Los filósofos han estado discutiendo la naturaleza de la "nada", "nada", "nada", "vacío" durante miles de años, pero ¿qué puede decir la ciencia moderna sobre esto? Esta pregunta será respondida por Martin Rees, astrónomo de la Royal Society y profesor emérito de cosmología y astrofísica en la Universidad de Cambridge. Explica que cuando los físicos discuten "nada", se refieren al espacio vacío (vacío). Puede parecer bastante normal, pero los experimentos muestran que el espacio vacío no está realmente vacío, contiene una energía misteriosa que puede decirnos algo sobre el destino del universo.
Una entrevista con Martin Rees presentada por la revista The Conversation.
¿Es el espacio vacío lo mismo que nada?
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El espacio vacío nos parece nada. Por analogía, el agua puede parecerle "nada" a los peces: es el agua que queda cuando se quita todo lo que flota en el mar. Del mismo modo, el espacio vacío resulta bastante difícil en la práctica.
Sabemos que el universo está muy vacío. La densidad promedio del espacio es de aproximadamente un átomo por cada diez metros cúbicos; el medio ambiente está mucho más enrarecido que cualquier vacío que podamos obtener en la Tierra. Pero incluso con toda la materia eliminada, el espacio tiene una especie de elasticidad que (como se confirmó recientemente) permite que las ondas gravitacionales, las ondas del propio espacio, se propaguen a través de él. Además, aprendimos que en el propio espacio vacío hay una forma exótica de energía.
Aprendimos sobre esta energía del vacío por primera vez en el siglo XX con el advenimiento de la mecánica cuántica, que explica el comportamiento de los átomos y las partículas en la escala más pequeña. De ello se deduce que el espacio vacío consiste en un campo de fluctuaciones en la energía de fondo, que da vida a ondas y partículas virtuales, que de vez en cuando aparecen y desaparecen en ninguna parte. Incluso pueden crear una pequeña fuerza. Pero, ¿qué pasa con los espacios en blanco a gran escala?
El hecho de que el espacio vacío crea una fuerza a gran escala se descubrió hace 20 años. Los astrónomos han descubierto que la expansión del universo se está acelerando. Esto fue una sorpresa. La expansión se conocía desde hacía más de 50 años, pero todos pensaron que la expansión se ralentizaría debido a la atracción gravitacional que las galaxias y otras estructuras ejercen entre sí. Así que fue una gran sorpresa para todos que la desaceleración debida a la gravedad fuera compensada por algo que "empujó" la expansión. Resultó que en el espacio vacío en sí, hay energía que crea una especie de repulsión que supera la atracción de la gravedad en estas grandes escalas. Este fenómeno, la energía oscura, es la manifestación más increíble del hecho de que el espacio vacío no está arrugado ni vacío. Además,este hecho determina el futuro destino de nuestro Universo.
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¿Existe un límite para lo que podemos aprender? En una escala de un billón de billones de veces más pequeña que un átomo, las fluctuaciones cuánticas en el espacio-tiempo pueden dar lugar no solo a partículas virtuales, sino también a agujeros negros virtuales. Esto está dentro de los límites que no podemos observar y comprender qué, al menos hipotéticamente, necesitamos para combinar la teoría de la gravedad con la mecánica cuántica, y esto es increíblemente difícil.
Existen varias teorías para entender esto, de las cuales la más famosa es la teoría de cuerdas. Pero ninguna de estas teorías todavía está relacionada con el mundo real, por lo que todavía carecen de fundamento. Creo que casi todo el mundo reconocerá que el espacio en sí tiene una estructura compleja en una escala diminuta donde se encuentran los efectos gravitacionales y cuánticos.
Sabemos que nuestro universo tiene tres dimensiones espaciales: puedes moverte hacia la izquierda y hacia la derecha, hacia adelante y hacia atrás, hacia arriba y hacia abajo. El tiempo es como la cuarta dimensión. Sin embargo, existe una fuerte sospecha de que si agranda un punto diminuto en el espacio hasta sentir esa pequeña escala, encontrará que será un origami densamente comprimido de cinco dimensiones adicionales que no podemos ver. Como si estuviera mirando la manguera desde lejos y pensara que es solo una línea. Acercándose, verá que una dimensión es esencialmente tres. La teoría de cuerdas incluye matemáticas complejas, al igual que las teorías en competencia. Pero esta es exactamente la teoría que necesitamos si queremos comprender en el nivel más profundo lo más cercano al vacío que se puede imaginar: el espacio vacío, obviamente.
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Dentro de nuestra comprensión actual, ¿cómo podemos explicar que todo nuestro universo se está expandiendo de la nada? ¿Podría realmente haber comenzado con una pequeña fluctuación en la energía del vacío?
Algunas transiciones o fluctuaciones misteriosas podrían llevar repentinamente al hecho de que parte del espacio comenzara a expandirse, como creen algunos teóricos. Las fluctuaciones inherentes a la teoría cuántica podrían sacudir todo el universo si se comprimiera a escalas lo suficientemente pequeñas. Esto debería haber sucedido en unos 10 (hasta -44) segundos; este es el tiempo de Planck. En estas escalas, el tiempo y el espacio están entrelazados, por lo que la idea de un reloj que hace tic-tac no tiene sentido. Podemos extrapolar nuestro universo con un alto grado de certeza al nanosegundo y con un alto grado de probabilidad volveremos más cerca del tiempo de Planck. Pero después de eso, nuestras conjeturas ya no son válidas: la física en esta escala es reemplazada por alguna otra teoría más compleja.
Si pudiera ser que una fluctuación en alguna parte aleatoria del espacio vacío dio vida al universo, ¿por qué no puede suceder lo mismo en otra parte del espacio vacío y dar vida a universos paralelos en un multiverso infinito?
La idea de que nuestro Big Bang no es el único, y que lo que vemos a través de nuestros telescopios es una pequeña parte de la realidad física, es bastante popular entre los físicos. Y hay muchas versiones del universo cíclico. Hace solo 50 años, surgieron pruebas sólidas de que el Big Bang incluso sucedió. Pero desde entonces se ha especulado que solo podría tratarse de un episodio en un universo cíclico. También hay una tendencia a comprender que la realidad física es mucho más que el volumen de espacio y tiempo que podemos sentir, incluso con los telescopios más potentes.
Por lo tanto, no tenemos idea de si hubo un Big Bang o si hubo muchos: hay escenarios que predicen muchos Big Bangs y escenarios que predicen uno. Creo que deberíamos estudiarlos todos.
¿Qué es el fin del universo?
El pronóstico más simple para el futuro lejano es que el universo continuará expandiéndose cada vez más rápido, volviéndose más frío y más vacío. Las partículas que contiene pueden desintegrarse, disolviéndose interminablemente en el vacío. Puede que nos encontremos en un gran volumen de espacio, pero estará aún más vacío que el espacio actual. Este es uno de los escenarios. Hay otros que predicen una "inversión" de la dirección de la energía oscura, de repulsión a atracción, como resultado de lo cual seremos comprimidos en un punto denso.
También está la idea de Roger Penrose de que el universo continuará expandiéndose, volviéndose cada vez más diluido, pero de alguna manera, cuando no contenga nada más que fotones, partículas de luz, los objetos en él serán recalibrados y el espacio se convertirá de alguna manera en un generador de un nuevo Big Bang. … Esta será una versión muy exótica del viejo universo cíclico, pero no me pida que le explique las ideas de Penrose.
¿Qué tan seguro está de que la ciencia algún día descubrirá el misterio de lo que es esta "nada"? Incluso si pudiéramos probar que el universo emergió de una extraña fluctuación en un campo de vacío, ¿no deberíamos preguntarnos de dónde vino este campo de vacío?
La ciencia intenta dar respuestas, pero cada vez que las encontramos surgen nuevas preguntas, nunca tendremos la imagen completa. Cuando comencé a investigar a fines de la década de 1960, había dudas de que hubiera un Big Bang. Ahora ya no hay ninguna duda y podemos decir con una precisión de alrededor del 2% que el universo fue el mismo durante 13,8 mil millones de años, hasta el primer nanosegundo. Este es un gran progreso. Es ridículamente optimista creer que en los próximos 50 años resolveremos las difíciles cuestiones de lo que está sucediendo en la era cuántica o "inflacionaria".
Pero, por supuesto, surge otra pregunta: ¿cuánta ciencia será comprensible para el cerebro humano? Puede ser que las matemáticas de la teoría de cuerdas sean, en cierto sentido, una descripción correcta de la realidad, pero nunca podremos entenderlas lo suficientemente bien como para contrastarlas con una observación genuina. Entonces es posible que tengamos que esperar a que aparezcan algunos poshumanos para obtener una comprensión más completa.
Ilya Khel
