Teorías y aspiradoras

Un concepto importante que juega un papel importante en la comprensión moderna del Universo es las aspiradoras, o vacua en latín, la forma plural de la palabra "vacío".

Puede saber que los físicos llaman al vacío un espacio vacío en el que no hay nada, ni aire ni partículas elementales voladoras. Pero entonces hay algo extraño en la idea del vacío en plural. ¡Aparentemente se ha agregado algo más a este concepto! Eso es lo que intentaré explicar.

La teoría puede ofrecer una descripción del espacio vacío.

Para empezar, permíteme recordarte qué es la teoría en física. Esto no es razonamiento o idea; Es algo más específico. Una teoría es un conjunto de ecuaciones y conceptos relacionados que permite a los científicos hacer predicciones sobre el comportamiento de los objetos físicos. Algunas teorías deben describir el mundo real; la mayoría de las teorías describen mundos imaginarios; pero cualquier teoría razonable hace predicciones consistentes y describe aspectos de un mundo posible.

Por ejemplo, la teoría de la gravedad de Newton, en la que la fuerza gravitacional entre dos objetos ubicados a una distancia r, es proporcional a 1 / r ² , describe aproximadamente lo que está sucediendo en el mundo real. Podría haber otra teoría de la gravedad, en la que la fuerza es proporcional a 1 / r ³ . Esto todavía sería una teoría física, ya que hace predicciones claras de cómo los objetos deberían ser atraídos entre sí gracias a la gravedad, pero describiría un mundo imaginario, no el nuestro, real. Esta es una teoría física perfectamente normal, pero no describe la naturaleza de nuestro mundo.

Algunas teorías (no todas, por supuesto) deben describir no solo los objetos, sino también la ausencia de objetos en forma de espacio vacío, también conocido como vacío. En la época de Newton, el espacio vacío era simple. Era solo eso, solo espacio vacío. Pero con los años, el espacio vacío se ha vuelto cada vez más complejo. En el siglo XIX se supo que hay campos en el espacio vacío, y hoy consideramos que los campos son aspectos elementales del Universo, por lo tanto, ¡son extremadamente importantes!

Campos

Un campo es una entidad que puede marcar la diferencia en cualquier parte del espacio en cualquier momento dado. En la vida cotidiana, nos encontramos con un campo en forma de temperatura del aire: en cualquier momento en cualquier lugar puede medir la temperatura, y si conoce la temperatura en todo el espacio, conoce el campo de temperatura en ese momento. Pero este ejemplo no es adecuado para nosotros, porque la temperatura del aire tiene sentido en presencia de aire, y en el espacio vacío el campo de temperatura no tiene sentido.

Un mejor ejemplo sería un campo eléctrico (responsable de los rayos, la adhesión estática y las corrientes eléctricas en los cables). Un campo eléctrico es un campo elemental de la naturaleza que existe incluso en el espacio vacío. Lo mismo es cierto para todos los campos elementales de la naturaleza, incluidos el campo W, el campo de electrones, el campo de muones, etc., incluido el ahora famoso campo de Higgs.

Vacío vs Vacío

Entonces, cuando hablamos de espacio vacío, nos referimos al espacio más vacío posible. En cierto sentido, está vacío, porque no contiene partículas, ni siquiera partículas de luz (fotones). Y las partículas son longevas y simplemente comportan perturbaciones de campo. Pero, en cierto sentido, no está vacío, debido al campo eléctrico, al campo W, al campo de Higgs, ¡todo el tiempo allí! No se puede definir un vacío con una simple frase "espacio vacío", ya que no solo necesitamos decir que no hay partículas en él, también necesitamos decir qué están haciendo exactamente los campos en este espacio vacío. Es decir, necesitamos determinar la configuración de los campos en este vacío.

En cierto vacío, los campos se pueden ajustar de tal manera que para la mayoría de ellos el valor promedio será cero. En promedio, porque las fluctuaciones cuánticas garantizan una ligera fluctuación de valores. Pero algunos de ellos pueden no ser en promedio cero. Esto es cierto para nuestro vacío: todos los campos son en promedio cero, excepto el campo de Higgs, cuyo valor promedio es distinto de cero y constante en toda la parte visible del Universo (con la excepción de la fluctuación cuántica). Esto es muy importante! El mundo que conocemos no podría conocerse si el valor promedio del campo de Higgs fuera cero; no estaríamos en él en absoluto.

Puede haber varias aspiradoras diferentes en el universo. Es decir, el espacio puede estar tan vacío como sea posible de varias maneras: hay más de una forma de ajustar los campos del universo incluso en ausencia de partículas. Del mismo modo, una teoría que describe el universo puede predecir la presencia de más de un tipo de vacío. Un ejemplo de tal teoría es el Modelo Estándar, las ecuaciones utilizadas para describir y predecir el comportamiento de las partículas elementales conocidas y las interacciones de la naturaleza (sin incluir los elementos más misteriosos: gravedad, materia oscura y energía oscura). Ahora, después de haber medido la masa de la partícula de Higgs, sabemos que el modelo estándar predice dos vacíos diferentes: en uno de ellos el campo de Higgs tiene el valor que observamos, y en el otro es mucho más grande. En general, la teoría predice la posibilidad de la existencia de dos modos muy diferentes de comportamiento del espacio vacío.


Fig. 1

Pero aclaremos algo. Una teoría llamada Modelo Estándar predice esto para el universo imaginario descrito por el Modelo Estándar. Aún no sabemos por experimentos si el Modelo Estándar describe el universo real, es decir, si el universo imaginario del Modelo Estándar y el Universo real en el que vivimos son lo suficientemente similares como para que las predicciones del Modelo Estándar (teoría) coincidan con todos los resultados de todos los experimentos. (datos) Por lo tanto, no sabemos si hay dos vacíos predichos por el Modelo Estándar en el mundo real.

El vacío es como el fondo de un tazón.

Describiré una de las principales propiedades de un vacío. La misma propiedad permite que la pelota descanse en el fondo del bol.


Fig. 2

El fondo del bol es estable para la pelota. Si mueve la pelota una corta distancia en cualquier dirección, retrocederá, se volverá un poco más cara y luego la fuerza de fricción la detendrá en la parte inferior. Cuando mueve la pelota una pequeña distancia desde el fondo, su energía (interacciones con la gravedad de la Tierra) aumenta, y tiende a disminuir esta energía a través de un retorno al punto de partida, donde la energía de la gravedad es la más pequeña. Una posición estable es aquella en la que cualquier movimiento de la pelota aumenta su energía, o al menos no la reduce. En consecuencia, si puede mover la pelota para reducir su energía, la pelota rodará en esa dirección y no necesariamente regresará; en este caso, la corriente inicial no será una posición estable.

Por definición, un vacío es una configuración estable de los campos del universo y del cosmos mismo. "Si alguien cambia un poco los valores de los campos en el vacío, entonces los valores de los campos tenderán a volver a su posición inicial, entonces darán la vuelta un poco y se calmarán. El vacío es una configuración de campos, porque cuya energía del universo es mínima; cualquier pequeño cambio en los campos conduce a un aumento (o al menos no conduce a una disminución) en la energía del universo, y los campos siempre tenderán a volver a sus valores en el vacío.


Fig. 3: diferentes tazones con diferentes posiciones estables para la pelota

Volvamos a la pelota. Puedes imaginar una situación en la que tengo dos tazones idénticos, cada uno de los cuales tiene una posición estable para el balón. O puede imaginar un cuenco de una forma extraña con dos posiciones estables diferentes a diferentes alturas. O puedes imaginar un tazón mucho más complejo con muchas posiciones estables. Puedes imaginar cómo colocamos la pelota en una de las diferentes posiciones marcadas en la fig. 3 flechas, y permanece allí indefinidamente, ya que cualquier pequeño cambio en la posición de la pelota no será suficiente para moverla de una posición estable a otra (el efecto de túnel cuántico complica esta situación, pero hablaremos de eso la próxima vez).

Del mismo modo, el Universo puede tener, o la teoría del universo puede predecir la existencia de, más de una configuración estable de campos, es decir, más de un vacío. Nadie limita el número de posibles vacíos, aunque las teorías simples generalmente tienen muy pocos. Solo las teorías con muchos tipos de campos suelen tener muchos vacíos. Resulta que la pregunta, aunque no directamente, está relacionada con cuántos tipos de campos hay en nuestro Universo. Solo conocido por nosotros? O miles de ellos?

¿Nuestro universo tiene muchos vacíos?

¿Cómo es que el Modelo Estándar predice que hay dos vacíos en nuestro universo? Primero, es fácil mostrar (si sabe cómo calcular) que cada campo elemental en el Modelo estándar, con la excepción del campo Higgs, debe tener un valor medio cero en cualquier vacío. Pero el campo de Higgs no es así; puede poseer y tiene un valor medio distinto de cero en el vacío que conocemos, y puede poseerlo en cualquier otro vacío posible. Para averiguar cuáles son los valores estables para el campo de Higgs, calculamos la energía del espacio vacío en función del valor promedio del campo de Higgs. Curiosamente, hoy los físicos pueden hacer cálculos muy detallados, ya que ya son:

• midió con precisión la masa del quark superior,
• descubrió la partícula de Higgs (que, según el modelo estándar, solo hay una especie), y
• midió la masa de la partícula de Higgs.

Como resultado, llegan a una conclusión similar a la que se muestra en la Fig. 4. Como un cuenco doble en el medio de la fig. 3, que tiene dos posiciones estables, donde cualquier movimiento de la pelota aumenta su energía, la energía del campo de Higgs. El Modelo Estándar predice dos mínimos. Esto significa que hay dos aspiradoras indicadas por flechas en la fig. 4, con las propiedades indicadas en la fig. 1: un vacío conocido por nosotros, con un valor bastante pequeño del campo de Higgs, el otro, un vacío exótico, con un gran valor.

La ubicación exacta y la profundidad (el valor del campo de Higgs y la energía del espacio vacío) de un vacío exótico es una pregunta abierta. Dependen en gran medida de las masas del quark superior y la partícula de Higgs, cuya comprensión aún puede sufrir cambios pequeños pero críticos en función de los datos del Gran Colisionador de Hadrones. Fig. 4 muestra la mejor estimación actual, donde nuestro vacío tiene más energía que exótico.


Fig. 4 4

Pero siempre debe recordar que el Modelo Estándar puede no describir nuestro Universo lo suficientemente bien como para que todas estas conclusiones sean correctas. Ya sabemos que el modelo estándar no tiene en cuenta la gravedad, la materia oscura y la energía oscura; Es posible que no tenga en cuenta todo un vagón de partículas desconocidas. Incluso pueden existir otros tipos de partículas de Higgs. En consecuencia, no sabemos nada con confianza. En nuestro universo solo puede haber un vacío, o tres, cien o mucho más. El estudio del vacío del universo sigue siendo un área de investigación activa, que en principio puede continuar durante siglos.