De: Alias de MSNoleMEW (Mensaje original) Enviado: 12/03/2004 13:30
Pocas personas son conscientes del hecho de que muchos físicos modernos sostienen que las cosas (quizá incluso el universo entero) pueden de hecho producirse de la nada por medio de procesos naturales. Este documento es un intento de compilar citas que expliquen cómo se supone que todo esto funciona.
Eventualmente me gustaría escribir un artículo evaluando la capacidad de las fluctuaciones cuánticas del vacío como medio para producir universos, pero por ahora dejaré que los científicos hablen por su cuenta y que el lector haga su propia evaluación.
Fluctuaciones del vacío y partículas virtuales
En el mundo cotidiano, la energía está siempre inalterablemente fija; la ley de conservación de la energía es una piedra angular de la física clásica. Pero en el micromundo cuántico, la energía puede aparecer y desaparecer de la nada de una manera espontánea e impredecible. (Davies, 1983, 162)
El principio de incertidumbre implica que las partículas pueden aparecer [N. del T.: come into existence “llegar a la existencia”] por períodos cortos de tiempo incluso cuando no hay suficiente energía para crearlas. En efecto, son creadas a partir de incertidumbres de la energía. Uno podría decir que “toman prestada” brevemente la energía requerida para su creación, y luego, un corto tiempo después, pagan la “deuda” y desaparecen de nuevo. Ya que estas particulas no tienen una existencia permanente, se las llama partículas virtuales. (Morris, 1990, 24)
Aún cuando no podemos verlas, sabemos que estas partículas virtuales están “realmente allí” en el espacio vacío porque dejan un rastro detectable de sus actividades. Un efecto de los fotones virtuales, por ejemplo, es producir un minúsculo cambio en los niveles de energía de los átomos. También causan un igualmente minúsculo cambio en el momento magnético de los electrones. Estas diminutas pero significativas alteraciones han sido medidas con mucha precisión usando técnicas espectroscópicas. (Davies, 1994, 32)
Se ha predicho que [los pares de partículas virtuales] tendrían un efecto calculable sobre los niveles energéticos de los átomos. El efecto esperado es diminuto (un cambio de sólo una milmillonésima), pero ha sido confirmado por los investigadores.
En 1953 Willis Lamb midió este estado de energía excitado en un átomo de hidrógeno. Esto se llama hoy “desplazamiento Lamb” [Lamb shift]. La diferencia de energía predicha por los efectos del vacío en los átomos es tan pequeña que sólo es detectable como una transición en frecuencias de microondas. La precisión de las mediciones en microondas es tan grande que Lamb pudo calcular el desplazamiento hasta cinco dígitos significativos. Subsecuentemente recibió el Premio Nobel por su trabajo. No queda duda ya de que las partículas virtuales están realmente allí. (Barrow & Silk, 1993, 65-66)
En la física moderna no existe el concepto de “nada”. Incluso en un perfecto vacío hay pares de partículas virtuales que están siendo creadas y destruídas constantemente. La existencia de estas partículas no es una ficción matemática. Aunque no pueden ser observadas directamente, los efectos que crean son bien reales. La presunción de que existen nos conduce a predicciones que han sido confirmadas por experimentación con un alto grado de exactitud. (Morris, 1990, 25)
Fluctuaciones del vacío y el origen del universo
Hay algo así como diez billones de billones de billones de billones de billones de billones de billones (un 1 con ochenta y cinco ceros detrás) de partículas en la región del universo que nosotros podemos observar. ¿De dónde salieron todas ellas? La respuesta es que, en la teoría cuántica, las partículas pueden ser creadas a partir de la energía en la forma de pares partícula/antipartícula. Pero esto simplemente plantea la cuestión de dónde salió la energía. La respuesta es que la energía total del universo es exactamente cero. La materia del universo está hecha de energía positiva. Sin embargo, toda la materia está atrayéndose a sí misma mediante la gravedad. Dos pedazos de materia que estén próximos el uno al otro tienen menos energía que los dos mismos trozos muy separados, porque se ha de gastar energía para separarlos en contra de la fuerza gravitatoria que los está uniendo. Así, en cierto sentido, el campo gravitatorio tiene energía negativa. En el caso de un universo que es aproximadamente uniforme en el espacio, puede demostrarse que esta energía gravitatoria negativa cancela exactamente a la energía positiva correspondiente a la materia. De este modo, la energía total del universo es cero. (Hawking, 1988, 129)
Hay una posibilidad aún más notable, que es la creación de materia desde un estado de energía cero. Esta posibilidad aparece porque la energía puede ser tanto positiva como negativa. La energía del movimiento o la energía de la masa es siempre positiva, pero la energía de la atracción, tal como la debida a ciertos tipos de campos gravitacionales o electromagnéticos, es negativa. Pueden presentarse circunstancias en las que la energía positiva que se utiliza para formar la masa de las partículas de materia recién creadas se cancela exactamente con la energía negativa de la gravedad o el electromagnetismo. Por ejemplo, en las cercanías de un núcleo atómico el campo eléctrico es intenso. Si pudiera hacerse un núcleo conteniendo 200 protones (posible pero difícil), el sistema se volvería inestable contra la producción espontánea de pares electrón-positrón, sin necesidad de ninguna entrada de energía. La razón es la energía eléctrica negativa puede cancelar exactamente la energía de sus masas.
En el caso gravitacional la situación es aún más extraña, porque el campo gravitacional es sólo una curvatura espacial [spacewarp] (un espacio curvado). La energía encerrada en la curvatura espacial puede convertirse en partículas de materia y antimateria. Esto ocurre, por ejemplo, cerca de un agujero negro, y fue también probablemente la fuente más importante de partículas en el big bang. Así pues, la materia aparece espontáneamente en el espacio vacío. Se presenta entonces la pregunta: ¿la explosión primordial poseía energía, o está el universo entero en un estado de energía cero, con la energía de toda la materia cancelada por la energía negativa de la atracción gravitatoria?
Es posible resolver la cuestión por medio de un cálculo sencillo. Los astrónomos pueden medir las masas de las galaxias, su separación promedio, y sus velocidades de alejamiento. Al poner estos números en una fórmula se obtiene una cantidad que algunos físicos han interpretado como la energía total del universo. La respuesta de hecho resulta ser cero, dentro de los límites de precisión observacionales. La razón de este significativo resultado ha sido largamente una fuente de desconcierto para los cosmólogos. Algunos han sugerido que hay un principio cósmico profundo en funcionamiento, que requiere que el universo tenga energía exactamente cero. Si esto es así, el cosmos puede seguir la vía del menor esfuerzo, llegando a existir sin requerir entrada alguna de materia ni de energía. (Davies, 1983, 31-32)
Una vez que nuestras mentes aceptan la mutabilidad de la materia y la nueva idea del vacío, podemos especular sobre el origen de lo más grande que conocemos: el universo. Quizá el universo mismo saltó a la existencia de la nada: una gigantesca fluctuación del vacío que hoy conocemos como el Big Bang. Notablemente, las leyes de la física moderna permiten esta posibilidad. (Pagels, 1982, 247)
En la relatividad general, el espaciotiempo puede estar vacío de materia y radiación y aún así contener energía almacenada en su curvatura. Fluctuaciones cuánticas incausadas y aleatorias en un espaciotiempo plano, vacío, sin rasgos distintivos, pueden producir regiones locales con curvatura positiva o negativa. Esto se llama “espuma espaciotemporal” y las regiones se llaman “burbujas de falso vacío”. Dondequiera que la curvatura sea positiva, una burbuja de falso vacío, según las ecuaciones de Einstein, se inflará exponencialmente. En 10-42 segundos la burbuja se expandirá al tamaño de un protón y la energía dentro de ella será suficiente para producir toda la masa del universo.
Las burbujas comienzan sin nada de materia, radiación ni campos de fuerza, y con entropía máxima. Contienen energía en su curvatura, y por lo tanto son un “falso vacío”. A medida que se expanden, la energía en su interior se incrementa exponencialmente. Esto no viola la conservación de la energía, ya que el falso vacío tiene presión negativa (créanme, todo esto se sigue de las ecuaciones que Einstein escribió en 1916), de manera que la burbuja en expansión ejerce trabajo sobre sí misma.
A medida que el universo burbuja se expande, ocurre una especie de fricción por la cual la energía se convierte en partículas. La temperatura baja entonces, y ocurre una serie de procesos de ruptura de simetría espontáneos, como en un imán enfriado bajo el punto de Curie, y aparece una estructura esencialmente aleatoria de partículas y fuerzas. La inflación se detiene y nos movemos dentro del más familiar Big Bang.
Las fuerzas y partículas que aparecen son más o menos aleatorias, gobernadas sólo por principios de simetría (como los principios de conservación de la energía y el momento) que tampoco son producto de diseño, sino exactamente lo que se tiene en ausencia de diseño.
Las llamadas “coincidencias antrópicas”, en las cuales las partículas y fuerzas de la física parecen estar finamente ajustadas para la producción de formas de vida basadas en el carbono, se explican por el hecho de que la espuma espaciotemporal tiene un número infinito de universos explotando, cada uno diferente. Simplemente sucede que estamos en aquél donde las fuerzas y partículas se prestaron a la generación de carbono y otros átomos con la complejidad necesaria para hacer evolucionar organismos vivientes y pensantes.
¿De dónde vino en un principio toda la materia y radiación del universo? Intrigantes investigaciones teóricas recientes de físicos como Steven Weinberg, de Harvard, y Ya. B. Zel’dovich, de Moscú, sugieren que el universo comenzó como un vacío perfecto y que todas las partículas del mundo material fueron creadas a partir de la expansión del espacio…
Pensemos en el universo inmediatamente después del Big Bang. El espacio se está expandiendo violentamente con un vigor explosivo. Sin embargo, como hemos visto, todo el espacio está hirviendo de pares virtuales de partículas y antipartículas. Normalmente, una partícula y una antipartícula no tienen problemas para reunirse en un intervalo de tiempo […] lo suficientemente corto como para que la conservación de masa se satisfaga dentro de los límites del principio de incertidumbre. Durante el Big Bang, sin embargo, el espacio se estaba expandiendo tan rápido que las partículas fueron rápidamente apartadas de sus correspondientes antipartículas. Privadas de la oportunidad de recombinarse, estas partículas virtuales tuvieron que volverse partículas reales en el mundo real. ¿De dónde vino la energía que permitió esta materialización?
Recordemos que el Big Bang era como el centro de un agujero negro. Una vasta provisión de energía gravitatoria estaba asociada, por tanto, con la intensa gravedad de esta singularidad cósmica. Este recurso proveyó una gran cantidad de energía para llenar el universo con todas las clases concebibles de partículas y antipartículas. Así, inmediatamente después del tiempo de Planck, el universo fue inundado con partículas y antipartículas creadas por la expansión violenta del espacio. (Kaufmann, 1985, 529-532)
[L]a idea de una Primera Causa suena algo sospechosa a la luz de la moderna teoría de la mecánica cuántica. De acuerdo a las interpretaciones más comúnmente aceptadas de la mecánica cuántica, las partículas subatómicas individuales pueden comportarse en formas impredecibles, y hay numerosos eventos aleatorios incausados. (Morris, 1997, 19)
Referencias
* Barrow, John D. & Silk, Joseph. 1993. The Left Hand of Creation. Londres: J.M. Dent & Sons.
* Davies, Paul. 1983. God and the New Physics. Londres: J.M. Dent & Sons.
* Davies, Paul. 1994. The Last Three Minutes. New York: BasicBooks.
* Hawking, Stephen. 1988. A Brief History of Time. Toronto: Bantam.
* Kaufmann, William J. 1985. Universe. New York: W.H. Freeman & Co.
* Morris, Richard. 1990. The Edges of Science. New York: Prentice Hall.
* Morris, Richard. 1997. Achilles in the Quantum World. New York: Henry Holt & Co.
* Pagels, Heinz. 1982. The Cosmic Code. Toronto: Bantam.
* Stenger, Victor. 1996. Mensaje en la lista de e-mail DEBATE (19 de marzo)
