En la teoría cuántica de campos , un vacío falso [1] es un vacío hipotético que no está en descomposición activa, pero de alguna manera no del todo estable ("metaestable"). [2] Puede durar mucho tiempo en ese estado (una propiedad conocida como metaestabilidad ), y eventualmente puede pasar a un estado más estable, un evento conocido como decaimiento de vacío falso o evento de metaestabilidad de vacío . La sugerencia más común de cómo podría ocurrir tal cambio se llama nucleación de burbujas : si una pequeña región del universo por casualidad alcanzara un vacío más estable, esta "burbuja" (también llamada "rebote") [3] [4] se propagaría .
Existe un vacío falso en un mínimo local de energía y, por lo tanto, no es estable, en contraste con un vacío verdadero, que existe en un mínimo global y es estable.
Definición de vacío verdadero vs falso
Un vacío se define como un espacio con 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 asume que coincide con un estado de vacío físico en el que vivimos. Es posible que un estado de vacío físico sea una configuración de campos cuánticos que representan un mínimo local pero no mínimo global de energía. Este tipo de estado de vacío se denomina "vacío falso".
Trascendencia
Amenaza existencial
Si pudiera surgir un estado de vacío más estable , que se llama decaimiento de vacío falso o evento de metaestabilidad de vacío, [5] [6] los efectos pueden variar desde el cese completo de las fuerzas fundamentales existentes , las partículas elementales y las estructuras que las componen, hasta un cambio sutil. en algunos parámetros cosmológicos, dependiendo principalmente de la diferencia de potencial entre el vacío verdadero y falso. Algunos escenarios de falsa desintegración del vacío son compatibles con la supervivencia de estructuras como galaxias y estrellas [7] [8] o incluso con vida biológica [9] mientras que otros implican la destrucción total de la materia bariónica [10] o incluso el colapso gravitacional inmediato del universo [ 11] aunque en este último caso la posibilidad de conectar causalmente (es decir, nuclear) [ aclaración necesaria ] el verdadero vacío desde el interior del área de falso vacío es dudosa. [12]
En un artículo de 2005 publicado en Nature , como parte de su investigación sobre los 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 en menos de 1/10 9 por año de todos los naturales ( es decir, eventos no antropogénicos), incluida una transición a un estado de vacío más bajo. Argumentan que debido a los efectos de selección del observador , podríamos subestimar las posibilidades de ser destruidos por la descomposición del vacío porque cualquier información sobre este evento nos llegaría solo en el instante en que también fuéramos destruidos. Esto contrasta con eventos como los riesgos de impactos, estallidos de rayos gamma , supernovas e hipernovas , cuyas frecuencias tenemos medidas directas adecuadas. [13]
La desintegración falsa del vacío puede ocurrir en 20 a 30 mil millones de años si el campo del bosón de Higgs es metaestable. [14] [15] [16]
Inflación
Varias teorías sugieren que la inflación cósmica puede ser un efecto de un falso vacío que se convierte en el verdadero vacío. La inflación en sí puede ser la consecuencia de la campo de Higgs atrapado en un estado falso vacío [17] con Higgs auto-acoplamiento λ y su ß λ función muy cerca de cero en la escala de Planck . [18] : 218 Un futuro colisionador de electrones y positrones podría proporcionar las medidas precisas del quark top necesarias para tales cálculos. [18]
La teoría de la inflación caótica sugiere que el universo puede estar en un vacío falso o en un verdadero estado de vacío. Alan Guth , en su propuesta original de inflación cósmica , [19] 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 un universo homogéneo e isotrópico no podría preservarse mediante el violento proceso de tunelización. Esto llevó a Andrei Linde [20] e, independientemente, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt , [21] a proponer una "nueva inflación" o "inflación lenta de balanceo" en la que no se producen túneles, 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 sugirieron que el universo podría haber sido creado espontáneamente a partir de la nada (sin espacio , tiempo ni materia ) por fluctuaciones cuánticas de falso vacío metaestable que causó una burbuja en expansión de verdadero aspiradora. [22]
Variedades de descomposición al vacío
Decaimiento por vacío electrodébil
Los criterios de estabilidad para la interacción electrodébil se formularon por primera vez en 1979 [23] en función de las masas del bosón de Higgs teórico y del fermión más pesado . El descubrimiento del quark Top en 1995 y el bosón de Higgs en 2012 han permitido a los físicos validar los criterios frente al experimento, por lo que desde 2012 la interacción electrodébil se considera el candidato más prometedor para la fuerza fundamental metaestable . [18] La hipótesis del falso vacío correspondiente se denomina "inestabilidad del vacío electrodébil" o "inestabilidad del vacío de Higgs". [24] El estado actual de falso vacío se denomina( Espacio De Sitter ), mientras que el verdadero vacío tentativo se llama( Espacio Anti-de Sitter ). [25] [26]
Los diagramas muestran los rangos de incertidumbre del bosón de Higgs y las masas de los quarks superiores como líneas de forma ovalada. 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. [27] [28] La hipótesis de la "desintegración del vacío electrodébil" a veces se describió erróneamente como que el bosón de Higgs "acababa" con el universo. [29] [30] [31] Es probable que una masa de bosón de Higgs de 125,18 ± 0,16 GeV / c 2 [32] esté en el lado metaestable del límite estable-metaestable (estimado en 2012 como 123,8–135,0 GeV . [18] ) Sin embargo, una respuesta definitiva requiere mediciones mucho más precisas de la masa del polo del quark top , [18] 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 está en 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. [33] [34]
Si las mediciones del bosón de Higgs y del quark top sugieren que nuestro universo se encuentra dentro de un vacío falso de este tipo, esto implicaría que, más que probablemente en muchos miles de millones de años, [35] los efectos de la burbuja se propagarán por todo el universo a casi la velocidad de la luz desde su origen en el espacio-tiempo.
Otros modos de decaimiento
- Decaimiento a un valor de expectativa de vacío más pequeño , lo que resulta en una disminución del efecto Casimir y la desestabilización del protón . [10]
- Decaimiento al vacío con una masa de neutrinos más grande (puede haber ocurrido relativamente recientemente [ ¿cuándo? ] ). [7]
- Decae al vacío sin energía oscura . [8]
Nucleación de burbujas
Cuando el vacío falso decae, el vacío verdadero de menor energía se forma a través de un proceso conocido como nucleación de burbujas . [36] [37] [38] [39] [40] [3] En este proceso, los efectos instanton 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 la energía se gasta cuando los campos pasan sobre la barrera potencial hacia el verdadero vacío. El primero tiende como el cubo del radio de la burbuja, mientras que el segundo es proporcional al cuadrado de su radio, por lo que hay 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]
( Ecuación 1 )
dónde es la diferencia de energía entre los vacíos verdadero y falso, es la tensión superficial desconocida (posiblemente extremadamente grande) de la pared del dominio, yes el radio de la burbuja. Reescritura de la ecuación. 1 da el radio crítico como
( Ecuación 2 )
Una burbuja más pequeña que el tamaño crítico puede superar la barrera potencial a través de un túnel cuántico de instantones a estados de energía más bajos. Para una gran barrera potencial, la tasa de tunelización por unidad de volumen de espacio viene dada por [41]
( Ecuación 3 )
dónde 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 Ec. 2 , la pared de la burbuja comenzará a acelerarse hacia afuera. Debido a la gran diferencia de energía entre los vacíos falso y verdadero, la velocidad de la pared se aproxima a la velocidad de la luz de manera extremadamente rápida. 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]
Se pueden inflar pequeñas burbujas de verdadero vacío a un tamaño crítico proporcionando energía, [42] 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. [43]
Semillas de nucleación
En un estudio de 2015, [43] se señaló que la tasa de desintegración del vacío podría aumentar enormemente en la vecindad de los agujeros negros, que servirían como semilla de nucleación . [44] Según este estudio, los agujeros negros primordiales podrían desencadenar una desintegración en el vacío potencialmente catastrófica en cualquier momento , en caso de que existan. Sin embargo, los autores señalan que si los agujeros negros primordiales causan un falso colapso del vacío, entonces debería haber ocurrido mucho antes de que los humanos evolucionaran en la Tierra. Un estudio posterior en 2017 indicó que la burbuja colapsaría en un agujero negro primordial en lugar de originarse en él, ya sea por un colapso ordinario o doblando el espacio de tal manera que se rompa en un nuevo universo. [45] En 2019, se descubrió que aunque 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 descomposición más bajas de lo esperado para el espacio-tiempo plano. [46] Las semillas de nucleación alternativas propuestas incluyen cuerdas cósmicas [47] y monopolos magnéticos . [10]
Si las colisiones de partículas producen mini agujeros negros, las colisiones energéticas como las producidas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podrían desencadenar un evento de descomposición en el vacío, un escenario que ha atraído la atención de los medios de comunicación. Es probable que no sea realista, porque si tales mini agujeros negros se pueden crear 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 agujeros negros primordiales tentativos. . [48] Hut y Rees [49] 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 tera electronvoltios (8 × 10 12 eV). Se han observado colisiones de rayos cósmicos en y más allá de energías de 5 × 10 19 eV , seis millones de veces más poderosas (el llamado límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin ) y los rayos cósmicos en las proximidades del origen pueden ser aún más poderosos. John Leslie ha argumentado [50] que si continúan las tendencias actuales, los aceleradores de partículas excederán la energía emitida en las colisiones de rayos cósmicos que ocurren naturalmente en el año 2150. Los críticos tanto del Relativistic Heavy Ion Collider como del Large Hadron Collider en el momento de su propuesta respectiva, y se determinó que es infundado por la investigación científica.
Falso decaimiento del vacío en la ficción
El evento de descomposición del vacío falso se usa ocasionalmente como un dispositivo de trama en obras que representan un evento apocalíptico .
- 1988 de Geoffrey A. Landis en su cuento de ciencia ficción Vacuum States [51]
- 2000 de Stephen Baxter en su novela de ciencia ficción Time [52]
- 2002 de Greg Egan en su novela de ciencia ficción Schild's Ladder
- 2008 de Koji Suzuki en su novela de ciencia ficción Edge
- 2015 de Alastair Reynolds en su novela de ciencia ficción Poseidon's Wake
- 2015 de Phillip P. Peterson en su novela de ciencia ficción Paradox
Ver también
- Inflación eterna - Modelo hipotético de universo inflacionario
- Sobreenfriamiento : bajar la temperatura de un líquido o gas por debajo del punto de congelación sin que se convierta en un sólido
- Recalentamiento
- Vacío : grandes espacios vacíos entre filamentos con pocas o ninguna galaxias.
Notas
- ^ Nota 1 Un artículo de Coleman y de Luccia que intentó 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 colapsaría casi de inmediato:
En general, la gravitación reduce la probabilidad de descomposición del vacío; en el caso extremo de una diferencia de densidad de energía muy pequeña, incluso puede estabilizar el vacío falso, evitando la degradación del vacío por completo. 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 es un problema, no importa cuán pequeña sea la diferencia de 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 verdadero vacío distorsiona la geometría dentro de la burbuja con el resultado de que, para una densidad de energía lo suficientemente pequeña, no hay 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 requerido 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 una alegría para contemplar. La descomposición del vacío es la máxima catástrofe ecológica; en el nuevo vacío hay nuevas constantes de la naturaleza; después de la descomposición del vacío, no solo la vida tal como la conocemos es imposible, también lo es la química tal como la conocemos. Sin embargo, siempre se puede obtener un consuelo estoico de la posibilidad de que tal vez con el transcurso del tiempo el nuevo vacío sostenga, 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 descomposición en un espacio de constante cosmológica que desaparece, el caso que se aplica si ahora vivimos en los escombros de un falso vacío que decayó 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
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- ^ Stephen Baxter (2000). Tiempo . ISBN 978-0-7653-1238-9.
Otras lecturas
- Johann Rafelski y Berndt Muller (1985). El vacío estructurado, sin pensar en nada . Harri Deutsch. ISBN 978-3-87144-889-8.
- Sidney Coleman (1988). Aspectos de simetría: conferencias Erice seleccionadas . ISBN 978-0-521-31827-3.
enlaces externos
- El paquete SimpleBounce calcula la acción euclidiana para la solución de rebote que contribuye a la falsa caída del vacío.
- Copia gratuita en pdf de El vacío estructurado - sin pensar en nada por Johann Rafelski y Berndt Muller (1985) ISBN 3-87144-889-3 .
- ¿Una eternidad de burbujas? por Alan Guth
- La decadencia del falso vacío de Sten Odenwald
- Simulación de la descomposición del vacío falso por Bubble Nucleation en YouTube - Joel Thorarinson