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  • Cuentos Cuánticos : El origen del universo según yo


    17/02/2015

    Me han pedido por ahí que escriba sobre el origen del universo. No se puede pedir nada más complicado, yo no estuve allí. Pero bueno, por mí que no quede y aquí está la entrada sobre como yo entiendo el origen del universo.

    Para que no queden dudas, esta es una entrada sobre como yo entiendo o como yo explicaría el origen del universo, tómenla como eso, ni más ni menos.  Eso sí, voy a intentar justificar o argumentar todo lo que voy a decir sobre el tema de marras desde la física que yo conozco a duras penas.  Así que a partir de este momento:

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    El truco de hacer correr el tiempo hacia atrás

    la-idea1El universo se expande, de eso quedan ya pocas dudas (aunque algunos todavía buscan explicaciones peculiares al respecto).  Por lo tanto, la idea que a todo el mundo se le viene a la cabeza es:

    Si el universo se está expandiendo y todas las galaxias se alejan unas de otras, en el pasado tuvieron que estar más juntas y si vamos hasta el límite todo lo que vemos tuvo que estar contenido en un punto.

    Y ya la hemos liado porque de ahí se infiere que todo estaba contenido en un punto y que en algún momento hace del orden de catorce mil millones de años, año arriba, año abajo, explotó originando el universo.  A eso le llamamos Big Bang.

    Creo que esa es la idea general que tenemos todos en la cabeza sobre el origen del universo. La idea no se sostiene, aunque sea muy atractiva, no tiene ningún sentido físico.  Para más información:  No todo estaba contenido en un punto.

    Así que no daremos más  palos a la burra con este tema y me centraré en explicar mi visión del asunto.

    Al principio fue el vacío

    Sí, al principio no había nada, todo era vacío. Pero claro, estamos en física, vivimos en un universo físico así que tendremos que explicar qué entendemos por vacío en física.

    Con lo que hemos aprendido jugando con la física durante los últimos 120 años, más o menos, es que el vacío no es, ni mucho menos, una entelequia teórica inerte por definición.  Los avances en nuestro entendimiento de la escala física que gustamos de llamar escala cuántica nos han llevado a descubrir que el vacío es un estado de los sistemas físicos que tiene una física asombrosa y que, además, es uno de los estados primordiales para entender la física que nos rodea.  Intentaré explicar esto someramente.

    Cuando imaginamos el vacío pensamos en que hemos sacado todo de una determinada región.  No queda nada, no hay energía, no hay partículas, no hay nada de nada.  Por lo tanto poca cosa podrá salir de ahí.

    Sin embargo, el vacío es algo asombroso.  El vacío es un estado de los sistemas que puede interactuar con otras configuraciones. El vacío no es inerte, el vacío es muy rico en su comportamiento.

    En teoría cuántica sabemos que los campos físico están asociados a la presencia de partículas.  El campo electromagnético está asociado a la presencia de fotones, por poner el ejemplo más socorrido.

    ¿Cuándo decimos que tenemos el vacío?

    Bueno, esa pregunta puede parecer trivial.  Cuando no tengamos ninguna partícula asociada a un campo en cuestión.  Si en una región no hay fotones puedo decir que estoy en el vacío del campo electromagnético.  Pero eso nos lleva a aceptar que el vacío es propio de cada campo físico.  Es decir, yo puedo tener distintos campos y uno o varios de ellos estar en su estado de vacío mientras que los restantes no lo están.  Pero lo mejor de todo es que el vacío de un campo es un estado físico aceptable de dicho campo y puede interactuar con otros estados, distintos del vacío, de otros campos físicos.

    Por ejemplo, si nos fijamos en el campo responsable de la interacción fuerte veremos que está asociado a la presencia de unas partículas denominadas gluones.  El vacío de dicho campo sería el estado en el que no hay tales gluones.

    ¿Qué energía tiene el vacío de un campo?

    Pues parece natural pensar que si no hay ninguna de sus partículas asociadas el campo estará en su mínimo de energía.  Entonces el vacío será el estado de mínima energía de un campo concreto.

    Si el campo adquiere mayor energía entonces podría invertir dicha energía en crear sus partículas asociadas, por eso los estados que sí contienen partículas se pueden considerar estados excitados (energéticamente hablando) del campo tomando como referencia el vacío del mismo.

    Sin embargo, el vacío no puede estar en el mínimo de energía permanentemente porque en cuántica está prohibido que un sistema tenga siempre la misma energía.  Es decir, no podemos saber la energía de un sistema en todo instante de tiempo.  Por lo tanto, en el vacío aparecen fluctuaciones.  Para el caso de la interacción fuerte dichas interacciones de su vacío se interpretan como que aparecen y desaparecen gluones.  Roban y reintegran la energía de forma tan rápida que no se puede detectar directamente estas apariciones y despariciones. Esto no es filosofía o mitología, esto es una evidencia científica como podréis ver aquí:  Prof. Leinweber.

    Hay simulaciones muy bellas de estas fluctuaciones:

    vacio

    Bueno, ¿y qué?  No podemos saber si esas fluctuaciones están ahí o si el vacío es un estado físico que puede interactuar con otros estados del sistema. ¿Para qué nos sirve todo esto? Sí, esa es una buena respuesta.  Para responderla miremos dentro de un protón o un neutrón que son las partículas que conforman los núcleos atómicos y que son las responsables principales de nuestra masa.  Un protón o un neutrón están formados por tres quarks.

    proton

    Si uno pone las masas de los quarks u y d y las suma encuentra que no se llega ni a un 20% de la masa del protón (en este caso).  ¿De dónde sale el resto de la masa del protón?

    Supongo que lo habréis adivinado.  Hay que tener en cuenta que los quarks se unen entre ellos intercambiando gluones y que están inmersos en un vacío de la interacción fuerte que modifica dichas interacciones y contribuye a la estructura del protón:

    prot

    Por lo tanto, cada vez que te subas a una báscula piensa que lo que estás midiendo depende gran parte de la estructura del vacío.

    Todo esto para comunicaros que:

    1. El vacío es algo físico que se puede jugar con él.

    Cuando el vacío es un quiero y no puedo

    Como hemos dicho antes el vacío tiene que cumplir dos cosas:

    1.-  Es el estado de mínima energía.

    2.-  No hay partículas del campo en cuestión presentes.

    La mayoría de los campos que conocemos verifican que el vacío cumple con estas dos características.  Al fin y al cabo es lo que uno esperaría del asunto.

    Pero como la naturaleza está aquí para sorprendernos y amargarnos la vida con cosas que se escapan de lo humanamente esperable hay campos, algunos ya conocidos, que no siguen esta regla.

    Su estado de mínima energía contiene partículas o dicho de otro modo, el estado sin partículas no es el mínimo de energía.  Un campo que tiene ese comportamiento es el Higgs.

    Podemos hacer una gráfica de la energía del campeo en función del valor de dicho campo.  Por valor del campo entenderemos que si el campo vale cero significa que cuánticamente no hay partículas asociadas al mismo presentes.  Para valores más altos del campo habrá partículas presentes y dichas partículas serán más masivas.

    Claro, si el campo está en su cero, sin partículas asociadas presentes pero no está en su mínimo de energía… ¿eso es un vacío o no lo es?

    higgs2

    Pues sí, es un vacío, pero un vacío muy interesante.

    Y la gravedad entra en juego

    Supongamos que tenemos un campo que vamos a llamar inflatón, por razones que serán obvias en breve, y que tiene un perfil de energía tal que así:

    infpot

    Cuando el campo está cerca de su cero está en un falso vacío, no hay partícula, o vacío inflacionario.  ¿Qué significa eso?  Pues que una región en la que tengamos este campo al tener en cuenta la gravedad encontraremos que dicha región se expande de forma brutal, sufre un proceso de inflación.

    Este campo tenderá a ir a su verdadero mínimo de energía y se deslizará por distintos valores en distintas regiones en las que lo tengamos definido de forma que irá a su mínimo de energía.  Este comportamiento está muy extendido en física.  Todo tiende a su mínimo de energía de forma natural.

    slow-motion-roll

    Entonces, se llega al mínimo de energía… ¿y qué?

    Nada de big bang, lo que hubo fue un BIG FLASH

    En una determinada región el vacío inflacionario alcanza su mínimo, esta región ya tiene un tamaño considerable pero si nos paramos a pensar… Esa región estará muy fría y muy vacía.  ¿Dónde está la energía?

    El campo está saturado de energía al alcanzar su mínimo y de repente lo que hace es inyectar toda esa energía en dicha región en otros campos, campos que darán en evolución los campos y partículas que ahora conocemos.

    Este proceso se llama recalentamiento, por razones obvias, y da lugar al flash en el que todo lo que nos compone (aunque no en el formato que conocemos ahora).

    sinsingular

    Eso que llamamos big bang no es más que el flash que se produce cuando el inflatón cede su energía a otros campos frenando así el proceso de inflación cosmológica.

    Para los puristas está claro que hay que explicar como se acopla el inflatón a distintos campos, si se admite supersimetría, si se crean defectos topológicos, cómo se crean las fluctuaciones de densidad, etc.  Pero esto solo era una imagen de cafetería que le contaría a una amiga tomando un café.

    Gravedades cuánticas y modelos de creación

    Aquí me podréis decir que no he dado ningún mecanismo sobre el cómo se realiza esto.  Que haría falta gravedad cuántica para dar una explicación completa.

    Estoy de acuerdo en las dos cosas pero hoy por hoy, salvo honrosas excepciones, todos las propuestas de cosmología cuántica, desde loop quantum cosmology hasta las propuestas de mundos-brana pasando por gas de cuerdas, etc, intentan desesperadamente demostrar que su modelo da lugar a un proceso inflacionario.  ¿Por qué?  Pues porque todas las evidencias cosmológicas acumuladas en los últimos 40 años nos obligan a aceptar que un proceso inflacionario tuvo lugar, lo que nos queda por saber son los detalles concretos del cómo del proceso.

    Esta es mi forma de entenderlo y de contarlo.  Espero que os haya gustado

    Nos seguimos leyendo…


    Archivado en: cosmología Tagged: cosmología, falso vacío, inflación cosmológica, origen del universo, vacío cuántico