto es debido a que si el potencial del campo de Higgs tiene un mínimo por debajo del mínimo del SM existe la posibilidad de que debido a fluctuaciones cuánticas o por efecto túnel el estado de vacío actual "salte" hasta el nuevo estado de vacío. Este fenómeno tendría efectos totalmente desastrosos: el nuevo estado de vacío empezaría a expandirse a la velocidad de la luz destruyendo todo a su paso. La pregunta acuciante sería ¿Podemos calcular la posibilidad de esa transición?

La probabilidad del final del Universo

La probabilidad de transición por efecto túnel en una barrera de potencial viene dada aproximadamente por:

donde hI es el valor del campo en la región de inestabilidad y S4 es la acción asociada a la probabilidad de transición por efecto túnel. Para un potencial negativo como el del gráfico anterior tenemos que S4 vale aproximadamente:

Entonces la probabilidad de transición viene dada por:

Para encontrar la probabilidad por unidad de tiempo y unidad de volumen debemos multiplicar este valor por el espacio-tiempo cuatridimensional contenido en el tamaño actual del Universo, lo que equivale aproximadamente a la cuarta potencia de la edad del Universo:

Este valor es mucho mayor que el valor de hi observado (aproximadamente -0.01) por lo que la probabilidad de transición es muchísimo menor que la edad del Universo:

¡ Por fortuna la probabilidad de destrucción del Universo es muy muy pequeña !

Esto significa que nuestro Universo no es realmente inestable sino metaestable. Sin embargo, esta metaestabilidad es bastante "extraña" ya que parece que nuestro Universo se encuentra en una franja muy crítica entre la estabilidad y la inestabilidad para ver esto fijémonos en este gráfico:

¿Por qué nuestro Universo parece encontrase en una franja tan especial? Fijémonos en este otro gráfico:

De nuevo, de forma intrigante, nuestro vacío parece encontrarse en un fino equilibrio entre la estabilidad y la inestabilidad.

Hay que destacar un hecho muy importante, el cálculo que hemos realizado para calcular la estabilidad de nuestro vacío hace una suposición clave: supone que el SM es válido a todas las escalas de energía, sin embargo, si esto no es así este cálculo puede verse modificado de forma drástica.

Gravedad, estabilidad y nueva Física más allá del modelo estándar

Existen fenómenos comprobados experimentalmente como la masa de los neutrinos, la materia oscura o la energía oscura que apuntan claramente a la existencia de física más allá del SM. La existencia de nueva física produciría que la estabilidad de nuestro vacío cambie de forma drástica. Los efectos de la nueva física podrían hacer el Universo más estable o más inestable. Por ejemplo, la existencia de un neutrino dextrógiro de gran masa predicho por muchos modelos sería catastrófico: la estabilidad caería de forma alarmante. Como sabemos que la vida media de la transición no puede ser mucho menor de la edad del Universo (si no no estaríamos aquí) esto implica una cota máxima a la masa de estos neutrinos. Por otro lado, hay trabajos que indican que la fuerza no incluida en el SM, la gravedad, puede contribuir a que nuestro Universo sea estable.

Esto significa que el estudio de la estabilidad del Universo puede ayudarnos a analizar la probabilidad de existencia de nuevos fenómenos físicos más allá del SM.

Conclusiones

Para que nosotros estemos aquí leyendo esto (las pocas personas que leen estas cosas) han tenido que suceder una cantidad de fenómenos verdaderamente extraordinarios. El Universo que vemos es en realidad "las cenizas" de sucesos que sucedieron a altísimas energías. Uno de estos sucesos fundamentales sucedió a "solo" 246GeV: un campo de fuerza sufrió un cambio de fase y produjo la masa de gran parte de las partículas que vemos. Este campo de fuerza que tuvo el poder para facilitar nuestra existencia tiene también la capacidad de acabar con ella. Como hemos visto, el objeto de estudio de los físicos de alta energía influye de forma drástica en nuestro mundo cotidiano y por tanto, su estudio no es solo de interés teórico.

Fuentes: Vacuum Stability and the Higgs Boson