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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 verdadero vacío o estado fundamental , pero hay una barrera que impide que el campo descienda clásicamente hasta el verdadero vacío. Por lo tanto, la transición al verdadero vacío debe estimularse mediante la creación de partículas de alta energía o mediante túneles mecánico-cuánticos .

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

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

Definición de vacío verdadero versus vacío falso

Un vacío se define como un espacio que contiene la menor cantidad de energía posible. A pesar del nombre, el vacío todavía tiene campos cuánticos . Un verdadero vacío es estable porque tiene un mínimo global de energía y comúnmente se supone 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 representen un mínimo local pero no 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 vacío falso en lugar de un estado de vacío verdadero, entonces la decadencia del falso vacío menos estable al vacío verdadero más estable (llamado decaimiento del falso vacío) podría tener consecuencias dramáticas. [5] [6] Los efectos podrían variar 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 falsos de desintegración del 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 falsa caída del vacío puede ser imposible). [12]

Un artículo de Coleman y de Luccia que intentaba incluir suposiciones gravitacionales simples en estas teorías señaló que si ésta fuera una representación precisa de la naturaleza, entonces el universo resultante "dentro de la burbuja" en tal caso parecería ser extremadamente inestable y casi colapsar inmediatamente:

En general, la gravitación hace que la probabilidad de desintegración del vacío sea menor; en el caso extremo de una diferencia muy pequeña en la densidad de energía, puede incluso estabilizar el falso vacío, evitando por completo la caída del vacío. Creemos que entendemos esto. Para que el vacío decaiga, debe ser posible construir una burbuja de energía total cero. En ausencia de gravitación, esto no supone ningún problema, por pequeña que sea la diferencia en densidad de energía; todo lo que hay 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 vacío verdadero distorsiona la geometría dentro de la burbuja con el resultado de que, para una densidad de energía lo 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. La geometría del espacio-tiempo dentro de la burbuja es la del espacio anti-de Sitter , un espacio muy parecido 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 estemos viviendo en un falso vacío nunca ha sido alentadora de contemplar. La decadencia del vacío es la catástrofe ecológica definitiva; en el nuevo vacío hay nuevas constantes de la naturaleza; Después de la desintegración del vacío, no sólo es imposible la vida tal como la conocemos, sino también la química tal como la conocemos. Sin embargo, siempre se podría obtener un consuelo estoico de la posibilidad de que tal vez con el transcurso del tiempo el nuevo vacío sostuviera, si no la vida tal como la conocemos, al menos algunas estructuras capaces de conocer la alegría. Esta posibilidad ahora ha sido eliminada.

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

—  Sidney Coleman y Frank De Luccia [11]

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 destrucción de la Tierra en menos de 1/10 9 por año debido a todos los efectos naturales ( es decir, eventos no antropogénicos), incluida una transición a un estado de vacío inferior. Argumentan que, debido a los efectos de selección del observador , podríamos subestimar las posibilidades de ser destruidos por la desintegración del vacío porque cualquier información sobre este evento nos llegaría sólo en el instante en que nosotros también fuéramos destruidos. Esto contrasta con eventos como riesgos de impactos, explosiones de rayos gamma , supernovas e hipernovas , cuyas frecuencias tenemos medidas directas adecuadas. [13]

Inflación

Varias teorías sugieren que la inflación cósmica puede ser el efecto de un vacío falso que se desintegra en el vacío verdadero. La inflación en sí puede ser consecuencia del campo de Higgs atrapado en un falso estado de vacío [14] con el autoacoplamiento de Higgs λ y su función β λ muy cercana a cero en la escala de Planck . [15] : 218  Un futuro colisionador electrón-positrón podría proporcionar las mediciones precisas del quark top necesarias para tales cálculos. [15]

La teoría de la inflación caótica sugiere que el universo puede estar en un estado de vacío falso o en un estado de vacío verdadero. Alan Guth , en su propuesta original para la inflación cósmica, [16] propuso que la inflación podría terminar mediante la nucleación de burbujas de la mecánica cuántica del tipo descrito anteriormente. Ver historia de la teoría de la inflación caótica . Pronto se comprendió que no se podía preservar un universo homogéneo e isotrópico mediante el violento proceso de construcción de túneles. Esto llevó a Andrei Linde [17] y, de forma independiente, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt , [18] a proponer una "nueva inflación" o "inflación lenta" en la que no se produce túnel, y el campo escalar inflacionario se representa gráficamente como una pendiente suave.

En 2014, investigadores del Instituto de Física y Matemáticas de Wuhan de la Academia China de Ciencias sugirieron que el universo podría haber sido creado espontáneamente a partir de la nada (sin espacio , tiempo ni materia ) mediante fluctuaciones cuánticas de falso vacío metaestable que causaron una burbuja en expansión de verdadero vacío. [19]

Variedades de descomposición al vacío.

Decaimiento del vacío electrodébil

Panorama de estabilidad del vacío electrodébil estimado en 2012 [15]
Panorama de estabilidad del vacío electrodébil estimado en 2018. [4] T RH es la gran energía de unificación. ξ es el grado de acoplamiento no mínimo entre fuerzas fundamentales.

Los criterios de estabilidad para la interacción electrodébil se formularon por primera vez en 1979 [20] en 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 permitió a los físicos validar los criterios experimentalmente, por lo que desde 2012 la interacción electrodébil se considera el candidato más prometedor para una fuerza fundamental metaestable . [15] La correspondiente hipótesis del falso vacío se denomina 'inestabilidad del vacío electrodébil' o 'inestabilidad del vacío de Higgs'. [21] El estado de vacío falso actual se llama ( espacio de Sitter ), mientras que el vacío verdadero tentativo se llama ( espacio Anti-de Sitter ). [22] [23]

Los diagramas muestran los rangos de incertidumbre del bosón de Higgs y las masas del quark top como líneas ovaladas. Los colores subyacentes indican si es probable que el estado de vacío electrodébil sea estable, simplemente de larga duración o completamente inestable para una combinación determinada de masas. [24] [25] La hipótesis de la "desintegración del vacío electrodébil" a veces se tergiversó como si el bosón de Higgs "terminara" el universo. [26] [27] [28] Es probable que una masa del bosón de Higgs de 125,18 ± 0,16 GeV/ c 2  [29] esté en el lado metaestable del límite estable-metaestable (estimado en 2012 como 123,8–135,0 GeV . [15] ) Sin embargo, una respuesta definitiva requiere mediciones mucho más precisas de la masa polar del quark top , [15] aunque la precisión mejorada de la medición del bosón de Higgs y las masas del quark top reforzó aún más la afirmación de que el vacío físico electrodébil 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 divisorias del panorama de estabilidad, haciendo que los criterios anteriores de estabilidad y metaestabilidad sean incorrectos. [30] [31] El nuevo análisis del funcionamiento del LHC de 2015-2018 en 2022 arrojó una masa de quark superior ligeramente inferior, de 171,77 ± 0,38 GeV, cerca de la línea de estabilidad del vacío, pero aún en la zona metaestable. [32] [33]

Si las mediciones del bosón de Higgs y el 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 casi a la velocidad de la luz desde su origen en el espacio-tiempo. [34] Un cálculo directo dentro del modelo estándar de la vida útil de nuestro estado de vacío encuentra que [ se necesita aclaración ] es mayor que años con un 95% de confianza. [35]

Otros modos de decaimiento

Nucleación de burbujas

Cuando el falso vacío decae, se forma el verdadero vacío de menor energía mediante un proceso conocido como nucleación de burbujas . [38] [39] [40] [41] [42] [3] En este proceso, los efectos instantáneos 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 cuando los campos pasan sobre la barrera de potencial hacia el vacío verdadero. El primero tiende a ser el cubo del radio de la burbuja mientras que el segundo es proporcional al cuadrado de su radio, por lo que existe un tamaño crítico en el que la energía total de la burbuja es cero; las burbujas más pequeñas tienden a encogerse, mientras que las burbujas más grandes tienden a crecer. Para poder nuclearse, la burbuja debe superar una barrera energética de altura [3]

donde es la diferencia de energía entre los vacíos verdadero y falso, es la tensión superficial desconocida (posiblemente extremadamente grande) de la pared del dominio y es el radio de la burbuja. Reescribiendo la ecuación. 1 da el radio crítico como

Una burbuja más pequeña que el tamaño crítico puede superar la barrera potencial mediante túneles cuánticos de instantes a estados de energía más bajos. Para una barrera potencial grande, la tasa de construcción de túneles por unidad de volumen de espacio viene dada por [43]

donde es la constante de Planck reducida [ ancla rota ] . 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 acelerarse hacia afuera. Debido a la gran diferencia de energía entre el vacío falso y el verdadero, la velocidad de la pared se acerca extremadamente rápido a la velocidad de la luz. La burbuja no produce ningún efecto gravitacional porque la densidad de energía negativa del interior de la burbuja es anulada por la energía cinética positiva de la pared. [11]

Pequeñas burbujas de vacío verdadero pueden inflarse hasta un tamaño crítico proporcionando energía, [44] aunque las densidades de energía requeridas son varios órdenes de magnitud mayores que las que se logran en cualquier proceso natural o artificial. [10] También se cree que ciertos entornos pueden catalizar la formación de burbujas al reducir la barrera potencial. [45]

La pared de la burbuja tiene un espesor finito, dependiendo 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 potencial entre las vacuas verdaderas y falsas sea mucho menor que la diferencia de energía entre las vacuas, el espesor de la capa se vuelve comparable con el radio crítico. [46]

Semillas de nucleación

En general, se cree que la gravedad estabiliza un falso estado de vacío, [47] al menos para la transición del (espacio de Sitter) al (espacio Anti-de Sitter), [48] mientras que los defectos topológicos, incluidas las cuerdas cósmicas [49] y los monopolos magnéticos puede aumentar la probabilidad de descomposición. [10]

Los agujeros negros como semillas de nucleación

En un estudio de 2015, [45] se señaló que la tasa de desintegración del vacío podría aumentar enormemente en las proximidades de los agujeros negros, lo que serviría como semilla de nucleación . [50] Según este estudio, los agujeros negros primordiales podrían desencadenar en cualquier momento una desintegración del vacío potencialmente catastrófica , en caso de que existieran. Los autores señalan, sin embargo, que si los agujeros negros primordiales provocan un falso colapso del vacío, entonces debería haber ocurrido mucho antes de que los humanos evolucionaran en la Tierra. Un estudio posterior realizado en 2017 indicó que la burbuja colapsaría en un agujero negro primordial en lugar de originarse en él, ya sea mediante un colapso ordinario o doblando el espacio de tal manera que se rompa en un nuevo universo. [51] En 2019, se descubrió que, si bien los pequeños agujeros negros que no giran pueden aumentar la tasa de nucleación del vacío real, los agujeros negros que giran rápidamente estabilizarán los vacíos falsos a tasas de desintegración inferiores a las esperadas para el espacio-tiempo plano. [52] [53]

Si las colisiones de partículas producen miniagujeros negros, entonces colisiones energéticas como las que se producen en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podrían desencadenar un evento de desintegración del vacío de este tipo, un escenario que ha atraído la atención de los medios de comunicación. Es probable que no sea realista, porque si estos mini agujeros negros pueden crearse en colisiones, también se crearían en colisiones mucho más energéticas de partículas de radiación cósmica con superficies planetarias o durante la vida temprana del universo como tentativos agujeros negros primordiales. . [54] Hut y Rees [55] señalan que, debido a que se han observado colisiones de rayos cósmicos 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 sólo aproximadamente ocho teraelectrón voltios (8×10 12 eV). Se han observado colisiones de rayos cósmicos a energías de 5×10 19 eV y más allá , seis millones de veces más potentes (el llamado límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin ) y los rayos cósmicos en las proximidades del origen pueden ser aún más potentes. John Leslie ha argumentado [56] que si las tendencias actuales continúan, los aceleradores de partículas excederán la energía emitida en las colisiones naturales de rayos cósmicos para el año 2150. Temores de este tipo fueron planteados por críticos tanto del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​como del Gran Colisionador. Hadron Collider en el momento de su respectiva propuesta, y se determinó que era infundado por investigación científica.

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 "verdadero vacío". Las superficies que se cruzan entre estas burbujas podrían volverse infinitamente densas y formar microagujeros negros. Estos, a su vez, se evaporarían emitiendo radiación de Hawking en los 10 milisegundos aproximadamente 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 que los agujeros negros se fusionen. [57] [58]

Propagación de burbujas

Una pared de burbuja, que se propaga hacia afuera casi a la velocidad de la luz, tiene un espesor finito, dependiendo 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 potencial entre las vacuas verdaderas y falsas sea mucho menor que la diferencia de energía entre las vacuas, el espesor de la pared de la burbuja se vuelve comparable al radio crítico. [46]

Las partículas elementales que ingresan a la pared probablemente se descompondrán en otras partículas o agujeros negros. Si todos los caminos de desintegración conducen a partículas muy masivas, la barrera energética de dicha desintegración puede resultar en 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 se pueden estabilizar como Q-balls , aunque estos objetos eventualmente colisionarán y se desintegrarán en agujeros negros o partículas de vacío verdadero. [59]

Falsa decadencia del vacío en la ficción

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

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

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