Resulta que la cantidad de energía contenida en el espacio vacío es muy difícil de explicar sin involucrar la teoría del multiverso. Pero los físicos tienen al menos una alternativa más para estudiar.
La idea contradictoria de que nuestro Universo es solo una burbuja aleatoria en un Universo de espuma infinita se deduce lógicamente de la característica más inocente, a primera vista, de la naturaleza: el espacio vacío. Específicamente, la hipótesis del multiverso surge de una cantidad increíblemente pequeña de energía contenida en el espacio vacío, conocida como energía de vacío, energía oscura o constante cosmológica. Cada metro cúbico de espacio vacío contiene tal cantidad de energía que es suficiente para encender una bombilla por solo 11 billones de fracciones de segundo. "Es como un hueso en la garganta", como
Stephen Weinberg , un premio Nobel, describió una vez un problema que debería tener al menos un billón de billones de billones de billones de veces más energía en el vacío debido a la
presencia de todos los campos asociados con él. materia e interacciones. Pero de alguna manera, todos los efectos de estos campos se destruyen mutuamente casi por completo, y se obtiene una paz serena. ¿Por qué el espacio vacío está tan vacío?
Aunque no sabemos la respuesta a esta pregunta, el infame "
problema de la constante cosmológica ", el grado extremo de vacío de nuestro vacío parece necesario para nuestra existencia. En un universo un poco más lleno de energía gravitacionalmente repulsiva, el espacio se expandiría demasiado rápido para que se formaran estructuras como galaxias o planetas. Un sistema tan afinado sugiere que puede haber muchos universos, y cada uno de ellos puede tener su propia cantidad de energía de vacío, y vivimos en un universo con una tasa extremadamente baja, porque no podríamos aparecer en otro.
Algunos estudiosos fruncen el ceño ante la tautología del "
principio antrópico " y no les gusta la teoría del multiverso por no ser verificable. Incluso aquellos que no se oponen a esta teoría desearían tener soluciones alternativas al problema de la constante cosmológica. Pero si bien es casi imposible de resolver sin un multiverso. "El problema de la energía oscura es tan difícil e inconveniente que la gente no ha encontrado una o dos soluciones para él", dijo Raman Sandram, físico teórico de la Universidad de Maryland.
Para entender por qué sucede esto, considere cuál es la energía de un vacío. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein establece que la materia y la energía le dicen al espacio-tiempo cómo doblarse, y la curvatura del espacio-tiempo le dice a la materia y la energía cómo moverse. De las ecuaciones se deduce automáticamente la capacidad del espacio-tiempo de tener su propia energía, una cantidad constante que queda cuando ya no hay nada más, lo que Einstein llamó la constante cosmológica. Durante décadas, los cosmólogos han asumido que su valor es cero, dada la tasa de expansión bastante constante del Universo, y han pensado por qué sucedió. Pero en 1998, los astrónomos descubrieron que la expansión del espacio en realidad se acelera gradualmente, lo que implica la presencia de energía repulsiva que impregna todo el espacio.
Sin embargo, la densidad asumida de esta energía de vacío contradice lo que la teoría del campo cuántico dice sobre el espacio vacío. Un campo cuántico se considera vacío cuando las partículas, que representan excitaciones de campo, no se mueven a través de él. Pero debido al principio de incertidumbre, el estado de un campo cuántico nunca se conoce exactamente, por lo que la energía no puede ser exactamente igual a cero. Imagine que un campo cuántico consiste en pequeños resortes ubicados en cada punto del espacio. Los resortes oscilan constantemente, ya que siempre se estiran a una distancia indefinida del estado más relajado. Siempre están ligeramente comprimidos o ligeramente estirados y, por lo tanto, siempre se mueven, lo que significa que tienen energía. Esto se llama
energía de campo cero . En los campos de interacciones, la energía cero es positiva, y en los campos de la materia - negativa, y estas energías participan en la energía total del vacío.
La energía total del vacío debe ser aproximadamente igual a la suma de las mayores contribuciones. Sin embargo, la tasa observada de expansión cósmica sugiere que este valor es 60-120 órdenes de magnitud menor que algunas contribuciones de energía de campo cero, como si todos los términos positivos y negativos diferentes se aniquilaran mutuamente. Pero encontrar un mecanismo físico para esta alineación es extremadamente difícil, por dos razones.
En primer lugar, la energía del vacío actúa solo gravitacionalmente, por lo tanto, para reducirla, es necesario un mecanismo gravitacional. Pero en los primeros momentos de la vida del Universo, cuando tal mecanismo podía funcionar, era tan pequeño que toda su energía de vacío era insignificante en comparación con la cantidad de materia y radiación. Los efectos gravitacionales de la energía del vacío se desvanecerían ante la gravedad de todo lo demás. "Esta es una de las mayores dificultades para resolver el problema de la constante cosmológica", escribió el físico Rafael Busso en 2007. El mecanismo de retroalimentación gravitacional que ajusta la energía del vacío en las condiciones del Universo temprano, escribió, "se puede comparar aproximadamente con un avión volando en una tormenta a una velocidad de precisa al tamaño atómico ".
Para complicar la situación, los cálculos de la teoría del campo cuántico muestran que la energía del vacío cambiaría de valor como resultado de los cambios de fase en el Universo de enfriamiento poco después del Big Bang. Como resultado, surge la pregunta de si este mecanismo hipotético, que alineó la energía del vacío, funcionó antes o después de estos cambios. ¿Y cómo podría el mecanismo saber qué tan grandes serían estos efectos para compensarlos con tanta precisión?
Hasta ahora, estos obstáculos están obstaculizando los intentos de explicar el pequeño peso del espacio vacío, no inclinándose al universo multiverso. Pero recientemente, algunos investigadores comenzaron a estudiar una opción alternativa: si el Universo no apareció de la nada, sino que se
recuperó, habiendo sufrido una compresión previa , entonces el Universo
comprimido en el pasado distante debería haber sido enorme y la energía del vacío debería haberlo dominado. Quizás, fue entonces que cierto mecanismo gravitacional podría afectar la abundancia de la energía del vacío, y de alguna manera sería natural disiparla con el tiempo. Esta idea inspiró a los físicos Peter Graham, David Kaplan y Sargit Rajendran [Peter Graham, David Kaplan, Surjeet Rajendran] a crear un
nuevo modelo de rebote cósmico , aunque todavía no han demostrado exactamente cómo debería funcionar la dispersión al vacío en un universo en contracción.
En respuesta a la carta, Busso llamó a este enfoque "un intento extremadamente valioso" y "una lucha bien informada y honesta contra un problema grave". Pero agregó que en el modelo persisten problemas importantes y que “los obstáculos técnicos que deben superarse para llenar estos agujeros y hacer que la idea funcione parecen ser bastante serios”. Todo este diseño ya se parece a
la máquina Goldberg y, en el mejor de los casos, se confundirá aún más en el futuro, cuando se llenen los agujeros ". Él y otros partidarios del multiverso, creen que su opción de respuesta en comparación con esto parece más simple.