vacío falso es un vacíohipotético que es algo estable, pero no del todo. Puede durar mucho tiempo en ese estado, y eventualmente podría pasar a un estado más estable. La sugerencia más común de cómo podría ocurrir tal cambio se llama nucleación de la burbuja : si una pequeña región del universo alcanzara un vacío más estable, esta "burbuja" se extendería.
Un falso vacío solo puede existir en un mínimo local de energía y, por lo tanto, no es estable, en contraste con un verdadero vacío, que existe en un mínimo global y es estable. Un falso vacío puede ser muy duradero o metaestable .
Verdadero vs falso vacío [ editar ]
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Un estado de vacío o vacío se define como un espacio con la menor cantidad de energía posible. A pesar del nombre, el estado de vacío todavía tiene campos cuánticos. Un verdadero vacío es un mínimo global de energía, y coincide con un vacío local. Esta configuración es estable.
Es posible que el proceso de eliminar la mayor cantidad posible de energía y partículas de un espacio normal resulte en una configuración diferente de campos cuánticos con un mínimo local de energía. Este mínimo local se llama "falso vacío". En este caso, habría una barrera para entrar en el verdadero vacío. Quizás la barrera sea tan alta que nunca se haya superado en ningún lugar del universo.
Un falso vacío es inestable debido a la tunelización cuántica de los instantes a estados de energía más bajos. Los túneles pueden ser causados por fluctuaciones cuánticas o la creación de partículas de alta energía . El falso vacío es un mínimo local , pero no el estado de energía más bajo.
Modelo de vacío estándar [ editar ]
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Si el modelo estándar es correcto, las partículas y fuerzas que observamos en nuestro universo existen como lo hacen debido a los campos cuánticos subyacentes . Los campos cuánticos pueden tener estados de estabilidad diferente, incluidos "estable", "inestable" o " metaestable " (es decir, muy longevos pero no completamente estables). Si pudiera surgir un estado de vacío más estable, entonces las partículas y fuerzas existentes ya no surgirían como lo hacen en el estado presente del universo. Diferentes partículas o fuerzas surgirían de (y serían conformadas por) cualquier nuevo estado cuántico surgió. El mundo que conocemos depende de estas partículas y fuerzas, por lo que si esto sucediera, todo a nuestro alrededor, desde partículas subatómicas hastaLas galaxias, y todas las fuerzas fundamentales , se reconstituirían en nuevas partículas y fuerzas y estructuras fundamentales. El universo perdería todas sus estructuras actuales y quedaría habitado por otras nuevas (dependiendo de los estados exactos involucrados) basándose en los mismos campos cuánticos.
Estabilidad e inestabilidad del vacío [ editar ]
Muchos modelos científicos del universo han incluido la posibilidad de que exista como un sector del espacio de larga vida, pero no completamente estable , que podría potencialmente destruirse en algún momento al "caer" en un estado de vacío más estable. [2] [3] [4] [5] [6]
Un universo en un estado de falso vacío permite la formación de una burbuja de "verdadero vacío" más estable en cualquier momento o lugar. Esta burbuja se expande hacia afuera a la velocidad de la luz. [2] [7]
El Modelo estándar de la física de partículas abre la posibilidad de calcular, a partir de las masas del bosón de Higgs y el quark top , si es probable que el estado actual de vacío electrodébil del universo sea estable o simplemente de larga duración. [8] [9] (Esto se reportó a veces como el bosón de Higgs "finalizando" el universo [13] ). Una masa de 125–127 GeVHiggs parece estar extremadamente cerca del límite de estabilidad (estimado en 2012 como 123.8–135.0 GeV [1] ). Sin embargo, una respuesta definitiva requiere mediciones mucho más precisas de la masa polar del quark top, [1] y nueva físicaMás allá del Modelo Estándar de Física de Partículas podría cambiar drásticamente esta imagen. [14]
Implicaciones [ editar ]
Amenaza existencial [ editar ]
En un artículo de 2005 publicado en Nature , como parte de su investigación sobre riesgos catastróficos globales, el físico del MIT Max Tegmark y el filósofo de Oxford Nick Bostrom calculan los riesgos naturales de la destrucción de la Tierra a menos de 1 por gigayear de todos los eventos, incluida una transición. a un estado de vacío inferior. Argumentan que debido a los efectos de la selección de observadores , podríamos subestimar las posibilidades de ser destruidos por la descomposición al vacío, ya que cualquier información sobre este evento solo nos alcanzaría en el instante en que nosotros también fuimos destruidos. Esto contrasta con eventos como los riesgos de impactos, ráfagas de rayos gamma , supernovas yhipernovas , cuyas frecuencias tenemos medidas directas adecuadas de. [15]
Si las mediciones de estas partículas sugieren que nuestro universo se encuentra dentro de un falso vacío de este tipo, entonces implicaría, muy probablemente, en muchos miles de millones de años [16] [Nota 1] , que podría dejar de existir como lo conocemos, Si un verdadero vacío pasara a nuclearse . [dieciséis]
En un estudio publicado en el arXiv en marzo de 2015 [17] , se señaló que la tasa de descomposición del vacío podría aumentar enormemente en las proximidades de los agujeros negros, lo que serviría como semilla de nucleación. [18] Según este estudio , los agujeros negros primordiales podrían desencadenar una catástrofe por vacío en cualquier momento , en caso de que existan. Si las colisiones de partículas producen mini agujeros negros, colisiones energéticas como las que se producen en el Gran Colisionador de Hadrones(LHC) podría desencadenar un evento de descomposición por vacío. Sin embargo, los autores dicen que esta no es una razón para esperar que el universo se colapse, porque si tales mini agujeros negros se pueden crear en colisiones, también se crearían en colisiones mucho más energéticas de partículas de radiación cósmica con superficies planetarias. Y si hay mini agujeros negros primordiales, deberían haber activado la descomposición del vacío hace mucho tiempo. Más bien, ven sus cálculos como evidencia de que debe haber algo más que impida la descomposición por vacío. [19]
Inflación [ editar ]
También tendría implicaciones para otros aspectos de la física, y sugeriría que el bosón de auto-acoplamiento λ y su ß λ función podría estar muy cerca de cero en la escala de Planck, con implicaciones "intrigantes", incluyendo para las teorías de la gravedad y de Higgs inflación basada en. [1] : 218 Un futuro colisionador electrón-positrón sería capaz de proporcionar las mediciones precisas del quark top necesario para tales cálculos. [1]
Decaimiento de vacío [ editar ]
La descomposición por vacío sería teóricamente posible si nuestro universo tuviera un falso vacío en primer lugar, un problema que era altamente teórico y lejos de resolverse en 1982. [2] Si este fuera el caso, podría surgir una burbuja de vacío de baja energía. existe por casualidad o de otra manera en nuestro universo, y cataliza la conversión de nuestro universo a un estado de energía más bajo en un volumen que se expande a casi la velocidad de la luz, destruyendo todo el universo observable sin previo aviso. [3] La teoría de la inflación caóticasugiere que el universo puede estar en un falso vacío o en un verdadero estado de vacío.
Un documento de Coleman y de Luccia, que intentaba incluir suposiciones gravitacionales simples en estas teorías, señaló que si se trataba de una representación precisa de la naturaleza, entonces el universo resultante "dentro de la burbuja" en tal caso parecería ser extremadamente inestable y casi colapso inmediato: [3]
En general, la gravitación reduce la probabilidad de descomposición por vacío; en el caso extremo de una diferencia de densidad de energía muy pequeña, incluso puede estabilizar el falso vacío, previniendo la caída del vacío por completo. Creemos que entendemos esto. Para que el vacío se desintegre, debe ser posible construir una burbuja de energía total cero. En ausencia de gravitación, esto no es un problema, no importa cuán pequeña sea la diferencia de densidad de energía; todo lo que uno tiene que hacer es hacer que la burbuja sea lo suficientemente grande, y la relación volumen / superficie hará el trabajo. Sin embargo, en presencia de gravitación, la densidad de energía negativa del verdadero vacío distorsiona la geometría dentro de la burbuja con el resultado de que, para una densidad de energía suficientemente pequeña, no hay ninguna burbuja con una relación volumen / superficie lo suficientemente grande. Dentro de la burbuja, los efectos de la gravitación son más dramáticos.Espacio anti-de Sitter , un espacio muy parecido al espacio de de Sitterconvencional , excepto que su grupo de simetrías es O (3, 2) en lugar de O (4, 1). Aunque este espacio-tiempo está libre de singularidades, es inestable bajo pequeñas perturbaciones, e inevitablemente sufre un colapso gravitacional del mismo tipo que el estado final de un universo Friedman contratado . El tiempo requerido para el colapso del universo interior es del orden de ... microsegundos o menos.
La posibilidad de que vivamos en un falso vacío nunca ha sido un motivo de alegría para contemplar. La descomposición al vacío es la última catástrofe ecológica; en el nuevo vacío hay nuevas constantes de la naturaleza; después de la descomposición por vacío, no solo la vida como la conocemos es imposible, sino también la química tal como la conocemos. Sin embargo, siempre se podría obtener una comodidad estoica de la posibilidad de que tal vez en el transcurso del tiempo el nuevo vacío sostendría, si no la vida como la conocemos, al menos algunas estructuras capaces de conocer la alegría. Esta posibilidad ahora ha sido eliminada.
El segundo caso especial es la descomposición en un espacio de constante cosmológica que se desvanece, el caso que se aplica si ahora vivimos en los escombros de un falso vacío que decayó en una época cósmica temprana. Este caso nos presenta una física menos interesante y con menos ocasiones de exceso retórico que la anterior. Ahora es el interior de la burbuja el espacio ordinario de Minkowski ...
Sidney Coleman y Frank De Luccia
Tal evento sería un posible evento del día del juicio final . Fue utilizado como dispositivo de trama en una historia de ciencia ficción en 1988 por Geoffrey A. Landis , [20] en 2000 por Stephen Baxter , [21] en 2002 por Greg Eganen su novela Schild's Ladder , y en 2015 por Alastair Reynolds en su novela Poseidon's Wake .
En teoría, ya sea una concentración de energía suficientemente alta o una posibilidad aleatoria podrían desencadenar la tunelización necesaria para activar este evento. Sin embargo, una gran cantidad de partículas y eventos de energía ultraalta han ocurrido en la historia de nuestro universo, reduciendo en gran medida los sucesos a disposición humana. Hut y Rees [22] notan que, debido a que hemos observado colisiones de rayos cósmicos en energías mucho más altas que las producidas en los aceleradores de partículas terrestres, estos experimentos no deberían, al menos en el futuro previsible, representar una amenaza para nuestro vacío actual. Los aceleradores de partículas han alcanzado energías de sólo aproximadamente ocho tera electrón-voltios (8 × 10 12eV). Se han observado colisiones de rayos cósmicos en y más allá de las energías de 10 18 eV , un millón de veces más poderosas, las llamadas Greisen-Zatsepin-límite de Kuzmin , y otros eventos cósmicos pueden ser aún más poderosos. Contra esto, John Leslie ha argumentado [23] que si las tendencias actuales continúan, los aceleradores de partículas superarán la energía emitida en las colisiones de rayos cósmicos que se producen naturalmente para el año 2150. Temores de este tipo fueron provocados por críticos tanto del Colisionador de Iones Pesado Relativista y el Gran Colisionador de Hadrones en el momento de su respectiva propuesta, y se determinó que carece de fundamento por investigación científica.
Burbuja nucleación [ editar ]
En la física teórica del falso vacío, el sistema pasa a un estado de menor energía, ya sea el verdadero vacío u otro vacío de menor energía, a través de un proceso conocido como nucleación de burbujas . [4] [5] [24] [25] [26] [27]En este caso, los efectos instantáneos hacen que aparezca una burbuja en la cual los campos tienen sus verdaderos valores de vacío en su interior. Por lo tanto, el interior de la burbuja tiene una menor energía. Las paredes de la burbuja (o paredes de dominio ) tienen una tensión superficial., a medida que la energía se gasta a medida que los campos pasan por encima de la barrera potencial hacia el vacío de menor energía. El tamaño más probable de la burbuja se determina en la aproximación semiclásica de tal manera que la burbuja tenga un cambio total cero en la energía: la disminución de energía por el verdadero vacío en el interior se compensa con la tensión de las paredes.
Joseph Lykken ha dicho que el estudio de las propiedades exactas del bosón de Higgs podría arrojar luz sobre la posibilidad de un colapso al vacío. [28]
Expansión de la burbuja [ editar ]
Cualquier aumento en el tamaño de la burbuja disminuirá su energía potencial, ya que la energía de la pared aumenta a medida que el área de superficie de una esfera pero la contribución negativa del interior aumenta más rápidamente, a medida que el volumen de una esfera . Por lo tanto, después de que la burbuja se nuclea, comienza a expandirse rápidamente casi a la velocidad de la luz. El exceso de energía contribuye a la gran energía cinética de las paredes. Si dos burbujas se nuclean y finalmente chocan, se piensa que la producción de partículas se produciría donde chocan las paredes.
La velocidad del túnel aumenta al aumentar la diferencia de energía entre los dos vacíos y disminuye al aumentar la altura o el ancho de la barrera.
Efectos gravitacionales [ editar ]
La adición de la gravedad a la historia conduce a una variedad de fenómenos considerablemente más rica. La idea clave es que un falso vacío con densidad de energía potencial positiva es un vacío de Sitter , en el que la energía potencial actúa como una constante cosmológica y el Universo está experimentando la expansión exponencial del espacio de Sitter . Esto lleva a una serie de efectos interesantes, primero estudiados por Coleman y de Luccia. [3]
Desarrollo de las teorías [ editar ]
Alan Guth , en su propuesta original para la inflación cósmica , [29] propuso que la inflación podría terminar a través de la nucleación de la burbuja mecánica cuántica del tipo descrito anteriormente . Ver la historia de la teoría de la inflación caótica . Pronto se entendió que un universo homogéneo e isotrópico no podía ser preservado a través del violento proceso de tunelización. Esto llevó a Andrei Linde [30] y, de forma independiente, a Andreas Albrecht y Paul Steinhardt , [31] a proponer "nueva inflación" o "inflación de rotación lenta" en la que no se producen túneles, y el campo escalar inflacionario, en cambio, representa una pendiente suave.
transición flop [1]es básicamente la reducción de una esfera en un espacio Calabi-Yau hasta el punto de rasgado. Basado en la topología típica del espacio-tiempo , esto no es posible debido a tecnicismos matemáticos. Por otro lado, la simetría del espejo permite la similitud matemática entre dos variedades distintas de Calabi-Yau. Si uno experimenta una transición en el flop, su reflejo debería dar lugar a propiedades matemáticas idénticas, lo que hace.
Definición [ editar ]
Si hay una variedad Calabi-Yau dada (básicamente un espacio con 6 o más dimensiones curvadas de una manera especial), entonces una esfera en el centro puede reducirse a un punto infinitesimal que se asemeja a una singularidad . Después de alcanzar el punto de singularidad, la esfera se rasga y luego una nueva esfera "explota" para reemplazar la desgarrada. La esfera en la imagen del espejo (de la simetría del espejo ) simplemente experimenta una transición topológicamente suave . Los resultados matemáticos de los múltiples separados dan como resultado la misma física, por lo que no se violan las leyes de la física o las matemáticas.
¿Por qué es posible? [ editar ]
El físico teórico Edward Witten propuso que la razón por la cual la transición no ha provocado resultados universalmente catastróficos es porque la hoja de mundo de las cuerdas rodeará la esfera de la transición del flop y virtualmente anulará los efectos. La formulación integral de la trayectoria de la teoría del campo cuánticodice que la cadena (y por lo tanto su hoja del mundo) atraviesa virtualmente todas las rutas posibles y, por lo tanto, para cualquier transición en el flop, una hoja del mundo de la cadena estará presente para cancelar sus efectos.
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