el experimento cuantico que podria ayudar a encontrar evidencia del multiverso

El experimento cuántico que podría ayudar a encontrar evidencia del multiverso

Las cicatrices de colisiones con otros universos podrían aparecer en la radiación del Big Bang. Un nuevo experimento pretende imitar estas colisiones y ayudarnos a buscarlas

Imagen predeterminada de New Scientist

Yureisaito/Artgrab/Henvry/iStock

Para un experimento diseñado para ayudarnos a encontrar evidencia de otros universos, parece sorprendentemente modesto. Cuando Zoran Hadzibabic me acompaña al laboratorio, lo siento más como un salón de clases, con pisos de linóleo, iluminación fluorescente y una pizarra con ecuaciones garabateadas. Y, sin embargo, es aquí, entre la maraña de cámaras de acero inoxidable y cables de colores brillantes colocados sobre una plataforma elevada, donde los investigadores están tratando de replicar el burbujeo cuántico primordial que pudo haber creado nuestro universo en un vasto multiverso .

La idea de que nuestro universo es sólo uno entre muchos se encuentra entre las más cautivadoras de la física, y la lógica parece bastante sólida, en el sentido de que la idea es en sí misma una consecuencia de teorías ampliamente aceptadas sobre cómo el cosmos llegó a ser lo que vemos hoy. . Pero resulta que tampoco hay evidencia empírica de su existencia, y ahí es donde entra en juego el experimento de Hadzibabic en la Universidad de Cambridge.

Los investigadores apuestan a que si podemos enfriar y manipular los átomos de potasio a temperaturas extremadamente bajas, cuando se deberían formar pequeñas burbujas espontáneamente, tendremos un indicador de los procesos que de otro modo serían inobservables y que se cree que han engendrado nuevos universos. Al estudiar esas burbujas, podríamos obtener nuevas pistas sobre cómo cualquier colisión pasada entre nuestro universo y otros dejaría una marca que podríamos buscar en los datos astronómicos.

«El sueño absoluto sería que haya algo en el cielo que hayamos observado que confirme lo que predijimos en este experimento», dice Matt Johnson, físico teórico del Instituto Perimeter de Canadá.

¿Qué es el multiverso?

Para ser claro, ¿qué…?

Estamos hablando aquí es del multiverso inflacionario. Esto no debe confundirse con el multiverso cuántico, predicho por la interpretación de “muchos mundos” de la teoría cuántica , que dice que cada vez que observamos un objeto cuántico, y así colapsamos una nube de probabilidades con respecto a sus propiedades en algo definido, todos los Los posibles resultados persisten en universos paralelos.

El multiverso inflacionario es diferente. La idea tomó forma en la década de 1980, cuando los físicos Andrei Linde y Alan Guth intentaron dar sentido a las observaciones que mostraban que el resplandor del Big Bang, conocido como fondo cósmico de microondas (CMB) , era inexplicablemente uniforme. Propusieron que el universo se expandió exponencialmente en su primera fracción de segundo, un período conocido como inflación . Pero a medida que exploraron más a fondo la idea, se dieron cuenta de que es poco probable que la inflación haya ocurrido solo una vez y se haya detenido. En cambio, podría haberse detenido en nuestro universo pero continuar sucediendo en otros lugares, creando una cantidad infinita de universos “burbujas”.

El espacio inflado entre estos universos burbuja los separaría rápidamente, por lo que tenían pocas posibilidades de interactuar. Pero si los universos bebés se formaron lo suficientemente juntos, dice la idea, podrían haber chocado antes de separarse, lo que sugiere que podríamos encontrar evidencia de estas colisiones, presumiblemente como algún tipo de marcas o “cicatrices” dejadas atrás, en nuestro propio universo.

¿Pero cómo haces para buscarlos? Los cosmólogos han buscado varias formas de encontrar pruebas de este multiverso a lo largo de los años. Algunos incluso intentan hacerlo sin ninguna observación (consulte “¿Cuáles son las probabilidades?” , más abajo). Pero la mayoría de los cosmólogos coinciden en que el mejor lugar para buscar es el CMB . En otras palabras, miras al cielo.

En 2011, Johnson, junto con Hiranya Peiris del University College de Londres y sus colegas, demostraron que la colisión de universos burbuja debería dejar cicatrices en forma de círculo en el CMB. Crearon un algoritmo para combinar imágenes anteriores del CMB en busca de tales huellas. Lo que encontraron fue prometedor: cuatro zonas del cielo eran compatibles con la forma de las huellas de colisión. Fue emocionante, pero no evidencia.

Fondo cósmico de microondas. Proyección esférica del fondo cósmico de microondas, utilizando datos de todo el cielo de la WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Al ser una proyección esférica, sólo muestra la mitad del cielo. El fondo de microondas es radiación del comienzo del universo (en realidad, 380.000 años después de su creación) que ha sido estirada (enfriada a alrededor de 3 Kelvin) por la expansión del universo. Los colores muestran la variación de la temperatura (entonces equivalente a la densidad) del universo primitivo. Las regiones más densas (rojas, amarillas) formaron las semillas de galaxias y otras estructuras. Datos obtenidos en 2003.

El fondo cósmico de microondas podría ocultar signos de un multiverso

NASA/EQUIPO DE CIENCIA WMAP/BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA

«Había incertidumbres en nuestras pruebas», dice Peiris, en particular, la velocidad a la que deberían formarse nuevos universos burbuja y la probabilidad de que colisionaran. «Tuvimos que asumir rangos muy amplios para esos parámetros», dice, lo que generó una gran incertidumbre teórica. Para reducir eso y mejorar sus predicciones, Peiris y Johnson necesitan comprender mejor los puntos más finos de la idea subyacente sobre el proceso de cómo nacen realmente los universos.

La esperanza es que el experimento de Hadzibabic pueda ayudar con eso. Para entender cómo, primero debemos familiarizarnos con el extraño mundo de la teoría cuántica, las leyes que gobiernan el comportamiento de los componentes más fundamentales de la naturaleza y cómo se aplica a la formación de los universos.

Mecánica cuántica

En la teoría cuántica, el estado de energía más bajo posible para el espacio-tiempo (el escenario en el que se desarrolla todo lo que existe, incluido nuestro posible multiverso) se llama vacío. Pero si el espacio entre universos se infla constantemente, no puede ser un verdadero vacío. En cambio, debe haber alguna energía inherente que impulse la expansión. La teoría cuántica de campos , un marco matemático que combina la teoría cuántica y la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, sugiere que existe más de un estado de vacío, pero que la mayoría son «falsos», es decir, no tienen la energía más baja posible.

Como la naturaleza siempre se esfuerza por reducir su energía, un falso vacío no es completamente estable. Se dice que es «metaestable». Y en el reino cuántico, las cosas pueden misteriosamente «hacer un túnel» hacia un estado de energía más bajo, similar a una canica en un valle que aparece repentinamente en el vecino sin haber cruzado la colina intermedia.

Los cosmólogos se preocupan por estos procesos cuánticos, conocidos como desintegración del falso vacío, porque podrían explicar cómo comenzó el universo y cómo otros universos pueden haber comenzado también. Nuestras observaciones del inicio de nuestro universo, incluida su rápida expansión temprana, son consistentes con su comienzo como una burbuja. Esto habría implicado que el cosmos hiciera un túnel hacia un estado de menor energía, un proceso que los físicos llaman transición de fase, antes de alcanzar finalmente un verdadero vacío.

Extraños círculos en el cielo pueden ser signos de un universo anterior al nuestro

El problema es que no podemos saberlo con seguridad. El mejor apoyo que tenemos para este escenario hipotético proviene de la resolución de ecuaciones complejas en la teoría cuántica de campos, que requieren enormes aproximaciones. “Utilizando nuestras mejores herramientas matemáticas, la burbuja termina nucleándose [apareciendo] instantáneamente –perfectamente formada– en un punto del espacio”, explica Peiris. «No tenemos la capacidad de rastrear cómo va desde la cima de la montaña hasta el valle». Y a menos que conozcamos los detalles de este proceso, sostiene, no podemos confiar plenamente en nuestras teorías.

Sin embargo, en 2017, físicos de Nueva Zelanda y Australia publicaron un artículo revolucionario. Su trabajo demostró que, en las condiciones adecuadas, las ecuaciones que describen la falsa desintegración del vacío en el universo primitivo son equivalentes a las que describen una transición de fase cuántica en un tipo de materia exótica llamada condensado de Bose-Einstein, generalmente compuesto por átomos a temperaturas extremadamente bajas. – en el que se crean burbujas similares a un verdadero vacío. Al estudiar la formación y el comportamiento de tales burbujas en el laboratorio, argumentaron, podríamos aprender algo sobre cómo se podrían haber formado múltiples universos, llenando los vacíos que Peiris encontró al reflexionar sobre la evidencia potencial de un multiverso, como las probabilidades de que los universos burbuja colisionen.

Johnson y sus colegas quedaron intrigados por la idea. Pero fue sólo después de haber estudiado cuidadosamente las ecuaciones que sintieron que valía la pena explorar el concepto experimentalmente. Luego, comenzaron a colaborar con Silke Weinfurtner , una física experimental de la Universidad de Nottingham, Reino Unido, con experiencia en la investigación de sistemas similares de átomos fríos. Ahora, Weinfurtner lidera un consorcio internacional de físicos teóricos y experimentales que exploran la idea de la burbuja de condensado.

El nuevo experimento

Hadzibabic se mostró inicialmente escéptico sobre la posibilidad de crear un sistema lo suficientemente sofisticado como para ser un análogo directo de la falsa desintegración cosmológica del vacío. La muestra tendría que ser uniforme para permitir que se formen burbujas en cualquier lugar, por ejemplo, y lo suficientemente fría para exhibir verdaderos efectos cuánticos, sin ser perturbados por fluctuaciones térmicas. Pero después de discutirlo con sus colegas y explorar las matemáticas involucradas, se volvió cada vez más optimista de que podría enseñarnos algo sobre el universo primitivo. «Es una especie de navaja de Occam [la idea de que la explicación más simple suele ser la más precisa]», dice, «en la medida en que se puede hacer la navaja de Occam con el origen del universo».

La primera etapa, que ya funciona, produce el condensado de Bose-Einstein al hacer que los átomos de potasio estén más fríos que cualquier cosa en el universo. Cuando una nube de gas en la escala de micras alcanza tales temperaturas, se comporta como una sola partícula cuántica. Esto es lo que hace que los condensados ​​de Bose-Einstein sean tan útiles, permitiendo a los físicos estudiar los procesos cuánticos más o menos con sus propios ojos.

A continuación, Hadzibabic preparará el condensado en un estado de vacío metaestable y esperará a que caiga al estado de vacío verdadero mediante un túnel cuántico, observando cómo se forman burbujas de vacío verdadero en expansión. Esta etapa durará unos segundos, después de los cuales el condensado se destruirá y todo el proceso (enfriamiento, tunelización, nucleación de burbujas) comenzará de nuevo.

Simulación de condensado de Bose-Einstein. Simulación por computadora de vórtices que se forman dentro de un condensado de Bose-Einstein (BEC) en rotación. Un BEC es un estado de la materia que puede surgir a temperaturas muy bajas. Los átomos quedan atrapados mediante rayos láser e imanes y se sobreenfrían casi hasta el cero absoluto. A estas temperaturas, todos los átomos tienen el mismo estado de energía cuántica y son indistinguibles. Se fusionan y se comportan como si fueran un único "superátomo". Durante el proceso, dos rayos láser giran rápidamente uno alrededor del otro, provocando una acción de agitación que genera vórtices en el grupo de átomos y facilita la formación del condensado. Esta simulación ayudó a confirmar que los BEC son superfluidos, un tipo de líquido/gas que fluye sin fricción.

Una simulación de una forma de materia llamada condensado de Bose-Einstein

INSTITUTO NACIONAL DE NORMAS Y TECNOLOGÍA/Spl

La parte complicada será determinar si el resultado es realmente un análogo del universo temprano, dice Johnson. «Todo se reducirá a muchísimos controles detallados». En última instancia, tendrás que comparar los resultados con simulaciones matemáticas aproximadas y buscar problemas potenciales. Luego puede refinar el experimento para intentar dar cuenta de los problemas y comparar nuevamente hasta que, con suerte, el experimento y la simulación encajen. Si eso no sucede, es posible que tengamos que revisar nuestra teoría del universo temprano, una perspectiva igualmente apasionante para los cosmólogos.

Verificar un análogo experimental con la teoría, y al mismo tiempo intentar verificar la teoría con el experimento, es increíblemente difícil. «Pero así es como se hace toda la ciencia, y lo mejor que podemos hacer cuando nuestros datos de observación de lo que sucedió en el universo primitivo son tan limitados», dice Katie Mack , cosmóloga del Instituto Perimeter, que considera el experimento. es importante.

Y hay motivos para el optimismo. Un equipo que incluye a Gabriele Ferrari , físico de la Universidad de Trento en Italia, completó recientemente una versión más simple del experimento.– en una dimensión, esencialmente un tubo extremadamente delgado – y de hecho vi “burbujas”, que aparecen como líneas en esta configuración. Las condiciones no son lo suficientemente frías como para representar un proceso mecánico cuántico puramente aleatorio; Las fluctuaciones térmicas pueden desencadenar eventos de construcción de túneles. Pero Ferrari sostiene que esto no es necesariamente un problema. «Las fluctuaciones térmicas bien pueden haber provocado falsas transiciones de vacío en el universo primitivo», afirma. Los resultados del equipo, que aún no han sido revisados ​​por pares, también coinciden con los modelos teóricos de falsa desintegración del vacío en una dimensión, lo que sugiere que los físicos están al menos en el camino correcto. «Es un primer resultado realmente interesante», afirma Weinfurtner, aunque no es exactamente lo que buscan los cosmólogos. Por ejemplo, además de ser unidimensional, el gas no tiene una densidad uniforme, lo que hace que sea más probable que las burbujas terminen en el medio. donde hay más gas. Esto dificulta obtener información sobre las distribuciones e interacciones de las burbujas en el multiverso.

Universos colisionando

El experimento de Hadzibabic, por el contrario, será bidimensional y perfectamente uniforme, gracias a una “caja trampa” hecha de luz láser que mantiene el condensado en un rectángulo perfecto. La trampa, crucial para lograr una buena analogía con el universo, fue inventada por su equipo y ahora la utilizan varios otros investigadores. Cuando visité el laboratorio, la mayor parte del experimento, alojado en dos cajas del tamaño de una camioneta, estaba casi listo para funcionar. «Esperamos ver algunas burbujas el año que viene», afirma Hadzibabic.

Será intrigante ver cómo interactúan esas burbujas. Johnson y sus colegas ya han demostrado teóricamente que es probable que se formen burbujas en grupos , lo que hace que las colisiones sean más probables. «Si verificamos su resultado, será realmente genial», dice Peiris.

Los resultados del experimento podrían ayudar a los físicos a reevaluar parches inexplicables en el CMB, como los cuatro que encontraron Peiris y Johnson. «Esto también podría darnos algo más que buscar en el cielo», dice Johnson. Por ejemplo, si bien la colisión frontal de dos universos burbuja no produciría ondas en el espacio-tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, el choque de varios a la vez sí lo produciría. Y es posible que podamos detectarlas con nuevos observatorios de ondas gravitacionales.

Pero incluso si resulta que nuestro universo no se ha estrellado contra otro, el experimento de Hadzibabic promete ser revelador. Es posible que haya habido otras transiciones de fase, regidas por las mismas matemáticas que crearían un multiverso, en los primeros momentos del cosmos. Por lo tanto, probar y mejorar nuestra teoría general para tales transiciones, como está planeando el equipo, podría en última instancia ayudarnos a descifrar lo que sucedió en los primeros momentos de nuestro universo.

¿Cuáles son las probabilidades?

Un grupo de físicos espera probar si el multiverso existe (ver artículo principal) sin tener que observarlo directamente. La investigación, dirigida por McCullen Sandora en el Instituto de Ciencias Espaciales Blue Marble, adopta un enfoque estadístico.

La idea detrás de esto es simple: si las leyes físicas o constantes del universo fueran ligeramente diferentes (prohibiendo la producción de carbono, por ejemplo), la vida tal como la conocemos no existiría. Parece extraño que tengamos tanta suerte: nuestro universo parece misteriosamente sintonizado para la vida.

Pero el multiverso ofrece una solución sensata a este problema. En un multiverso infinito, unos pocos universos deberían, estadísticamente hablando, tener las condiciones necesarias para sustentar la vida, por inusuales que sean esas condiciones. El nuestro resulta ser uno.

Tales puntos de vista parten de fuertes suposiciones sobre lo que la vida necesita, por lo que Sandora ha convertido el argumento en una predicción comprobable. «Si la vida no necesita carbono, entonces no habría razón para que estemos en un universo que sea tan bueno para producirlo», dice. «Tendríamos muchas más posibilidades de encontrarnos en un universo más típico que no contenga una abundancia tan alta de carbono».

Sandora y su equipo han realizado más de una docena de pruebas de este tipo, incluyendo si la vida compleja requiere fotosíntesis y si se necesitan lunas grandes para que surja vida compleja en los planetas. Si descubrimos que la vida en el universo no se ajusta a estas predicciones, seremos un caso atípico. Esto reduce drásticamente las probabilidades de un multiverso. Si una sola de estas predicciones es incorrecta, dice, las probabilidades de que se forme un multiverso pueden reducirse hasta una entre un millón.

Aunque muchas de las predicciones de Sandora se basan en encontrar vida extraterrestre, él es optimista. «Algunos estudios grandes y planificados de exoplanetas podrían encontrar varias muestras de vida en las próximas décadas», afirma.

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Por jaime