¿Es realmente el destino final del universo entrar en el espacio-tiempo de cinco dimensiones?
Según los modelos cosmológicos actuales, el universo existirá para siempre o se fragmentará. Pero algunos científicos insinúan un destino aún más extraño para el universo. Este artículo cuenta la historia de la exploración de los físicos sobre el fin del universo.
A medida que el universo continúa expandiéndose, los cúmulos de galaxias que alguna vez fueron adyacentes se separarán a un ritmo tan rápido que ni siquiera la luz puede llenar el espacio. Las estrellas se apagarán y el universo se hundirá en una oscuridad sin fin... Esta teoría del "Gran Helado" describe el modelo más popular del fin del universo en la actualidad.
La teoría de la Gran Helada es un resultado directo del Modelo Estándar de Cosmología. Esta teoría sostiene que la energía oscura, la fuerza impulsora detrás de la expansión acelerada del universo, permanecerá sin cambios. La misteriosa fuerza impulsora detrás de esta aceleración, conocida como energía oscura, siempre tendrá una fuerza inmutable.
La Gran Helada no es la única especulación sobre el fin del universo. La teoría del Big Crunch sostiene que, en lugar de permanecer sin cambios para siempre, la energía oscura puede disminuir con el tiempo y el universo eventualmente colapsará sobre sí mismo y se comprimirá en una singularidad, como antes del Big Bang. La teoría del Big Rip cree que el poder de la energía oscura aumentará en el futuro, provocando que la tasa de expansión siga aumentando hasta alcanzar la velocidad de la luz. Con el tiempo, todos los objetos, incluidas las estrellas y las galaxias, se fragmentarán en partículas elementales.
¿La gran helada, el gran aplastamiento o el gran desgarro? ¿O ninguno de los tres? Una cuarta predicción sobre el futuro del universo es aún más impactante. Insinúa un escenario aún más extraño: es posible que el universo no termine por completo, sino que evolucione a un estado que actualmente no podemos describir.
La energía oscura es el descubrimiento más importante de la cosmología moderna. A finales de la década de 1990, los astrónomos descubrieron que la expansión del universo, en lugar de desacelerarse a medida que aumenta la edad del universo, se está acelerando. ¿Qué fuerza está impulsando que la expansión del universo siga acelerándose? La gente piensa instintivamente que está impulsado por el vacío del espacio y el tiempo mismo. Las partículas en el vacío pueden aparecer y desaparecer en un instante, y las partículas que desaparecen en un instante pueden generar energía que aleja el espacio.
La energía del vacío es un tipo de energía de fondo que existe en el espacio, incluso en el espacio sin materia. Pero cuando la energía del vacío se calcula utilizando los principios de la física cuántica, su valor se vuelve muy grande. Catherine Heymans, cosmóloga observacional de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido, dijo: "Un vacío haría que el universo se expandiera rápidamente después de su nacimiento, e incluso las primeras estrellas y galaxias no se formarían". Los físicos imaginaron que los procesos cuánticos anulaban la energía del vacío. "En física teórica, es relativamente fácil poner a cero algo", dijo Heymans, pero la energía oscura, o por extensión la energía del vacío, no es cero. La mayoría de las observaciones indican que la energía del vacío en un volumen determinado de espacio-tiempo en el universo, conocida como densidad de energía oscura, es constante en el tiempo. Este número se llama constante cosmológica y representa la intensidad de la energía oscura. Sin embargo, interpretar sus valores cercanos a cero pero positivos es extremadamente difícil.
Como resultado, nació otra teoría que intenta describir la naturaleza del universo: la teoría de cuerdas.
Preguntas problemáticas
En la década de 1990, la teoría de cuerdas se había convertido en una de las principales candidatas a la "teoría del todo". Un punto básico de la teoría de cuerdas es que la unidad básica de la naturaleza no son partículas puntuales, sino "cuerdas" lineales muy pequeñas que vibran en un espacio-tiempo de 9+1 dimensiones. Para encajar dentro del espacio-tiempo de 4 dimensiones que podemos observar, las dimensiones espaciales adicionales deben "comprimirse" de manera tan compacta que no puedan detectarse. Cada método de apriete conduce a un universo diferente. El mayor desafío en la teoría de cuerdas es encontrar una solución única que describa nuestro espacio-tiempo particular.
Este trabajo encontró un problema. De Sitter espacio-tiempo cree que vivimos en un universo descrito por una constante cosmológica ligeramente mayor que cero, por lo que los teóricos de cuerdas deben trabajar duro para resolver el problema de cómo comprimir las dimensiones adicionales de la manera más sencilla.
En 2003, Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde y Sandip Trivedi (KKLT para abreviar) propusieron una forma sofisticada de construir nuestro espacio-tiempo utilizando la teoría de cuerdas. Su trabajo fue aclamado como un triunfo teórico, pero tuvo un costo enorme.
La teoría de cuerdas funciona en entornos de alta energía, como después del Big Bang. Por lo tanto, para que la teoría describa el espacio-tiempo actual de menor energía, la teoría de cuerdas debe encontrar su propia teoría de campo efectiva. El espacio-tiempo exacto que se obtiene al utilizar la estructura KKLT depende de cómo se comprimen las dimensiones adicionales. En 2005, los teóricos de cuerdas demostraron que esto se podía lograr de al menos 10.500 maneras, cada una de las cuales nos proporcionaba un espacio-tiempo de De Sitter viable. El resultado es un vasto paisaje de universos potenciales, un multiverso en el que pueden existir todos los espacio-tiempos imaginables. En este espacio teórico, los valores de la energía del vacío forman una "topografía" compleja, que los teóricos llaman paisaje de cuerdas. Aunque KKLT propone una forma de construir una teoría de campo eficaz que describa el espacio-tiempo de De Sitter, no puede proporcionar una teoría precisa de nuestro universo.
Entrando en el pantano
Este problemático teórico de cuerdas de Harvard, Cumrun Vafa, no estaba satisfecho con el modelo construido por KKLT. Además de no producir los resultados esperados, también creía que la propuesta del KKLT era demasiado compleja matemáticamente para verificarla.
Vafa comenzó a mirar el problema desde otro ángulo: si todas las posibles teorías de campos efectivos pueden surgir de la teoría de cuerdas, o si la teoría de cuerdas puede excluir ciertas teorías de campos efectivos, excluyendo así ciertos tipos de universo. Se dio cuenta de que no todas las teorías válidas podían derivarse de la teoría de cuerdas. Una vez que se introduce la gravedad, algunas teorías plausibles no logran describir con precisión nuestro universo, un error común. Vafa lo llamó pantano, indicando que estaba lleno de ideas insostenibles.
Durante las últimas dos décadas, los teóricos de cuerdas han sido incapaces de construir ningún modelo simple del espacio-tiempo de De Sitter. En su conjetura de De Sitter, todas las teorías de campo efectivas pertenecen al pantano. Un universo de De Sitter no puede ser una solución a las ecuaciones de la teoría de cuerdas.
Para Linde, el universo de De Sitter es sólo una explicación no probada. Él siempre ha apoyado la estructura KKLT, es decir, un universo con constantes cosmológicas puede describirse mediante la teoría de cuerdas. "Esta es una historia complicada", dijo. "No se deben abandonar repentinamente los resultados anteriores basándose en argumentos no probados".
La conjetura de De Sitter "puede ser cierta o no", dijo Vafa, "Cuando Si lo estudiamos más a fondo, descubriremos que si se demuestra que es correcto, tendrá un impacto significativo en el modelo estándar de cosmología”. Según la investigación de Vafa et al., el punto más importante es Sí, el. La densidad de energía oscura no es una constante aproximada, sino que disminuye lentamente con el tiempo.
Si esta conclusión es cierta, tendrá un profundo impacto en el destino del universo. Dentro de decenas de miles de millones de años, la energía oscura puede acercarse a cero o incluso volverse negativa. Entonces, tal vez el universo termine en un Big Crunch en lugar de expandirse para siempre.
Esta forma de energía oscura alterada se llama quintaesencia. La esencia es una forma hipotética de energía oscura que se ha propuesto para explicar las observaciones de la expansión acelerada del universo. Esta idea era muy popular antes de que la constante cosmológica se generalizara.
Linde fue uno de los primeros científicos en estudiar la esencia, pero no quedó convencido. "La esencia es posible, pero crea más problemas de los que resuelve", afirmó. En los últimos años, ha habido indicios de que los cambios en la densidad de la energía oscura pueden resolver un sorprendente conflicto cosmológico.
Esta contradicción surge de dos métodos diferentes de medir la tasa de expansión actual del universo, conocida como constante de Hubble. Una forma es medirlo directamente estudiando estrellas y supernovas en galaxias cercanas. Otro enfoque consiste en estudiar el fondo cósmico de microondas, la primera luz emitida 380.000 años después del Big Bang, y luego extrapolar a partir de esos datos lo que es el universo hoy. Los resultados obtenidos por los dos métodos son significativamente diferentes.
El gran giro: una fase completamente nueva del universo
Esta diferencia puede deberse a un error experimental, pero también puede resolverse mediante el cambio de la energía oscura a lo largo del tiempo, que es, tratándolo como una Esencia.
Se podría pensar que los teóricos de cuerdas que siguen la teoría de Vafa estarían contentos con esta noticia. Pero no lo hicieron. "La constante de Hubble es lo opuesto a la conjetura de la marisma de De Sitter", dijo Wrase. La conjetura de De Sitter requiere que la densidad de energía oscura disminuya con el tiempo; el problema de la constante de Hubble sólo puede resolverse si la densidad de energía oscura aumenta.
En cuanto al destino del universo, la creciente densidad de energía oscura sugiere que se está gestando un Big Rip, en lugar de un Big Crunch. "Esta es una versión aterradora", dice Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins. En última instancia, habrá energía oscura infinita en cada espacio y tiempo, y su fuerza repulsiva destrozará todo: galaxias, planetas, moléculas, átomos, en última instancia, allí. es el espacio y el tiempo mismo. "Resistir la energía oscura será inútil", afirmó Riess.
Parece que hemos vuelto al punto de partida. La energía oscura está disminuyendo, permaneciendo igual o aumentando con el tiempo, con puntos de vista contradictorios y el destino del universo en juego. Por eso Vafa cree que hay una manera de conciliar las diferencias entre la conjetura del pantano y la constante de Hubble.
Además de la energía oscura, otro componente invisible del universo es la materia oscura. Se cree que la atracción gravitacional de la materia oscura mantiene unidos a las galaxias y los cúmulos de galaxias. Si la energía oscura se debilita, esto tendrá consecuencias para la materia oscura, afirmó Vafa. "La teoría de cuerdas dice que debería haber una interacción". Vafa descubrió que esta interacción hace que la masa de las partículas de materia oscura disminuya con el tiempo. Esto cambia el valor extrapolado de la constante de Hubble, lo que puede reducir el error.
¿Significa esto que el universo se dirige hacia una gran congelación, en lugar de una gran crisis o un gran desgarro? No exactamente. Si miras de cerca, notarás que la idea de Vafa hace que otras escenas parezcan mundanas. Esto significa que el universo cambiará por completo en decenas de miles de millones de años. En la teoría de cuerdas, esto suele significar que se ha abierto una nueva dimensión. "Así que este es un universo completamente nuevo que no puede describirse en el lenguaje de nuestro universo actual. Ahora vivimos en un espacio tridimensional. En esta nueva teoría, puede contener cuatro dimensiones espaciales".
Cualquiera La nueva dimensión espacial que emerge es el resultado de una dimensión extra de la teoría de cuerdas que surge de la compactación. El universo creado por este gran giro será completamente diferente al nuestro. "Ha comenzado una nueva fase", afirmó Vafa. Entonces, si bien el universo seguirá existiendo, actualmente no está claro qué propiedades tendrá y cuál será su trayectoria posterior.
Ahora, a través de experimentos de seguimiento, los teóricos de cuerdas pronto podrán hacer algunas predicciones, incluso predicciones simples. Por ejemplo, si los teóricos de cuerdas pudieran probar la conjetura de De Sitter, esto conduciría a la predicción de que el tipo de espacio-tiempo favorecido por la cosmología tradicional no puede existir. Pero si los experimentos encuentran evidencia incontrovertible que respalde la constante cosmológica y el vacío de De Sitter de nuestro universo, "podemos decir que la teoría de cuerdas está equivocada".