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Articulo de referencia

Falso vacío

Un campo escalar φ (que representa la posición física) en un falso vacío. La energía E es mayor en el falso vacío que en el vacío verdadero o estado fundamental , pero existe un...

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Un campo escalar φ (que representa la posición física) en un falso vacío. La energía E es mayor en el falso vacío que en el vacío verdadero o estado fundamental , pero existe una barrera que impide que el campo descienda clásicamente al vacío verdadero. Por lo tanto, la transición al vacío verdadero debe ser estimulada por la creación de partículas de alta energía o mediante el efecto túnel cuántico .

En la teoría cuántica de campos , un falso vacío [ 1 ] es un estado de vacío hipotético que es localmente estable pero no ocupa el estado fundamental más estable posible . [ 2 ] En esta condición se le llama metaestable . Puede durar mucho tiempo en este estado, pero eventualmente podría decaer al más estable, un evento conocido como decaimiento del falso vacío . La sugerencia más común de cómo podría ocurrir tal decaimiento en nuestro universo se llama nucleación de burbujas : si una pequeña región del universo alcanzara por casualidad un vacío más estable, esta "burbuja" (también llamada "rebote") [ 3 ] [ 4 ] se extendería.

Un falso vacío existe en un mínimo local de energía y, por lo tanto, no es completamente estable, a diferencia de un verdadero vacío, que existe en un mínimo global y es estable.

Definición de vacío verdadero frente a vacío falso

El vacío se define como un espacio con la menor cantidad de energía posible. A pesar de su nombre, el vacío aún posee campos cuánticos . Un vacío verdadero es estable porque se encuentra en un mínimo global de energía y, comúnmente, se asume que coincide con el estado de vacío físico en el que vivimos. Es posible que un estado de vacío físico sea una configuración de campos cuánticos que represente un mínimo local, pero no un mínimo global, de energía. Este tipo de estado de vacío se denomina "falso vacío".

Trascendencia

Amenaza existencial

Si nuestro universo se encuentra en un estado de falso vacío en lugar de un estado de vacío verdadero, entonces la desintegración del falso vacío menos estable al vacío verdadero más estable (llamada desintegración del falso vacío) podría tener consecuencias dramáticas. [ 5 ] [ 6 ] Los efectos podrían abarcar desde el cese completo de las fuerzas fundamentales existentes , las partículas elementales y las estructuras que las componen, hasta cambios sutiles en algunos parámetros cosmológicos, dependiendo principalmente de la diferencia de potencial entre el vacío verdadero y el falso. Algunos escenarios de desintegración del falso vacío son compatibles con la supervivencia de estructuras como galaxias, estrellas, [ 7 ] [ 8 ] e incluso vida biológica, [ 9 ] mientras que otros implican la destrucción total de la materia bariónica [ 10 ] o incluso el colapso gravitacional inmediato del universo. [ 11 ] En este caso más extremo, la probabilidad de que se forme una "burbuja" es muy baja (es decir, una en 10 868 [ 12 ] o la desintegración del falso vacío puede incluso ser imposible). [ 13 ]

Un artículo de Coleman y De Luccia que intentaba incluir supuestos gravitacionales simples en estas teorías señalaba que, si esta fuera una representación precisa de la naturaleza, entonces el universo resultante "dentro de la burbuja" en tal caso parecería ser extremadamente inestable y colapsaría casi de inmediato:

En general, la gravedad reduce la probabilidad de desintegración del vacío; en el caso extremo de una diferencia mínima de densidad de energía, incluso puede estabilizar el falso vacío, impidiendo por completo su desintegración. Creemos comprender esto. Para que el vacío se desintegre, debe ser posible construir una burbuja con energía total cero. En ausencia de gravedad, esto no representa ningún problema, por pequeña que sea la diferencia de densidad de energía; basta con que la burbuja sea lo suficientemente grande, y la relación volumen/superficie será suficiente. Sin embargo, en presencia de gravedad, la densidad de energía negativa del vacío verdadero distorsiona la geometría dentro de la burbuja, de modo que, para una densidad de energía suficientemente pequeña, no existe una burbuja con una relación volumen/superficie suficientemente grande. Dentro de la burbuja, los efectos de la gravedad son más drásticos. La geometría del espacio-tiempo dentro de la burbuja es la del espacio anti-de Sitter , un espacio muy similar al espacio de De Sitter convencional, 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 ante pequeñas perturbaciones e inevitablemente sufre un colapso gravitacional del mismo tipo que el estado final de un universo de Friedmann en contracción . El tiempo necesario 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 alentadora. La disolución del vacío es la catástrofe ecológica definitiva; en el nuevo vacío existen nuevas constantes de la naturaleza; tras su disolución, no solo la vida tal como la conocemos será imposible, sino también la química tal como la conocemos. Sin embargo, siempre se podía encontrar consuelo estoico en la posibilidad de que, con el tiempo, el nuevo vacío sustentara, si no la vida tal como la conocemos, al menos algunas estructuras capaces de experimentar la alegría. Esta posibilidad ha sido eliminada.

El segundo caso especial es la desintegración en un espacio de constante cosmológica nula, el caso que se aplica si ahora vivimos en los restos de un falso vacío que se desintegró en alguna época cósmica temprana. Este caso nos presenta una física menos interesante y menos oportunidades para el exceso retórico que el anterior. Ahora es el interior de la burbuja el que constituye el espacio de Minkowski  ordinario ...

— Sidney Coleman y Frank De Luccia [ 11 ]

En un artículo publicado en Nature en 2005 , como parte de su investigación sobre riesgos catastróficos globales , el físico del MIT Max Tegmark y el filósofo de Oxford Nick Bostrom calculan que los riesgos naturales de la destrucción de la Tierra son inferiores a 1/ 10⁹ por año debido a todos los eventos naturales (es decir, no antropogénicos), incluida una transición a un estado de vacío inferior. Argumentan que, debido a los efectos de selección del observador , podríamos subestimar las probabilidades de ser destruidos por la desintegración del vacío, ya que cualquier información sobre este evento nos llegaría solo en el instante en que nosotros también fuéramos destruidos. Esto contrasta con eventos como los riesgos derivados de impactos, estallidos de rayos gamma , supernovas e hipernovas , cuyas frecuencias tenemos mediciones directas adecuadas. [ 14 ]

Inflación

Varias teorías sugieren que la inflación cósmica podría ser un efecto de la desintegración de un falso vacío en un vacío verdadero. La inflación misma podría ser consecuencia del campo de Higgs atrapado en un estado de falso vacío [ 15 ] con el autoacoplamiento de Higgs λ y su función βλ muy cercanos a cero en la escala de Planck . [ 16 ] : 218 Un futuro colisionador electrón-positrón podría proporcionar las mediciones precisas del quark top necesarias para tales cálculos. [ 16 ]

La teoría de la inflación caótica sugiere que el universo puede estar en un estado de vacío falso o verdadero. Alan Guth , en su propuesta original para la inflación cósmica, [ 17 ] propuso que la inflación podría terminar a través de la nucleación de burbujas cuánticas del tipo descrito anteriormente. Véase la historia de la teoría de la inflación caótica . Pronto se comprendió que un universo homogéneo e isotrópico no podía preservarse a través del violento proceso de tunelización. Esto llevó a Andrei Linde [ 18 ] y, de forma independiente, a Andreas Albrecht y Paul Steinhardt , [ 19 ] a proponer la "nueva inflación" o "inflación de rodadura lenta", en la que no se produce tunelización y el campo escalar inflacionario se grafica como una pendiente suave.

En 2014, investigadores del Instituto de Física y Matemáticas de Wuhan de la Academia China de Ciencias dieron una demostración matemática real de la idea ya existente de que el universo podría haberse creado espontáneamente de la nada (sin espacio , tiempo ni materia ) por fluctuaciones cuánticas de un falso vacío metaestable que causaron una burbuja en expansión de vacío verdadero. [ 20 ]

Variedades de descomposición por vacío

decaimiento del vacío electrodébil

Panorama de estabilidad del vacío electrodébil según las estimaciones de 2012 [ 16 ]
Paisaje de estabilidad del vacío electrodébil según la estimación de 2018. [ 4 ] T RH es la energía de gran unificación. ξ es el grado de acoplamiento no mínimo entre las fuerzas fundamentales.

Los criterios de estabilidad para la interacción electrodébil se formularon por primera vez en 1979 [ 21 ] como una función de las masas del bosón de Higgs teórico y del fermión más pesado . El descubrimiento del quark top en 1995 y del bosón de Higgs en 2012 ha permitido a los físicos validar los criterios experimentalmente; por lo tanto, desde 2012 la interacción electrodébil se considera el candidato más prometedor para una fuerza fundamental metaestable , también conocida como "fuerza fundamental pseudoestable" [ 16 ] . La hipótesis del falso vacío correspondiente se denomina "inestabilidad del vacío electrodébil" o "inestabilidad del vacío de Higgs" [ 22 ] . El estado actual de falso vacío se denominadS{\displaystyle dS}( espacio de De Sitter ), mientras que el vacío verdadero tentativo se llamaAdS{\displaystyle AdS}( Espacio Anti-de Sitter ). [ 23 ] [ 24 ]

Los diagramas muestran los rangos de incertidumbre de las masas del bosón de Higgs y del quark top como líneas ovaladas. Los colores subyacentes indican si el estado de vacío electrodébil es probable que sea estable, simplemente de larga duración o completamente inestable para una combinación dada de masas. [ 25 ] [ 26 ] La hipótesis de la "desintegración del vacío electrodébil" a veces se informó erróneamente como que el bosón de Higgs "acabaría" con el universo. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Es probable que una masa de bosón de Higgs de 125,18±0,16 GeV/ c 2 [ 30 ] esté en el lado metaestable del límite estable-metaestable (estimado en 2012 como 123,8–135,0 GeV . [ 16 ] ) Una respuesta definitiva requiere mediciones mucho más precisas de la masa del polo del quark top , [ 16 ] sin embargo, la precisión de medición mejorada de las masas del bosón de Higgs y del quark top reforzó aún más la afirmación de que el vacío electrodébil físico se encuentra en el estado metaestable a partir de 2018. [ 4 ] No obstante, la nueva física más allá del Modelo Estándar de Física de Partículas podría cambiar drásticamente las líneas de división del paisaje de estabilidad, haciendo que los criterios de estabilidad y metaestabilidad anteriores sean incorrectos. [ 31 ] [ 32 ] El reanálisis de los datos de la ejecución del LHC de 2016 en 2022 ha dado como resultado una masa del quark top ligeramente menor de 171,77 ± 0,38 GeV, cercana a la línea de estabilidad del vacío pero aún en la zona metaestable. [ 33 ] [ 34 ] 

Si las mediciones del bosón de Higgs y del quark top sugieren que nuestro universo se encuentra dentro de un falso vacío de este tipo, esto implicaría que los efectos de la burbuja se propagarán por el universo a casi la velocidad de la luz desde su origen en el espacio-tiempo. [ 35 ] Un cálculo directo dentro del Modelo Estándar de la vida útil de nuestro estado de vacío encuentra que es mayor que1065{\displaystyle 10^{65}}años con un 95% de confianza. [ 36 ]

Otros modos de desintegración

Nucleación de burbujas

Cuando el falso vacío se disipa, el verdadero vacío de menor energía se forma a través de un proceso conocido como nucleación de burbujas . [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 3 ] En este proceso, los efectos de instantones hacen que aparezca una burbuja que contiene el verdadero vacío. Las paredes de la burbuja (o paredes de dominio ) tienen una tensión superficial positiva , ya que se gasta energía a medida que los campos ruedan sobre la barrera de potencial hacia el verdadero vacío. La primera tiende al cubo del radio de la burbuja, mientras que la segunda es proporcional al cuadrado de su radio, por lo que hay un tamaño críticoRdo{\displaystyle R_{c}}en la que la energía total de la burbuja es cero; las burbujas más pequeñas tienden a encogerse, mientras que las más grandes tienden a crecer. Para poder nuclearse, la burbuja debe superar una barrera de energía de altura [ 3 ].

dóndeΔΦ{\displaystyle \Delta \Phi }es la diferencia de energía entre el vacío verdadero y el vacío falso,γ{\displaystyle \gamma }es la tensión superficial desconocida (posiblemente extremadamente grande) de la pared del dominio, yR{\displaystyle R}es el radio de la burbuja. Reescribiendo la ecuación 1 se obtiene el radio crítico como

Una burbuja más pequeña que el tamaño crítico puede superar la barrera de potencial mediante el efecto túnel cuántico de instantones a estados de energía más bajos. Para una barrera de potencial grande, la tasa de efecto túnel por unidad de volumen de espacio viene dada por [ 44 ].

dóndeℏ{\displaystyle \hbar }es la constante de Planck reducida . Tan pronto como una burbuja de vacío de menor energía crece más allá del radio crítico definido por la ecuación 2 , la pared de la burbuja comenzará a acelerar hacia afuera. Debido a la gran diferencia de energía típica entre el vacío falso y el verdadero, la velocidad de la pared se aproxima a la velocidad de la luz extremadamente rápido. La burbuja no produce ningún efecto gravitatorio porque la densidad de energía negativa del interior de la burbuja se cancela con la energía cinética positiva de la pared. [ 11 ]

Pequeñas burbujas de vacío verdadero pueden inflarse hasta un tamaño crítico mediante el suministro de energía, [ 45 ] aunque las densidades de energía requeridas son varios órdenes de magnitud mayores que las que se alcanzan en cualquier proceso natural o artificial. [ 10 ] También se cree que ciertos entornos pueden catalizar la formación de burbujas al disminuir la barrera de potencial. [ 46 ]

La pared de la burbuja tiene un espesor finito, que depende de la relación entre la barrera de energía y la ganancia de energía obtenida al crear un vacío verdadero. En el caso de que la altura de la barrera de potencial entre los vacíos verdaderos y falsos sea mucho menor que la diferencia de energía entre ellos, el espesor de la capa se vuelve comparable con el radio crítico. [ 47 ]

Semillas de nucleación

En general, se cree que la gravedad estabiliza un estado de falso vacío, [ 48 ] al menos para la transición desdedS{\displaystyle dS}(espacio de Sitter) aAdS{\displaystyle AdS}(Espacio anti-de Sitter), [ 49 ] mientras que los defectos topológicos, incluidas las cuerdas cósmicas [ 50 ] y los monopolos magnéticos, pueden aumentar la probabilidad de desintegración. [ 10 ]

Agujeros negros como semillas de nucleación

En un estudio de 2015, [ 46 ] se señaló que la tasa de decaimiento del vacío podría aumentar enormemente en las proximidades de los agujeros negros, que servirían como semilla de nucleación . [ 51 ] Según este estudio, un decaimiento del vacío potencialmente catastrófico podría desencadenarse en cualquier momento por agujeros negros primordiales , si existieran. Sin embargo, los autores señalan que si los agujeros negros primordiales causan un colapso del falso vacío, entonces debería haber ocurrido mucho antes de que los humanos evolucionaran en la Tierra. Un estudio posterior de 2017 indicó que la burbuja colapsaría en un agujero negro primordial en lugar de originarse a partir de él, ya sea por colapso ordinario o por curvatura del espacio de tal manera que se rompa en un nuevo universo. [ 52 ] En 2019, se descubrió que, si bien los agujeros negros pequeños sin rotación pueden aumentar la tasa de nucleación del vacío verdadero, los agujeros negros que giran rápidamente estabilizarán los falsos vacíos a tasas de decaimiento inferiores a las esperadas para el espacio-tiempo plano. [ 53 ] [ 54 ]

Si las colisiones de partículas producen mini agujeros negros, entonces las colisiones energéticas como las producidas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podrían desencadenar un evento de desintegración del vacío, un escenario que ha atraído la atención de los medios de comunicación. Es probable que sea irrealista, porque si tales mini agujeros negros pueden crearse en colisiones, también se crearían en las colisiones mucho más energéticas de partículas de radiación cósmica con superficies planetarias o durante la vida temprana del universo como tentativos agujeros negros primordiales . [ 55 ] Hut y Rees [ 56 ] señalan que, debido a que las colisiones de rayos cósmicos se han observado a energías mucho más altas que las producidas en 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 solo aproximadamente ocho teraelectronvoltios (8×10 12 eV ). Se han observado colisiones de rayos cósmicos a energías de 5 × 10¹⁹ eV o superiores , seis millones de veces más potentes —el llamado límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin— y los rayos cósmicos en las proximidades de su origen podrían ser aún más potentes. John Leslie ha argumentado [ 57 ] que, si las tendencias actuales continúan, los aceleradores de partículas superarán la energía liberada en las colisiones de rayos cósmicos naturales para el año 2150. Los críticos del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​y del Gran Colisionador de Hadrones plantearon temores de este tipo en el momento de su propuesta, pero la investigación científica determinó que carecían de fundamento. 

En un artículo de 2021 de Rostislav Konoplich y otros, se postuló que el área entre un par de grandes agujeros negros a punto de colisionar podría proporcionar las condiciones para crear burbujas de "vacío verdadero". Las superficies que se intersecan entre estas burbujas podrían volverse infinitamente densas y formar microagujeros negros. Estos, a su vez, se evaporarían emitiendo radiación de Hawking en los aproximadamente 10 milisegundos antes de que los agujeros negros más grandes colisionaran y devoraran cualquier burbuja o microagujero negro en su camino. La teoría podría comprobarse buscando la radiación de Hawking emitida justo antes de la fusión de los agujeros negros. [ 58 ] [ 59 ]

Propagación de burbujas

Una pared de burbuja, que se propaga hacia afuera a una velocidad cercana a la de la luz, tiene un espesor finito que depende de la relación entre la barrera de energía y la ganancia de energía obtenida al crear un vacío verdadero. En el caso de que la altura de la barrera de potencial entre los vacíos verdaderos y falsos sea mucho menor que la diferencia de energía entre ellos, el espesor de la pared de la burbuja se vuelve comparable al radio crítico. [ 47 ]

Es probable que las partículas elementales que entran en la pared se desintegren en otras partículas o agujeros negros. Si todas las vías de desintegración conducen a partículas muy masivas, la barrera de energía de dicha desintegración puede dar lugar a una burbuja estable de falso vacío (también conocida como bola de Fermi ) que encierra la partícula de falso vacío en lugar de una desintegración inmediata. Los objetos de múltiples partículas pueden estabilizarse como bolas Q , aunque estos objetos eventualmente colisionarán y se desintegrarán en agujeros negros o partículas de vacío verdadero. [ 60 ]

Desintegración del falso vacío en la ficción

La hipótesis de un evento de desintegración del vacío falso se utiliza ocasionalmente como recurso argumental en obras que representan un evento apocalíptico .

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • SimpleBounce en GitHub calcula la acción euclidiana para la solución de rebote que contribuye a la desintegración del falso vacío.
  • Rafelski, Johann ; Müller, Berndt (1985). El vacío estructurado: pensar en la nada (PDF) . H. Deutsch. ISBN 3-87144-889-3.
  • Guth, Alan . "¿Una eternidad de burbujas?" . PBS . Archivado del original el 25 de agosto de 2012.
  • Simulación de la desintegración del falso vacío por nucleación de burbujas en YouTube – Joel Thorarinson.
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