Al responder preguntas sobre mundos paralelos, los físicos deben distinguir cuidadosamente las interpretaciones de esta idea. En la cosmología inflacionaria existe la idea de un "multiverso", en la mecánica cuántica - "la multiplicidad de mundos" o "ramas de la función de onda", en la teoría de cuerdas - "branas paralelas". Pero recientemente, la gente piensa cada vez más si las dos primeras ideas pueden provenir de la misma idea básica. (Bran, desde mi punto de vista, sigue siendo un concepto completamente separado).
A primera vista, esto es una locura, o al menos eso me pareció al principio. Cuando los cosmólogos hablan sobre el multiverso, usan un término parcialmente poético. De hecho, nos referimos a diferentes regiones del espacio-tiempo que están tan lejos que no podemos observarlas, pero que aún pertenecen a lo que nos gustaría llamar el "universo". En cosmología inflacionaria, estas regiones remotas pueden ser relativamente autosuficientes, como las llama Alan Gut, "universos de bolsillo". Si combina esto con la teoría de cuerdas, las leyes locales emergentes de la física en diferentes universos de bolsillo pueden ser muy diferentes. Pueden tener partículas diferentes, fuerzas diferentes e incluso un
número diferente de dimensiones . Por lo tanto, es bastante razonable considerarlos como universos separados, incluso si todos ellos son parte del mismo espacio-tiempo.
Con un vistazo rápido a la mecánica cuántica, la situación allí parece completamente diferente. Recuerda el
gato Schrödinger . La mecánica cuántica describe la realidad a través de funciones de onda que asignan valores (amplitudes) a todas las probabilidades posibles de lo que podemos observar. El gato no está vivo ni muerto: está en una superposición de vida + muerte. Al menos hasta que realicemos la observación. En una interpretación simplificada de Copenhague, en el momento de la observación, la función de onda "colapsa" en una posibilidad real. Vemos un gato vivo o un gato muerto. Otra posibilidad ha desaparecido. En la interpretación de la multiplicidad de los mundos de Everett, ambas posibilidades siguen existiendo, pero nosotros, un observador macroscópico, estamos divididos en dos: uno de nosotros observa a un gato vivo y el otro está muerto. Y ahora ya somos dos, ambos absolutamente reales, y no podemos converger entre nosotros.
Estas dos ideas parecen completamente diferentes. En el multiverso cosmológico, otros universos están muy lejos. En mecánica cuántica, existen aquí, pero en diferentes espacios de posibilidades (en diferentes partes del
espacio de Hilbert , si quieres profundizar en los detalles). Pero algunos físicos han estado pensando durante mucho tiempo si estas ideas pueden ser las mismas. Y un par de nuevos artículos científicos publicados por pensadores audaces del área de la Bahía de San Francisco están desarrollando esta hipótesis en detalle.
1.
Teorías físicas, inflación eterna y universo cuántico , Yasunori Nomura
2.
La interpretación multiverso de la mecánica cuántica , Raphael Bousso y Leonard Susskind
Las ideas relacionadas con esta hipótesis se discutieron recientemente bajo el título "Cómo
participar en la mecánica cuántica en un universo infinitamente grande": estos son los trabajos de
Don Page y
Anthony Aguayer (y otros) . Pero los trabajos mencionados anteriormente están directamente dedicados a la hipótesis "multiverso = multiplicidad de mundos".
Después de leer estos dos trabajos, pasé de ser un escéptico dudoso a un seguidor cauteloso. Esto sucedió por una simple razón: me di cuenta de que estas ideas encajan bien con otras que pensaba en mí. Así que intentaré explicar lo que está sucediendo. Sin embargo, mi interpretación de estos trabajos se da bajo la influencia de mis propias ideas. Por lo tanto, explicaré lo que, en mi opinión, puede resultar cierto. Creo que la explicación será lo suficientemente cercana a la presentada en estos dos trabajos, pero no es necesario culpar a sus autores por cualquier estupidez que venga de mí.
Hay dos ideas que juntas llevan esta suposición loca a algo significativo. El primero es el debilitamiento del vacío cuántico.
Cuando los expertos en física de partículas dicen "vacío", no quieren decir "espacio vacío", hablan de "el estado con la energía más baja de todos los estados similares". Suponga que tiene un
campo escalar que llena el universo, es capaz de tomar diferentes valores y con cada uno de ellos hay una energía potencial diferente de los demás. En el curso normal de los eventos, el campo busca alcanzar un mínimo de energía potencial: este es el "vacío". Pero al mismo tiempo hay un "verdadero vacío" en el que la energía es realmente la más pequeña posible, y hay "falsos vacíos" en los que ha alcanzado un mínimo local, pero no global.
El destino del
falso vacío se resolvió en varias obras famosas de Sydney Coleman y sus colegas en la década de 1970. En resumen, los campos están sujetos a fluctuaciones cuánticas. Por lo tanto, el campo escalar no está en un estado de vacío silencioso. Si lo miras, puedes ver cómo se desvía un poco. A veces se desvía tanto que incluso cruza la barrera en la dirección del verdadero vacío. Esto no ocurre en todo el espacio al mismo tiempo; Esto sucede en una pequeña región, en una burbuja. Pero cuando esto sucede, el campo ya se esfuerza por permanecer en un estado de verdadero vacío, y no falso: el primero es energéticamente preferible. Por lo tanto, la burbuja está creciendo. Otras burbujas en otros lugares también crecen. Como resultado, las burbujas chocan y la transición de un vacío falso a uno verdadero se completa con éxito. (A menos que el Universo se expanda tan rápido que las burbujas no se alcancen entre sí). Esto es muy similar a cómo el agua se convierte en vapor, formando burbujas.
Es en este sentido que todos hablan del destino del falso vacío, pero, de hecho, no todo va así. Los campos cuánticos no experimentan "fluctuaciones"; Es un lenguaje poético utilizado para facilitar la comunicación con nuestra intuición clásica. Nuestras observaciones experimentan fluctuaciones: observamos el mismo campo muchas veces y cada vez observamos valores diferentes.
Del mismo modo, decir que "se está formando y creciendo una burbuja" no es del todo cierto. De hecho, hay una cierta amplitud cuántica para la burbuja, y crece con el tiempo. Cuando miramos el campo, vemos la burbuja o no la vemos, al igual que cuando abrimos la caja Schrodinger, vemos un gato vivo o uno muerto. Pero, de hecho, hay una función de onda cuántica que describe todas las posibilidades a la vez.
Tomaremos esto en cuenta e introduciremos el segundo ingrediente clave: complementariedad (complementariedad) del horizonte. Esta es una generalización de la idea de
complementariedad de los agujeros negros , que, a su vez, crece a partir del
principio cuántico
de complementariedad . (¿Ya confundido?) El concepto de complementariedad fue introducido por Niels Bohr, y significa que "se puede imaginar un electrón como una partícula, o como una onda, pero no como ambos al mismo tiempo". Es decir, hay formas diferentes, igualmente aceptables, de describir algo que no se puede usar simultáneamente.
La complementariedad de los agujeros negros, en términos generales, es que "podemos hablar sobre lo que está sucediendo dentro del agujero negro, o afuera, pero no al mismo tiempo". Esta es una forma de evitar la paradoja de la
desaparición de información en un agujero negro a medida que se evapora. Si arroja un libro en un agujero negro, y no se pierde información al respecto, entonces, en principio, debería poder recrear su contenido recogiendo toda la
radiación de Hawking emitida por el agujero negro. Esto suena cierto incluso si no comprende el mecanismo que rige este proceso. ¡El problema es que puedes "cortar" un trozo de espacio-tiempo, que contiene tanto el libro que cae dentro como la radiación saliente! Entonces, ¿dónde está la información? (No puede estar en dos lugares al mismo tiempo; esto está prohibido
por el teorema de prohibición de clones .
Sasskind, Torlacius y Aglum, así como Gerard 't Hooft, propusieron la complementariedad como una solución al problema: puedes hablar sobre un libro que cae en una singularidad dentro de un agujero negro, o puedes hablar sobre la radiación de Hawking desde el exterior, pero no ambos a la vez. Esto es un poco como una ilusión y un intento de salvar a la física de la desagradable perspectiva de la desaparición de información junto con la emisión de agujeros negros. Pero cuanto más piensan los teóricos sobre la operación de los agujeros negros, más
evidencia se recoge
de la verdad de algo como la complementariedad.
De acuerdo con el principio de complementariedad de los agujeros negros, un observador externo no debe pensar en lo que sucede en el interior. Más precisamente, todo lo que sucede dentro puede codificarse con información ubicada en el horizonte mismo de los eventos. Esta idea encaja bien con la holografía y el hecho de que la entropía de un agujero negro es proporcional al área del horizonte y no a su volumen. De hecho, está cambiando el "interior del agujero negro" a "información que vive en el horizonte" (más precisamente, en el "horizonte estirado" ubicado directamente sobre el real). A su vez, esta idea está conectada con el
paradigma de la
membrana de los agujeros negros, pero este artículo ya se ha inflado.
El horizonte de eventos no es el único tipo de horizonte en la teoría general de la relatividad. Hay horizontes en cosmología. La diferencia es que podemos estar fuera del agujero negro mientras estamos dentro del universo. Y el horizonte cosmológico es la esfera que nos rodea, más allá de la cual todo está tan distante que la luz no tiene tiempo suficiente para alcanzarnos.
Y existe la complementariedad de los horizontes: puedes hablar sobre lo que está dentro de tu horizonte cosmológico, pero no sobre lo que está afuera. Todo lo que, en su opinión, puede suceder fuera del horizonte puede cifrarse en forma de información en el horizonte mismo, ¡como los agujeros negros! Esto se convierte en una declaración muy clara y plausible en el espacio vacío con una constante cosmológica (espacio de Sitter), donde incluso existe un análogo exacto de la radiación de Hawking. Pero la complementariedad de los horizontes afirma que esto es cierto incluso en un sentido más general.
Desde el punto de vista de los partidarios de la complementariedad, todos estos universos de bolsillo de los cosmólogos no tienen sentido. Más precisamente, no necesita pensar en ellos literalmente. Todo lo que necesita hablar es sobre lo que sucede dentro (y en la superficie) de su propio horizonte. Y esta es una cantidad finita de todo, y no un multiverso infinitamente grande. Puedes imaginar que tal perspectiva tiene consecuencias de largo alcance en el campo de las predicciones cosmológicas. La controversia sobre cómo vincular todo esto estalla en la comunidad científica.
Ahora conectaremos ambas ideas: complementariedad del horizonte ("piense solo en lo que está sucediendo dentro del universo observable") y debilitamiento del vacío cuántico ("hay una superposición cuántica de varios estados de vacío en cualquier punto del espacio").
El resultado es un multiverso en un ataúd. O al menos el multiverso dentro del horizonte. Por un lado, la complementariedad dice que no es necesario hablar sobre lo que está fuera del universo observado. Cualquier pregunta razonable puede ser respondida en términos de lo que está sucediendo dentro del horizonte. Por otro lado, la mecánica cuántica dice que una descripción completa de todo lo que sucede dentro del universo observable incluye una amplitud en varios estados posibles. Por lo tanto, reemplazamos el multiverso cosmológico, en el que diferentes estados se encuentran en regiones extremadamente separadas del espacio-tiempo, con un multiverso localizado, donde diferentes estados están en un lugar, solo en diferentes ramas de la función de onda.
Es difícil de entender de inmediato, pero espero que los puntos principales estén claros. ¿Pero es todo esto cierto? Y si es así, ¿qué debemos hacer al respecto?
Obviamente, no tenemos respuestas a estas preguntas, pero es muy interesante hablar de ello. Me inclino a creer que esto puede ser cierto. Y si es así, me gustaría preguntar cuáles son las consecuencias para las condiciones cosmológicas iniciales y para la flecha del tiempo. No creo que este enfoque proporcione respuestas simples a estas preguntas, pero puede ofrecer una plataforma relativamente confiable con la que puede comenzar a desarrollar ciertas respuestas. El universo es muy grande y podemos esperar que su comprensión sea un gran desafío para nosotros.