Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarte el uso de la web mediante el análisis de tus preferencias de navegación. También compartimos la información sobre el tráfico por nuestra web a los medios sociales y de publicidad con los que colaboramos. Si continúas navegando, consideramos que aceptas nuestra Política de cookies .

9 de Febrero de 2021
Cosmología

¿Cómo podrían formarse y chocar los mundos del multiverso?

Varios trabajos basados en simulaciones y sistemas físicos análogos intentan estudiar la física del multiverso.

Si nuestro universo es una burbuja que se formó en el seno de un multiverso mayor, podría exhibir las secuelas de una colisión pasada con otras burbujas cercanas. [sakkmesterke/iStock]

¿Qué hay más allá de todo lo que vemos? Aunque la pregunta pueda parecer imposible de contestar, algunos cosmólogos tienen una respuesta. Nuestro universo es una burbuja que se hincha. Y fuera de ella existen otros «universos burbuja», todos ellos inmersos en un océano energético y en eterna expansión: el multiverso.

La idea no deja indiferente a nadie. Algunos físicos recurren al multiverso para explicar por qué nuestra burbuja parece ser tan especial (ya que solo algunas burbujas podrían albergar vida), mientras que otros lo rechazan por no hacer predicciones verificables (puesto que predice todos los universos concebibles). Sin embargo, algunos investigadores achacan esto último a que aún no hemos sabido precisar las consecuencias de la teoría. Ahora, varios grupos están desarrollando nuevos métodos para inferir cómo podrían formarse las burbujas del multiverso y qué debería ocurrir cuando chocan.

«Es un objetivo extremadamente ambicioso», admite Jonathan Braden, cosmólogo de la Universidad de Toronto que ha trabajado en esta línea de investigación. No obstante, el experto destaca que el proyecto intenta buscar indicios «de algo que pensábamos que nunca podríamos poner a prueba».

La hipótesis del multiverso nació a partir de los intentos de entender el origen del cosmos. Cuando estudian la estructura a gran escala del universo, numerosos teóricos ven en ella signos de que, en sus primeros instantes, el espacio experimentó una fase de crecimiento explosivo. En los años ochenta del siglo pasado, mientras investigaban cómo pudo haber comenzado —y concluido— dicha fase, conocida como «inflación», los físicos se percataron de algo inquietante: aunque el espacio podía haber dejado de inflarse «aquí» (en nuestro universo burbuja) y «allí» (en otras burbujas), los efectos cuánticos deberían seguir hinchando la mayor parte del espacio. Esta idea se conoce como inflación eterna.

La diferencia entre un universo burbuja y lo que lo rodea radica en la energía del propio espacio. Cuando el espacio está lo más vacío posible y no puede perder más energía, se encuentra en lo que los físicos denominan un estado de «vacío verdadero». Para visualizarlo, podemos pensar en una pelota que está en el suelo y que no puede caer más. Sin embargo, un sistema físico puede también encontrarse en un estado de «falso vacío». Imaginemos una pelota dentro de un cuenco que reposa sobre una mesa. Aunque la pelota puede rodar un poco sin abandonar el recipiente, una sacudida lo suficientemente fuerte la hará caer al suelo; es decir, al estado de verdadero vacío.

En un contexto cosmológico, el espacio mismo puede quedar atrapado en un estado de falso vacío. De vez en cuando (probablemente, como consecuencia de un evento cuántico aleatorio), una pequeña región del falso vacío puede pasar al estado de vacío verdadero. Este entonces se expandirá como una burbuja, alimentándose para ello del exceso de energía del falso vacío. Dicho proceso, conocido como «desintegración del vacío», es el que podría haber dado lugar a la gran explosión con la que comenzó nuestro universo. «Tal vez el primer suceso en la historia de nuestro universo fue la formación de una burbuja de vacío», explica Hiranya Peiris, cosmóloga del Colegio Universitario de Londres.

Con todo, resulta muy difícil predecir el comportamiento de tales burbujas, puesto que su futuro depende de una infinidad de pequeños detalles. Además, las burbujas cambian muy deprisa (sus bordes se expanden a velocidades cercanas a la de la luz) y exhiben la aleatoriedad y el carácter ondulatorio propios de la mecánica cuántica. Diferentes suposiciones sobre estos procesos dan lugar a predicciones contradictorias, sin que haya forma de saber cuáles podrían reflejar la realidad. «Es como si hubieran tomado un montón de cuestiones muy difíciles de manejar para los físicos, las hubieran mezclado y hubieran dicho: "Adelante, averiguad lo que está pasando"», ejemplifica Braden.

Por tanto, y dado que es imposible interaccionar con las burbujas de vacío del multiverso, los físicos han intentado estudiar el problema por medio sistemas análogos, tanto físicos como simulados.

En un trabajo reciente, un grupo ha conseguido reproducir un comportamiento similar al de las burbujas de vacío a partir de una sencilla simulación. Los investigadores, entre quienes se encuentra John Preskill, reputado físico teórico del Instituto de Tecnología de California, empezaron con «la versión más simple del problema que cabe imaginar», explica Ashley Milsted, coautora del trabajo: una hilera de unas 1000 flechas que podían apuntar hacia arriba o hacia abajo. El lugar donde se juntaban una cadena de flechas orientadas en su mayoría hacia arriba y otra de flechas dirigidas sobre todo hacia abajo correspondía a la frontera de una burbuja, y los investigadores podían hacer que dichas fronteras se movieran y chocaran simplemente volteando las flechas. Hace tiempo que se sabe que, en determinadas circunstancias, este tipo de modelos imita a la perfección el comportamiento de sistemas naturales mucho más complejos. En este caso, los investigadores esperaban usarlo para simular la desintegración del falso vacío y las colisiones entre burbujas.

En un principio, sin embargo, esta sencilla configuración no se comportaba de manera realista. Cuando las paredes de las burbujas chocaban entre sí, rebotaban de manera perfectamente elástica, sin producir las intrincadas reverberaciones ni los flujos de partículas que los físicos esperaban, lo que debía manifestarse en forma de flechas volteadas ondulando a lo largo de la hilera. No obstante, tras hacer algunos ajustes matemáticos, los investigadores acabaron observando el equivalente a colisiones que producían partículas de alta energía, las cuales eran más numerosas cuanto más violentos eran los choques.

[Quanta Magazine. Fuente: «First observational tests of eternal inflation», S. M. Freeney et. al. en Physical Review Letters, vol. 107, art. 071301, agosto de 2011.]

Pero los resultados, publicados el pasado mes de diciembre en el repositorio arXiv, auguran un callejón sin salida si el problema se aborda con las técnicas de cómputo tradicionales. Los autores hallaron que las partículas resultantes se entrelazaban a medida que interaccionaban, con lo que adoptaban un estado cuántico común. La complejidad de dicho estado crece de manera exponencial con cada nueva partícula, lo que hace que las simulaciones resulten inmanejables incluso para los superordenadores más potentes.

Por ello, los investigadores advierten que, para seguir estudiando el comportamiento de las burbujas, habrá que esperar a disponer de ordenadores cuánticos «maduros»: dispositivos cuyos elementos de cálculo (qubits) sean capaces manejar el entrelazamiento cuántico porque lo experimenten de primera mano.

Por su parte, otros físicos esperan que la naturaleza haga los cálculos por ellos. Michael Spannowsky y Steven Abel, de la Universidad de Durham, ven viable eludir los complejos cálculos necesarios usando un aparato que se rija por las mismas reglas cuánticas que el vacío. «Si logras codificar tu sistema en un dispositivo real, ya no tienes que hacer los cálculos», afirma Spannowsky. «El problema deja de ser una predicción teórica y se convierte en un experimento.»

Su dispositivo, basado en un procedimiento conocido como «temple cuántico» (quantum annealing), es un ordenador cuántico limitado que se especializa en resolver problemas de optimización. Para ello, deja que los qubits busquen la configuración de menor energía entre todas las disponibles; un proceso similar a la desintegración del falso vacío.

Usando D-Wave, un dispositivo comercial de ese tipo, Abel y Spannowsky programaron una cadena de unos 200 qubits para emular un campo cuántico con dos posibles estados de energía análogos a un falso vacío y un vacío verdadero. A continuación, dejaron que el sistema evolucionara y observaron cómo pasaba del estado más energético al otro, lo que condujo a la formación de una burbuja de vacío.

El experimento, descrito el pasado mes de junio en una prepublicación, se limitó a verificar efectos cuánticos conocidos y no reveló nada nuevo sobre la desintegración del vacío. No obstante, los investigadores esperan que D-Wave les permita ir más allá de las predicciones teóricas actuales.

Por último, una tercera estrategia pretende dejar de lado los ordenadores y generar burbujas directamente. Obtener burbujas cuánticas que se expandan a velocidades cercanas a la de la luz no es sencillo. Pero, en 2014, un grupo de físicos de Australia y Nueva Zelanda propuso un método para fabricarlas en el laboratorio a partir de un estado exótico de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. Si enfriamos una fina nube de gas hasta temperaturas muy cercanas al cero absoluto, el resultado puede ser un condensado de Bose-Einstein que —entre otras propiedades cuánticas inusuales— presente la capacidad de interferir con otro condensado, como si se tratara de dos láseres. De acuerdo con las predicciones de los autores, si dos condensados interfiriesen de la manera adecuada, sería posible captar imágenes directas de la formación de burbujas, las cuales actuarían de manera similar a las hipotéticas burbujas del multiverso.

«Al ser un experimento, encierra toda la física que la naturaleza quiera poner en él, lo que incluye efectos cuánticos y clásicos», señala Peiris, quien dirige un equipo que estudia cómo estabilizar la mezcla de condensados para evitar que otros efectos echen por tierra el experimento. Tras años de trabajo, ella y sus colaboradores al fin están en condiciones de comenzar con un prototipo con el que en los próximos años esperan poder generar burbujas de condensado.

Si todo va bien, averiguarán dos cosas: a qué ritmo se forman las burbujas y cómo afecta la aparición de una burbuja a la probabilidad de que surja otra en sus inmediaciones. Las matemáticas actuales ni siquiera permiten formular estas preguntas, subraya Braden, que contribuyó a establecer los fundamentos teóricos del experimento.

Esa información ayudará a los cosmólogos como Braden y Peiris a calcular las repercusiones que habría tenido en nuestro universo la colisión con otro universo burbuja en el pasado remoto. Una de las probables secuelas de tal encuentro sería una región circular fría en el cielo, que Peiris y otros investigadores han buscado hasta ahora sin éxito. Pero otras cuestiones, como si la colisión también produce ondas gravitacionales, dependen de detalles desconocidos de las burbujas.

Aunque el multiverso fuera solo un espejismo, los físicos sacarían partido de todas las herramientas que están desarrollando para descubrirlo. Entender el multiverso equivale a entender la física del espacio. La desintegración del falso vacío «parece un fenómeno ubicuo en física», concluye Peiris. «Y personalmente, no creo que hacer cálculos teóricos con lápiz y papel vaya a llevarnos muy lejos.»

—Charlie Wood/Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencias: «Collisions of false-vacuum bubble walls in a quantum spin chain»; Ashley Milsted et al. en arXiv:2012.07243, 14 de diciembre de 2020. «Observing the fate of the false vacuum with a quantum laboratory»; Steven Abel, Michael Spannowsky en arXiv: 2006.06003, 10 de junio de 2020.

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.