La teoría del vacío superfluido ( SVT ), a veces conocida como teoría del vacío BEC , es un enfoque en física teórica y mecánica cuántica donde el vacío físico fundamental (fondo no removible) se considera como un superfluido o como un condensado de Bose-Einstein (BEC).
La estructura microscópica de este vacío físico es actualmente desconocida y es objeto de intensos estudios en SVT. Un objetivo final de esta investigación es desarrollar modelos científicos que unifiquen la mecánica cuántica (que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas ) con la gravedad , convirtiendo a SVT en un derivado de la gravedad cuántica y describiendo todas las interacciones conocidas en el Universo, tanto a escala microscópica como astronómica, como diferentes manifestaciones de la misma entidad, el vacío superfluido.
El concepto de un éter luminífero como medio que sustenta las ondas electromagnéticas fue descartado después del advenimiento de la teoría especial de la relatividad , ya que la presencia del concepto junto con la relatividad especial da como resultado varias contradicciones; en particular, el éter que tiene una velocidad definida en cada punto del espacio-tiempo exhibirá una dirección preferida. Esto entra en conflicto con el requisito relativista de que todas las direcciones dentro de un cono de luz son equivalentes. Sin embargo, ya en 1951 PAM Dirac publicó dos artículos en los que señaló que deberíamos tener en cuenta las fluctuaciones cuánticas en el flujo del éter. [1] [2] Sus argumentos implican la aplicación del principio de incertidumbre a la velocidad del éter en cualquier punto del espacio-tiempo, lo que implica que la velocidad no será una cantidad bien definida. De hecho, se distribuirá entre varios valores posibles. En el mejor de los casos, uno podría representar el éter mediante una función de onda que represente el estado de vacío perfecto para el cual todas las velocidades del éter son igualmente probables.
Inspirados por las ideas de Dirac, KP Sinha, C. Sivaram y ECG Sudarshan publicaron en 1975 una serie de artículos que sugerían un nuevo modelo para el éter según el cual es un estado superfluido de pares de fermiones y antifermiones, descriptible por una función de onda macroscópica . [3] [4] [5] Observaron que las pequeñas fluctuaciones similares a partículas del fondo superfluido obedecen a la simetría de Lorentz , incluso si el superfluido en sí no es relativista. Sin embargo, decidieron tratar el superfluido como la materia relativista , colocándolo en el tensor de tensión-energía de las ecuaciones de campo de Einstein . Esto no les permitió describir la gravedad relativista como una pequeña fluctuación del vacío superfluido, como han señalado autores posteriores [ cita requerida ] .
Desde entonces, se han propuesto varias teorías en el marco de la teoría de la transmisión superfluida, que difieren en cómo debe ser la estructura y las propiedades del superfluido de fondo . A falta de datos observacionales que descarten algunas de ellas, estas teorías se están estudiando de forma independiente.
Según este enfoque, se supone que el superfluido de fondo es esencialmente no relativista, mientras que la simetría de Lorentz no es una simetría exacta de la naturaleza, sino más bien una descripción aproximada válida solo para pequeñas fluctuaciones. Un observador que resida dentro de dicho vacío y sea capaz de crear o medir las pequeñas fluctuaciones las observaría como objetos relativistas , a menos que su energía y momento sean lo suficientemente altos como para hacer que las correcciones de ruptura de Lorentz sean detectables. [6] Si las energías y los momentos están por debajo del umbral de excitación, entonces el fondo superfluido se comporta como el fluido ideal ; por lo tanto, los experimentos de tipo Michelson-Morley no observarían ninguna fuerza de arrastre de dicho éter. [1] [2]
Además, en la teoría de la relatividad, la simetría galileana (que es pertinente para nuestro mundo macroscópico no relativista) surge como la simetría aproximada, cuando las velocidades de las partículas son pequeñas en comparación con la velocidad de la luz en el vacío. En la teoría de la transmisión espacial no es necesario pasar por la simetría de Lorentz para obtener la galileana: se sabe que las relaciones de dispersión de la mayoría de los superfluidos no relativistas obedecen al comportamiento no relativista en grandes momentos. [7] [8] [9]
En resumen, las fluctuaciones del superfluido de vacío se comportan como objetos relativistas en momentos "pequeños" [nb 1] (también conocido como el "límite fonónico").
y como los no relativistas
en grandes momentos. Se cree que la física no trivial, aún desconocida, se ubica en algún lugar entre estos dos regímenes.
En la teoría cuántica de campos relativista , el vacío físico también se supone que es una especie de medio no trivial al que se puede asociar cierta energía . Esto se debe a que el concepto de espacio absolutamente vacío (o "vacío matemático") contradice los postulados de la mecánica cuántica . Según la QFT, incluso en ausencia de partículas reales, el fondo siempre está lleno de pares de partículas virtuales que se crean y se aniquilan . Sin embargo, un intento directo de describir dicho medio conduce a las denominadas divergencias ultravioletas . En algunos modelos de QFT, como la electrodinámica cuántica, estos problemas se pueden "solucionar" utilizando la técnica de renormalización , es decir, reemplazando los valores físicos divergentes por sus valores medidos experimentalmente. En otras teorías, como la relatividad general cuántica , este truco no funciona y no se puede construir una teoría de perturbaciones fiable.
Según la teoría de la transmisión de energía, esto se debe a que en el régimen de alta energía ("ultravioleta") la simetría de Lorentz comienza a fallar, por lo que las teorías dependientes no pueden considerarse válidas para todas las escalas de energías y momentos. En consecuencia, si bien los modelos de campo cuántico con simetría de Lorentz son obviamente una buena aproximación por debajo del umbral de energía del vacío, en su proximidad más cercana la descripción relativista se vuelve cada vez más "efectiva" y cada vez menos natural, ya que será necesario ajustar manualmente las expresiones para las acciones teóricas de campo covariantes .
Según la relatividad general , la interacción gravitacional se describe en términos de la curvatura del espacio-tiempo utilizando el formalismo matemático de la geometría diferencial . Esto fue apoyado por numerosos experimentos y observaciones en el régimen de bajas energías. Sin embargo, los intentos de cuantificar la relatividad general llevaron a varios problemas graves , por lo tanto, la estructura microscópica de la gravedad aún está mal definida. Puede haber una razón fundamental para esto: los grados de libertad de la relatividad general se basan en lo que puede ser solo aproximado y efectivo . La cuestión de si la relatividad general es una teoría efectiva se ha planteado durante mucho tiempo. [10]
Según la teoría de la transmisión espacial, el espacio-tiempo curvo surge como el modo de excitación colectiva de pequeña amplitud del condensado de fondo no relativista. [6] [11] La descripción matemática de esto es similar a la analogía de la gravedad de fluidos que también se utiliza en los modelos de gravedad analógicos . [12] Por lo tanto, la gravedad relativista es esencialmente una teoría de longitud de onda larga de los modos colectivos cuya amplitud es pequeña en comparación con la del fondo. Fuera de este requisito, la descripción del espacio curvo de la gravedad en términos de la geometría de Riemann se vuelve incompleta o mal definida.
La noción de constante cosmológica tiene sentido sólo en una teoría relativista, por lo tanto, dentro del marco de la SVT esta constante puede referirse como máximo a la energía de pequeñas fluctuaciones del vacío por encima de un valor de fondo, pero no a la energía del vacío en sí. [13] Por lo tanto, en la SVT esta constante no tiene ningún significado físico fundamental, y los problemas relacionados, como la catástrofe del vacío , simplemente no ocurren en primer lugar.
Según la relatividad general , la onda gravitacional convencional es:
La teoría del vacío superfluido pone en tela de juicio la posibilidad de que exista en la naturaleza un objeto relativista que posea ambas propiedades. [11] De hecho, según el enfoque, el propio espacio-tiempo curvo es la pequeña excitación colectiva del fondo superfluido, por lo tanto, la propiedad (1) significa que el gravitón sería de hecho la "pequeña fluctuación de la pequeña fluctuación", lo que no parece un concepto físicamente robusto (como si alguien intentara introducir pequeñas fluctuaciones dentro de un fonón , por ejemplo). Como resultado, puede que no sea solo una coincidencia que en la relatividad general el campo gravitacional por sí solo no tenga un tensor de tensión-energía bien definido , sino solo el pseudotensor . [14] Por lo tanto, la propiedad (2) no puede justificarse completamente en una teoría con simetría de Lorentz exacta , como lo es la relatividad general. Sin embargo, la teoría de la transmisión superfluida no excluye a priori la existencia de excitaciones ondulatorias no localizadas del fondo superfluido que podrían ser responsables de los fenómenos astrofísicos que actualmente se atribuyen a las ondas gravitacionales, como el sistema binario Hulse-Taylor . Sin embargo, dichas excitaciones no pueden describirse correctamente en el marco de una teoría completamente relativista .
El bosón de Higgs es la partícula de espín 0 que se ha introducido en la teoría electrodébil para dar masa a los bosones débiles . El origen de la masa del bosón de Higgs en sí no se explica mediante la teoría electrodébil. En cambio, esta masa se introduce como un parámetro libre por medio del potencial de Higgs , lo que lo convierte así en otro parámetro libre del Modelo Estándar . [15] Dentro del marco del Modelo Estándar (o sus extensiones) las estimaciones teóricas del valor de este parámetro son posibles solo indirectamente y los resultados difieren entre sí significativamente. [16] Por lo tanto, el uso del bosón de Higgs (o cualquier otra partícula elemental con masa predefinida) por sí solo no es la solución más fundamental del problema de generación de masa sino solo su reformulación ad infinitum . Otro problema conocido del modelo de Glashow-Weinberg-Salam es el signo incorrecto del término de masa en el sector de Higgs (ininterrumpido) para energías por encima de la escala de ruptura de simetría . [nb 2]
Si bien la SVT no prohíbe explícitamente la existencia de la partícula electrodébil de Higgs , tiene su propia idea del mecanismo fundamental de generación de masa: las partículas elementales adquieren masa debido a la interacción con el condensado de vacío, de manera similar al mecanismo de generación de brecha en superconductores o superfluidos . [11] [17] Aunque esta idea no es completamente nueva, se podría recordar el enfoque relativista de Coleman-Weinberg , [18] la SVT da el significado del campo escalar relativista de ruptura de simetría como la descripción de pequeñas fluctuaciones del superfluido de fondo que pueden interpretarse como una partícula elemental solo bajo ciertas condiciones. [19] En general, se permite que ocurran dos escenarios:
Por lo tanto, el bosón de Higgs, incluso si existiera, sería un subproducto del fenómeno fundamental de generación de masa, más que su causa. [19]
Además, algunas versiones de la TFS favorecen una ecuación de onda basada en el potencial logarítmico en lugar del cuártico . El primer potencial no sólo tiene la forma de sombrero mexicano, necesaria para la ruptura espontánea de la simetría , sino también otras características que lo hacen más adecuado para la descripción del vacío.
En este modelo se supone que el vacío físico es un líquido cuántico de Bose fuertemente correlacionado cuya función de onda del estado fundamental se describe mediante la ecuación logarítmica de Schrödinger . Se demostró que la interacción gravitacional relativista surge como el modo de excitación colectiva de pequeña amplitud , mientras que las partículas elementales relativistas pueden describirse mediante los modos similares a partículas en el límite de energías y momentos bajos. [17] La diferencia esencial de esta teoría con respecto a otras es que en el superfluido logarítmico la velocidad máxima de fluctuaciones es constante en el orden principal (clásico). Esto permite recuperar por completo los postulados de la relatividad en el límite "fonónico" (linealizado). [11]
La teoría propuesta tiene muchas consecuencias observacionales. Se basan en el hecho de que a altas energías y momentos, el comportamiento de los modos similares a partículas acaba siendo distinto del relativista : pueden alcanzar el límite de velocidad de la luz a energía finita. [20] Entre otros efectos predichos se encuentran la propagación superlumínica y la radiación Cherenkov en el vacío . [21]
La teoría defiende el mecanismo de generación de masa que se supone que reemplaza o altera el electrodébil de Higgs . Se ha demostrado que las masas de partículas elementales pueden surgir como resultado de la interacción con el vacío superfluido, de manera similar al mecanismo de generación de brecha en los superconductores . [11] [17] Por ejemplo, el fotón que se propaga en el vacío interestelar promedio adquiere una masa diminuta que se estima en aproximadamente 10 −35 electronvoltios . También se puede derivar un potencial efectivo para el sector de Higgs que es diferente del utilizado en el modelo de Glashow–Weinberg–Salam , pero produce la generación de masa y está libre del problema de masa imaginaria [nb 2] que aparece en el potencial de Higgs convencional . [19]
