La mayor lección de la teoría de la relatividad general de Einstein es que el espacio en sí no es una entidad plana, inmutable y absoluta. Está tejido junto con el tiempo en una sola tela: espacio-tiempo. Este tejido es continuo, liso y se dobla y deforma en presencia de materia y energía. Todo lo que existe en este espacio-tiempo se mueve por un camino determinado por la curvatura del espacio-tiempo, y su movimiento está limitado por la velocidad de la luz. Pero, ¿y si hay defectos en la propia tela? Esto no es ciencia ficción, sino una idea realmente existente en la física teórica. Asociados con él hay reliquias de alta energía como paredes de dominio, cuerdas cósmicas y monopolos. Ethan Siegel de Medium.com intentó responder la pregunta de cuál es su origen, propiedades y cómo se llevarán bien con el universo normal.
Resultó que conseguir un Universo defectuoso no es tan difícil matemáticamente.
El comportamiento gravitacional de la Tierra en órbita no se debe a la gravitación gravitacional invisible, sino que se describe mejor cuando la Tierra cae libremente a través del espacio curvo en presencia del Sol. Incluso en este caso, la curvatura del espacio será demasiado pequeña y no habrá defectos en ella.
Trate de representar el espacio lo mejor que pueda. Cómo se ve? ¿Estará vacío, liso y casi uniforme? ¿También cree que las únicas desviaciones de este estado estarán asociadas con la presencia de masas y cuantos de energía? Este es un buen enfoque que suelen adoptar los físicos. A gran escala, el espacio será una cuadrícula tridimensional, las únicas desviaciones en las que serán pequeñas regiones de curvatura espacial de pequeña magnitud, creando la fuerza gravitacional que conocemos bien. El espacio en esta configuración estará en el estado de menor energía.
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El tejido del espacio-tiempo se ondula y se deforma debido a la masa. Hasta donde sabemos, el espacio nunca se pliega sobre sí mismo ni se dobla.
Pero, ¿qué pasa con los estados emocionados? ¿U otras personas? Para hacerlo más fácil, restamos dos dimensiones espaciales y dejamos una: la línea. La línea puede ser recta, abierta e interminable o cerrada, como un bucle. En ambos casos, serán las líneas en menor estado energético. ¿Cómo sería un estado de alta energía? Imagínese tomando su línea y colgándola como una cuerda. Ahora haga un nudo en la cuerda, como si estuviera atando cordones. Una cuerda sin nudo representará un espacio unidimensional en el estado de energía más bajo; una cuerda con un nudo representará un espacio unidimensional en el primer estado excitado. Este nodo será un defecto topológico de dimensión cero.
Ahora puedes hacer algunas cosas interesantes con la línea que contiene el nodo. Puede hacer otro nudo de la misma manera y obtener dos defectos topológicos en lugar de uno. Pero si haces un nudo en la dirección opuesta (es decir, haces el mismo bucle, pero de lo contrario cruzas los extremos antes de tirar y apretar), este nudo será topológicamente opuesto al nudo original. Si alinea con mucho cuidado ambos nudos (original y opuesto), resulta que pueden desatarse y devolver la línea a un estado de baja energía.
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Dos tipos de estos efectos de dimensión cero - nudo y anti-nudo - tienen analogías físicas en nuestro Universo: monopolos magnéticos. El nodo corresponde a un polo norte magnético aislado; anti-nodo al polo sur magnético aislado. Si los combinas, se aniquilan, como la materia y la antimateria, y devuelven el tejido del espacio-tiempo a un estado de baja energía. Dado que los monopolos son solo partículas puntuales, se comportarán como materia ordinaria, no muy diferente de los monopolos eléctricos (cargas eléctricas positivas y negativas) que existen en nuestro universo.
El concepto de un monopolo magnético que emite líneas de campo magnético de la misma manera que una carga eléctrica aislada emitiría líneas de campo eléctrico.
Así que volvamos a nuestro universo 3D. Ahora puede imaginar no solo defectos precisos, sino también defectos de gran dimensión:
- Cuerdas cósmicas: cuando una línea unidimensional de alguna manera impregna todo el universo observable.
- Paredes de dominio: cuando un plano bidimensional con diferentes propiedades de un lado a otro pasa por el universo
- Texturas espaciales: cuando un área del espacio tridimensional se tuerce en nudos
Entonces, tenemos monopolos (0-dimensional), cuerdas (unidimensionales), paredes (bidimensionales) y texturas (tridimensionales), todo tipo de defectos que surgen de diferentes mecanismos de la misma clase: cuando se rompe la simetría.
Las diferencias entre universos, uno creado según la cosmología estándar (izquierda) y otro creado con una red significativa de defectos topológicos (derecha), dan lugar a una variedad de estructuras a gran escala. Nuestras observaciones son suficientes para descartar cadenas cósmicas y paredes de dominio como el componente dominante del universo moderno.
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La ruptura de la simetría es un asunto serio en física. Cada simetría existente corresponde a un valor almacenado, por lo que si se rompe la simetría, ese valor ya no se almacena. Los monopolos se pueden producir rompiendo la simetría esférica; las cuerdas se pueden producir rompiendo la simetría angular o cilíndrica; la violación de la simetría discreta puede crear muros de dominio. Otros defectos son un poco más difíciles de encontrar, pero a menudo entran en juego cuando se trata de escenarios con dimensiones adicionales. Pero los tres primeros, en particular, monopolos, cuerdas cósmicas y paredes de dominio, son de particular interés para la cosmología.
Sabemos que no todo está limitado por el Modelo Estándar y hay muchas extensiones y adiciones que pueden tener interesantes consecuencias observables. Uno de ellos es la idea de la Gran Unificación, cuando las fuerzas electromagnéticas, nucleares débiles y fuertes se combinan a altas energías. La idea detrás de la unificación es que las tres fuerzas del Modelo Estándar, y quizás incluso la gravedad de alta energía, podrían combinarse en una sola estructura. Esto no solo conduciría a la aparición de nuevas partículas e interacciones, sino que también permitiría la aparición de monopolos magnéticos. La falta de monopolos magnéticos en el Universo observable se cita a menudo como prueba de la inflación cósmica y de que el Universo nunca se calentará lo suficiente después del final de la inflación para restaurar la simetría de las Teorías de la Gran Unificación.
Si se rompiera la simetría que asegura la Gran Unificación, aparecería un número colosal de monopolos magnéticos. Pero no están en nuestro Universo; Si la inflación cósmica tuviera lugar después de que se rompiera esta simetría, al menos un monopolo tendría que permanecer dentro del universo observable.
Las cadenas cósmicas y las paredes de dominio podrían aparecer durante las transiciones de fase, si realmente existieran, poco después del final de la inflación. Puede haber algunas simetrías de energía extremadamente alta formadas en los primeros tiempos, cuando aparecen defectos similares rotos. Las cadenas cósmicas y las paredes de dominio, una o una red completa, tendrían que dejar una firma en la estructura a gran escala del Universo, aparecerían texturas en el CMB y los monopolos tendrían que crearse a través de experimentos directos. Algunos físicos señalan el monopolo magnético descubierto el 14 de febrero de 1982 como prueba de inflación cósmica: había un monopolo en el universo observable, ¡y lo vimos!
En 1982, un experimento dirigido por Blas Cabrera, armado con ocho vueltas de alambre, registró un cambio en el flujo de ocho magnetons: lecturas que indican un monopolo magnético. Desafortunadamente, en el momento del descubrimiento, no había nadie cerca y nadie pudo reproducir el resultado, así como encontrar otro monopolo.
Y si los monopolos se comportan como la materia, las cuerdas cósmicas, las paredes del dominio o las texturas cosmológicas afectarán seriamente la expansión del Universo. Las cuerdas cósmicas se comportarán como una curvatura espacial, limitada a aproximadamente el 0,4% de la densidad de energía total, y las paredes del dominio crearán una forma de energía oscura que acelera la expansión del universo tan lentamente que ni siquiera se notará. Las texturas cosmológicas tendrán el mismo efecto que la constante cosmológica, pero nuestro universo observable tendrá que limitarse a un solo defecto para explicar nuestras observaciones.
Varios componentes de la densidad de energía del Universo y cuándo podrían manifestarse con toda su fuerza. Si existieran cadenas cósmicas o muros de dominio en cualquier cantidad, afectarían seriamente la expansión de nuestro universo.
Los monopolos, cuerdas, paredes, texturas y otros defectos deberían ser muy pesados si existieran. Los monopolos serían las partículas más masivas jamás descubiertas (100 billones de veces más masivas que un quark top). Las cuerdas, las paredes y las texturas se convertirían en semillas para estructuras a gran escala, juntando material y formando otras estructuras que podemos ver fácilmente con telescopios modernos, levantamientos y datos de CMB. Las limitaciones modernas nos dicen que tales estructuras no existen en abundancia, y difícilmente representarían más que un pequeño porcentaje del presupuesto total de energía del espacio.
Hasta la fecha, no hay evidencia de que nuestro universo sea defectuoso, aparte de esa única observación de un monopolo magnético hace 35 años. Aunque no podemos refutar su existencia (solo límite), debemos mantener nuestros oídos en alto y estar preparados no solo para su posible detección, sino también para cualquier otra adición al Modelo Estándar que no esté prohibida por la física. En la mayoría de los casos, si no existen, entonces debe haber algo que reprima su existencia. La falta de evidencia no indica la ausencia del fenómeno. Sin embargo, y también sobre la disponibilidad.
Ilya Khel
