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Receta para crear un universo

Receta para crear un universo
 

 

Un nuevo modelo físico sugiere que un tipo particular de cosmos puede surgir a partir del calentamiento de un espacio-tiempo sin necesidad de un Big Bang

Calentar y remover. Esta simple receta que se aplica para preparar una sopa puede dar origen nada menos que a un universo, según el modelo desarrollado por un equipo internacional de investigadores que se describe en la revista Physical Review Letters y que se encuadra dentro de un campo de la física teórica en plena ebullición denominado Correspondencia AdS/CFT.

La analogía que plantean los físicos es sencilla: al calentar una sopa, comienza a hervir y a producir burbujas, debido a que tiene lugar una transición de fase de líquido a vapor. “En 1983, Stephen Hawking y Don page descubrieron que estas transiciones de fase también existen cuando calentamos el espacio-tiempo”, relata el coautor del estudio Arjun Bagchi, del Instituto Indio de Educación e Investigación Científica. “Encontraron que cuando se calientan unos espacio-tiempos exóticos llamados Anti de Sitter, pueden formar un agujero negro. Los espacio-tiempos Anti de Sitter están curvados negativamente y tienen un aspecto similar a un bol. Queríamos explorar si las transiciones ocurren cuando calentamos los espacio-tiempos planos, más familiares”, añade. El coautor del estudio Joan Simón, físico barcelonés que trabaja en la Universidad de Edimburgo, resume: “Estamos hablando de una transición de fase como la de agua líquida a vapor, pero a nivel del espacio tiempo (geometría) que nos rodea”.

Los autores del estudio, que incluyen además a Daniel Grumiller de la Universidad de Tecnología de Viena (Austria) y Stephane Detournay de la Universidad de Harvard (EE. UU.), calcularon que al calentar un espacio-tiempo plano se produce una transición cuyo resultado es un universo en expansión. “El espacio-tiempo vacío empieza a hervir y se forman pequeñas burbujas, una de las cuales se expande y llega a apoderarse de todo el espacio-tiempo”, apunta Grumiller. Para que esto suceda se requiere una cierta rotación del universo, de ahí la necesidad de remover la sopa.

Es al pasar de la sopa al modelo real cuando el asunto se va complicando. El fundamento del trabajo parte de una conjetura física llamada Principio Holográfico (PH) para llegar a un activo campo de estudio denominado Correspondencia Anti de Sitter/Teoría Conforme de Campos (AdS/CFT). Simón valora la AdS/CFT como “una de las ideas más profundas de la historia de la física teórica, y todavía no se ha escrito la última palabra sobre ella”. Por su parte, Bagchi califica el PH como “una de las ideas más intrigantes de la física teórica moderna”.

 


Joan Simón, de la Universidad de Edimburgo, coautor del estudio


Imaginemos un holograma, una imagen en tres dimensiones representada en un formato plano. El PH establece que esto es válido para el propio universo, que sería una imagen holográfica pintada a partir de un espacio en dos dimensiones. Formulado de un modo más general, el PH establece que hay una correspondencia entre dos teorías que se diferencian en una dimensión: “Por ejemplo, si tenemos una teoría de gravedad en cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal, se conjetura que es equivalente a una teoría sin gravedad llamada teoría cuántica de campos en tres dimensiones, dos espaciales y una temporal”, argumenta Bagchi.

La Correspondencia AdS/CFT es un ejemplo concreto del PH. “Relaciona una teoría de gravedad en espacio-tiempos AdS en D dimensiones con una teoría sin gravedad, en este caso una teoría cuántica de campos que no depende de la escala y que se llama Teoría Conforme de Campos, en D menos una dimensiones”, prosigue Bagchi. “Para simplificar, AdS/CFT es como una caja mágica que relaciona dos teorías que a primera vista no tienen nada que ver. Es como decir a qué altura rebotará una pelota en un suelo de madera calculando el tiempo que tardan unos peces en nadar de un extremo de su estanque al otro. No parece que tengan ninguna relación, pero mágicamente las cosas funcionan”.

Así, la correspondencia “es una herramienta maravillosa que permite traducir un problema difícil en un lado (por ejemplo, el lado sin gravedad) a un problema mucho más fácil en el otro lado (el lado con gravedad), ofreciendo una manera muy novedosa de resolver ese problema difícil”, detalla Bagchi. El investigador añade que esto se está aplicando a la comprensión de diversos fenómenos como la hidrodinámica y la superconductividad. Grumiller agrega: “Por eso la correspondencia es tan útil y ha atraído tanta atención en los últimos 15 años”.

¿Cómo se conecta todo esto con la sopa y su burbuja cósmica? Según los investigadores, fue un hallazgo casi casual, aunque nacido de una intuición certera. Los autores partieron de la aplicación del PH a espacios planos. Bagchi explica: “Fue tratando de formular cómo funciona el PH en espacio-tiempos planos cuando nos topamos con esta nueva transición de fase”. “Sospechamos que podría existir una transición de fase entre una solución cosmológica y un espacio plano en tres dimensiones. Hicimos los cálculos y demostramos que nuestra intuición era correcta”, señala Simón.

Con todo lo anterior, cabe preguntar si este modelo supone un desafío a la conocida teoría cosmológica del Big Bang. “Es la pregunta del millón”, señala Simón, pero recuerda que su modelo se refiere a un espacio-tiempo plano con solo dos dimensiones espaciales y una temporal. “Tiene poco que ver con el universo que observamos, por desgracia. La ventaja de las tres dimensiones es que son teorías matemáticamente más sencillas que nos permiten entender, describir y demostrar mecanismos que también pueden operar en cuatro dimensiones. Nuestra motivación original no partió directamente de intentar encontrar una explicación alternativa al Big Bang en cuatro dimensiones, ni mucho menos”, aclara Simón, que señala una diferencia adicional entre su universo y el nuestro: “Nuestra transición ocurre en ausencia de materia. No estoy intentando afirmar que no ocurra cuando hay materia, pero debemos investigar más para responder a esto”.

Sin embargo, los autores coinciden en dejar la puerta abierta a que su modelo pueda aplicarse a las cuatro dimensiones que nos resultan familiares. “A priori no hay razón para que no pueda ser aplicable”, especula Bagchi. “Nadie lo ha comprobado hasta ahora. Está en nuestra lista de tareas pendientes, pero técnicamente es un desafío mayor”, dice Grumiller. Por su parte, Simón apunta una posible solución: “Existen modelos donde un universo AdS podría decaer a un universo de tipo dS (de Sitter), que podría explicar la inflación y la aceleración del universo actual. En estos modelos, la idea es que el Big Bang corresponde al instante en que ocurre dicha transición, o quizás es mejor emplear la palabra inestabilidad”. El físico añade que tales modelos permitirían incluir “materia, gravedad y todo lo demás”. “Pero estamos lejos, muy lejos”, concluye.
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