Las fluctuaciones del vacío pueden provocar la formación de protouniversos virtuales que, en determinadas condiciones, pueden pasar de un estado virtual a uno real.
Los físicos han estado intentando durante muchos años construir una teoría cuántica de la gravedad, hasta ahora, desafortunadamente, sin éxito. Casi todos están de acuerdo en que tal teoría debería combinar la teoría relativista de la gravitación de Einstein con la mecánica cuántica, y esta es una tarea muy, muy difícil.
No obstante, la mecánica cuántica, con todas sus paradojas, describe las propiedades de los objetos que existen en el espacio newtoniano no curvo. La futura teoría de la gravedad debería extender las leyes probabilísticas de la mecánica cuántica a las propiedades del propio espacio (más precisamente, el espacio-tiempo), deformado de acuerdo con las ecuaciones de la teoría general de la relatividad. Nadie sabe realmente cómo hacer esto usando cálculos matemáticos rigurosos.
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Nacimiento frío
Sin embargo, las formas de tal unión se pueden pensar a nivel cualitativo, y aquí aparecen perspectivas muy interesantes. Uno de ellos fue considerado por el famoso cosmólogo, profesor de la Universidad de Arizona Lawrence Krauss en su libro recientemente publicado "Un universo de la nada" ("Universo de la nada"). Su hipótesis parece fantástica, pero de ninguna manera contradice las leyes establecidas de la física.
Se cree que nuestro universo surgió de un estado inicial muy caliente con una temperatura del orden de 1032 kelvin. Sin embargo, es posible imaginar el nacimiento frío de universos a partir de un vacío puro, más precisamente, de sus fluctuaciones cuánticas. Es bien sabido que tales fluctuaciones generan una gran cantidad de partículas virtuales que literalmente emergen de la nada y luego desaparecen sin dejar rastro. Según Krauss, las fluctuaciones del vacío, en principio, son capaces de dar lugar a protouniversos igualmente efímeros, que, en determinadas condiciones, pasan de un estado virtual a uno real.
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Universo sin energía
¿Qué se necesita para esto? La primera y principal condición es que el embrión del universo futuro debe tener energía total cero. En este caso, no solo no está condenado a una desaparición casi instantánea, sino que, por el contrario, puede existir durante un tiempo arbitrariamente largo. Esto se debe al hecho de que, según la mecánica cuántica, el producto de la incertidumbre en la energía de un objeto por la incertidumbre en su vida útil no debe ser menor que el valor final: la constante de Planck.
La separación de interacciones fundamentales en nuestro universo temprano tenía la naturaleza de una transición de fase. A temperaturas muy altas, se combinaron interacciones fundamentales, pero al enfriarse por debajo de la temperatura crítica, no se produjo la separación (esto se puede comparar con el sobreenfriamiento del agua). En ese momento, la energía del campo escalar asociado a la unificación superó la temperatura del Universo, lo que dotó al campo de presión negativa y provocó una inflación cosmológica. El Universo comenzó a expandirse muy rápidamente, y en el momento de la ruptura de la simetría (a una temperatura de aproximadamente 1028 K) sus dimensiones aumentaron 1050 veces. En este momento, el campo escalar asociado con la unificación de interacciones también desapareció y su energía se transformó en una mayor expansión del Universo.
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Tan pronto como la energía de un objeto es estrictamente igual a cero, se conoce sin ninguna incertidumbre y, por lo tanto, el tiempo de su vida puede ser infinitamente largo. Es debido a este efecto que dos cuerpos cargados ubicados a distancias muy grandes son atraídos o repelidos entre sí. Interactúan mediante el intercambio de fotones virtuales que, debido a su masa nula, se extienden a cualquier distancia. Por el contrario, los bosones del vector gauge que llevan interacciones débiles, debido a su gran masa, existen solo durante unos 10-25 segundos, como resultado de lo cual estas interacciones tienen un radio muy pequeño.
¿Qué tipo de universo, aunque embrionario, con energía cero? Como explicó el profesor Krauss a Popular Mechanics, no hay nada místico en esto: “La energía de tal universo está compuesta por energía positiva de partículas y radiación (y posiblemente también campos de vacío escalares) y energía potencial negativa de la gravedad. Su suma puede ser igual a cero; las matemáticas lo permiten. Sin embargo, es muy importante que dicho equilibrio energético sea posible solo en mundos cerrados, cuyo espacio tiene una curvatura positiva. Los universos planos y aún más abiertos no poseen tal propiedad”.
La transición de fase ocurrió en la evolución del Universo tres veces: a una temperatura de 10 a 28 grados K (la Gran Unificación de interacciones se desintegró), 10 a 15 grados K (decaimiento de la interacción electrodébil) y 10 a 12 grados K (los quarks comenzaron a unirse en hadrones).
Milagros de inflación
¿Qué sucede si las fluctuaciones cuánticas del vacío dan lugar a un universo virtual con energía cero, que, debido a las posibilidades cuánticas, ha recibido algo de tiempo para la vida y la evolución? Depende de su composición. Si el espacio del universo está lleno de materia y radiación, primero se expandirá, alcanzará su tamaño máximo y colapsará en un colapso gravitacional, habiendo existido solo por una pequeña fracción de segundo. Otra cuestión es si existen campos escalares en el espacio que puedan desencadenar el proceso de expansión inflacionaria. Hay escenarios en los que esta expansión no solo evita el colapso gravitacional del universo "burbuja", sino que también lo convierte en un mundo casi plano e ilimitado. Por lo tanto, el tiempo de su vida también crece inconmensurablemente, casi hasta el infinito. Así,un pequeño universo virtual se vuelve bastante real, enorme y duradero. Incluso si su edad es finita, bien puede exceder la edad actual de nuestro universo. Por tanto, pueden aparecer estrellas y cúmulos estelares, planetas e incluso, qué diablos no es broma, vida inteligente. Un universo en toda regla que surgió literalmente de la nada: ¡estos son los milagros de los que es capaz la inflación!
Alexey Levin
