Físicos estudian unas misteriosas ‘burbujas de nada’ que devoran el espacio-tiempo

El universo puede estar devorándose a sí mismo desde dentro.

Por suerte, los físicos que están estudiando esta ocurrencia, denominada “deterioro del espacio-tiempo”, ven muy improbable que esto suceda. Pese a ello, resulta interesante estudiar en detalle este fenómeno, que sugiere la existencia de “burbujas de nada” flotando en el espacio-tiempo, dimensiones ocultas y un supuesto observador que se desplaza por la superficie exterior de nuestro universo.

La teoría de que, en determinados escenarios, el universo podría acabar totalmente destruido por una burbuja de nada en expansión surgió en 1982, cuando el teórico físico Edward Witten la introdujo en un trabajo publicado en la revista Nuclear Physics B. “Se genera de forma espontánea un agujero en el espacio que se expande rápidamente hacia el infinito, empujando con él todo lo que se encuentra”, decía.

Dado que ninguna burbuja de nada ha destruido el universo, ni en los 13 000 millones de años antes de la publicación del trabajo de Witten ni en los 38 años posteriores, es comprensible que, para la comunidad de físicos, el fenómeno haya bajado varios puestos en la lista de prioridades de investigación. No obstante, según el estudio ingeniosamente titulado “Nothing Really Matters”, publicado en el número de este mes del Journal of High Energy Physics por tres físicos de las Universidades de Oviedo y de Uppsala, en Suecia, podríamos aprender lecciones muy importantes de esta burbuja que todo lo destruye.

En concreto, estos expertos creen que entender las condiciones del deterioro del espacio-tiempo a través de una burbuja de nada constituye un paso adelante en los esfuerzos por vincular las mejores teorías acerca de los cimientos más diminutos del universo ⎯las cuerdas⎯ con las teorías del espacio y del tiempo.

Está comúnmente aceptado que el vacío es una región carente de materia, por lo que resulta desconcertante pensar que el universo, que contiene nuestro planeta, galaxias distantes y todo lo que hay en medio, sea, casi en su totalidad, vacío. No obstante, es precisamente este hecho el que explica, al menos en parte, la relativa estabilidad del universo.

Según la teoría cuántica de campos, que vincula la física cuántica con las dinámicas del espacio-tiempo, un vacío se define mejor como el estado cuántico con la menor energía posible. Los estados cuánticos excitados ⎯aquellos cuya energía es superior a la del estado de vacío⎯ no se mantienen así durante mucho tiempo y tienden a degradarse rápidamente hasta alcanzar estados de energía inferiores emitiendo fotones y otros paquetes de energía. Los vacíos no pueden degradarse a ningún otro estado de energía inferior, por lo que existen en situación de estabilidad.

Puesto que gran parte de nuestro universo es vacío y, por tanto, se encuentra en el menor estado energético posible, el deterioro del espacio-tiempo no debería preocuparnos.

Sin embargo, en el campo de la física teórica, estas asunciones raras veces son estables.

A principios de la década de 1970, un puñado de físicos rusos exploraron por su cuenta la idea de la existencia de un término medio entre un vacío estable y un no vacío inestable: un estado similar al vacío que parece estable debido al periodo de tiempo tan prolongado que permanece en ese estado “metaestable” antes de deteriorarse. Ese concepto, hoy conocido “falso vacío”, pretendía dar solución a las inconsistencias existentes en las teorías sobre las condiciones primitivas del universo, los efectos de la gravedad y las observaciones cosmológicas.

Aunque el concepto del falso vacío se utilizó para describir un periodo transitorio previo al Big Bang, estudios recientes del campo de Higgs (un campo de fuerza cuántica que fue detectado gracias al acelerador de partículas CERN) sugieren que tal vez sigamos habitando un falso vacío, pues lo que suponíamos que era el estado estable (de más baja energía) de un campo de Higgs tal vez no lo sea en realidad.

La idea de que la estabilidad de nuestro universo no sea más que una ilusión prolongada ha suscitado incógnitas respecto a cómo y por qué se deteriora el falso vacío. Una respuesta sería a través de una “burbuja de nada”.

Con una burbuja de nada, el espacio-tiempo posee propiedades distintas en función de si se encuentra en el interior de esta o a su alrededor. La energía oscura en el interior y el exterior de otros tipos de burbujas podría presentar fuerzas distintas, pero las burbujas de nada no tienen interior, según señala una de las autoras del estudio, Marjorie Schillo.

Si surgiera una burbuja de nada de forma espontánea en el espacio-tiempo del falso vacío, crecería y acabaría engullendo el universo entero. “Una burbuja de nada abriría una posible vía a la ‘destrucción del universo’, en el sentido de que se expande y ‘devora’ todo el espacio-tiempo, convirtiéndolo en ‘nada’”, señala Schillo.

Pero, ¿por qué iba a formarse una burbuja de nada? La respuesta se halla en la teoría de cuerdas, una candidata cada vez más popular a convertirse en “la teoría del todo”. La teoría de cuerdas postula que existen unas entidades minúsculas denominadas cuerdas con propiedades que no posee ninguna otra partícula fundamental.

En concreto, las cuerdas existen en un estado vibracional que representa la gravedad cuántica. Dicho de otro modo, la teoría integra los fenómenos de la física cuántica con el comportamiento y los efectos de los campos gravitacionales. Se han depositado grandes expectativas en los resultados de esta teoría, motivo que explica su enorme popularidad.

Esta seductora y exhaustiva teoría se basa en varias asunciones que no están garantizadas. Los cálculos sobre los que se sustenta solo son válidos si se da por supuesto que existen más de cuatro dimensiones: tres espaciales, una temporal y numerosas otras dimensiones tan pequeñas que resultan indetectables y solo pueden derivarse matemáticamente. Según la teoría de cuerdas, la geometría de nuestro universo solo parece ser un espacio-tiempo tetradimensional porque el resto de dimensiones están muy compactadas entre ellas y ocultas.

Por razones matemáticas demasiado complejas para explicar en palabras, no podrían formarse burbujas de nada en un espacio-tiempo tetradimensional, pero sí en uno que fuese multidimensional y formado por “cuerdas”. Un modelo de espacio-tiempo que parte de esta base se denomina vacío de Kaluza-Klein; en él, la probabilidad de que exista una burbuja de nada que lo destruya todo es de uno (es decir, cierta) en un espacio infinito. Lo cierto es que los científicos no saben con certeza si el universo es un volumen finito o infinito, pero ven el resultado de que exista un cien por cien de probabilidad de que la burbuja de nada destruya el universo no como un motivo de preocupación, sino como algo que rectificar.

Como señalaba el teórico de cuerdas Luboš Motl en una entrada de blog sorprendentemente divertida, la catástrofe de la burbuja de nada debería utilizarse para descartar descripciones de nuestro universo, puesto que, si va a suceder, ya debería haberlo hecho.

“No sabemos si nuestro espacio-tiempo es exactamente estable. Es plausible que su estabilidad se vea amenazada por una catástrofe cósmica”, escribe. “Pero dado que el universo ha existido desde hace uno 14 000 millones de años, sabemos que la probabilidad de que surja una burbuja de nada mortal no debería ser muy superior a [un número sumamente insignificante inferior a uno]”.

Y prosigue: “Si una teoría predijo una densidad de probabilidad muy superior de que surgiera un tumor destructivo letal, también habría predicho que nuestro universo ya debería haber sido destruido a estas alturas. Pero no ha sido así, por lo que la teoría tendría un problema”.

Schillo coincide en este extremo. Afirma que su investigación sobre las burbujas de nada busca, en parte, establecer las implicaciones de las descripciones del universo basadas en la teoría de cuerdas asumiendo la alta improbabilidad de que se produzca un deterioro del espacio-tiempo debido a una burbuja de nada.

“Es importante entender estos canales de deterioro porque, si queremos describir el universo a partir de un vacío de cuerdas, elementos de inestabilidad como la burbuja de nada deben ser o extremadamente infrecuentes o inexistentes”, añade.

La burbuja de nada tiene otro propósito, también. Schillo y otros creen que la descripción matemática de una burbuja de nada que destruyera el universo podría usarse para crear un modelo del origen del universo.

El comportamiento de una burbuja de nada en rápida expansión es una buena aproximación para explicar la dilatación primigenia del universo. La superficie exterior de una burbuja de nada creciente se asemejaría mucho a la forma en que se creó el propio universo, si se hubiese podido contemplar ese fenómeno desde fuera.

Por muy descabellado que suene, se trata de un aspecto clave para la comunidad de físicos y para la cosmología del universo temprano. “Uno de los temas futuros de la investigación que más me entusiasman de este trabajo es el aspecto de la creación de universo”, dijo Schillo.

“Sería interesante analizar bajo qué condiciones un observador podría ‘subir’ a la burbuja de nada y contemplar un universo similar al que habitamos”, añadía. “Al expandirse la burbuja, el observador contemplaría un universo dilatándose, lo cual explicaría la energía oscura observada”.

En resumidas cuentas, no tenemos por qué preocuparnos porque una burbuja enorme de nada vaya a engullir el espacio-tiempo, pero si alguna vez te has preguntado cómo sería la expansión del universo en sus comienzos, vale la pena estar al corriente de los avances de esta investigación.