2008/05/21

Antes del Big Bang, la "espuma" cuántica

En anteriores post hemos comentado que el nacimiento y posterior expansión del Universo fue a partir de una singularidad inicial parecida, en cierta forma pero al revés en el tiempo, a lo que ocurre en un agujero negro. A partir de una distancia del orden de la distancia de Planck, 10-33 centímetros, en donde los efectos cuánticos de la gravedad son decisivos, las fluctuaciones cuánticas (llamadas "espuma" del espacio-tiempo por el famoso físico norteamericano J.A.Wheeler) del llamado campo del punto cero fueron la semilla de nuestro inmenso Universo.

Las leyes de la gravitación cuántica que controlaron ese proceso no han logrado formularse todavía, pues a diferencia de lo que ocurre con otro tipo de campos como el electromagnético, la relatividad general, que es la mejor teoría conocida sobre la gravedad, relaciona la propia geometría del espacio-tiempo con las propiedades de la materia. Por ello, la construcción de una gravitación cuántica es equivalente a la construcción de una geometría cuántica del espacio-tiempo.

El enfoque que supone la teoría general de la relatividad es cercano al concepto clásico del continuo que permitía el estudio exacto, por ejemplo, del desplazamiento o trayectoria de las partículas. En la mecánica cuántica por el contrario no existe el concepto de trayectoria de una partícula, sino el concepto de su función de onda. Existe también el concepto de probabilidad de hallar la partícula elegida en un punto definido del espacio y en un instante determinado. Si deseamos hallar la aproximación clásica de la trayectoria, será necesario calcular el llamado valor medio de la coordenada de la partícula a partir de cálculos mecánico-cuánticos. Este valor medio coincidirá con la trayectoria clásica, aunque la posición real de la partícula no coincidirá con esta trayectoria. Richard Feynman, en sus lecturas explica este fenómeno basándose en el ejemplo de una trayectoria quebrada, tanto más cuanto menor es la escala de observación. Su irregularidad en todas las escalas la caracteriza como un objeto fractal (concretamente de dimensión fractal 2).

En la teoría de campos, el concepto de partícula se sustituye por el concepto de magnitud del campo en un punto. Y ésta se caracteriza por una amplitud, una fase y una frecuencia, por lo que en la teoría cuántica de campos estas magnitudes se sustituyen por el concepto de probabilidad de las mismas. En la teoría de la relatividad general el papel del campo es desempeñado por la geometría del espacio-tiempo y, por tanto, en ella se trabaja con la probabilidad de tener una u otra geometría determinada. Mientras que en la relatividad general la geometría debe ser continua (diferenciable), en la gravitación cuántica en general no es así (de la misma forma que no son continuas las trayectorias cuánticas, como hemos visto).

En el estado actual existen varios enfoques sobre la gravitación cuántica y el problema es que los distintos enfoques proporcionan resultados diferentes. Por esa razón, durante la descripción de la fase cuántica de la evolución de nuestro Universo, se emplean las ideas más generales acerca de la evolución cuántica del Universo como un todo, para obtener, al menos, resultados cualitativos correctos. A continuación se mencionan algunas de esas ideas.

La masa total del Universo cerrado es igual a cero: Esto significa que todo el Universo puede surgir sin gastos de energía. Se cumple la ley de conservación de la energía pues la clave está en que la energía del campo gravitatoria es negativa, mientras que la energía de la materia es positiva. La energía total es igual a cero.

De la misma forma que se calcula cómo una partícula determinada es capaz de atravesar una barrera de potencial, insalvable clásicamente, por el llamado efecto túnel (puramente cuántico), se calcula la probabilidad del nacimiento del Universo de la nada, algo también insalvable clásicamente. Sin embargo a diferencia de la física cuantica en los supuestos generales, el cálculo correcto de la probabilidad del nacimiento del Universo se logra sólo en un caso bastante específico llamado por los cosmólogos solución de De Sitter. Antes de la singularidad cosmológica inicial el Universo existía en forma de "espuma" cuántica del espacio-tiempo y hacia el final del proceso cuántico, en un intervalo finito t, surgió una geometría homogénea e isótropa. Lo más probable fue el nacimiento del Universo con un radio de curvatura del orden de la distancia de Planck.

La mecánica cuántica nos prepara en cierta forma la mente para imaginar la creación del Universo a partir de una nada cuajada de fluctuaciones cuánticas pre-espaciotemporales. Ya en el Universo actual nos enseña que el vacío es un verdadero hervidero de creación y aniquilación de partículas virtuales que, a distancias del orden de Planck, se convierte en la llamada "espuma" cuántica del espacio-tiempo. En ella nada de lo que conocemos y nos es familiar cuenta pues entramos en los dominios de la desconocida, hasta ahora, gravedad cuántica.

Del excelente librito: "Cosmología moderna", de M.V. Sazhin. Editorial URSS,2005

3 comentarios:

Anónimo dijo...

me ha encantado el artículo aunque no he podido seguirlo todo ;-)
Saludos,

Salvador dijo...

El resumen esencial sería el siguiente: A diferencia del vacío clásico, totalmente inerte y estable, el vacío cuántico es un hervidero de partículas virtuales apareciendo y desapareciendo continuamente. Conservando esa imagen resulta más fácil pensar en un cambio de estado espontáneo capaz de crear la propia materia(Big Bang) con el contrapeso de la energía gravitatoria. Las dos sumas de energía: Energía-materia + (-energía_gravitatoria)= 0.

Saludos.

Carlos Roque Sánchez dijo...

Hola:
Mi nombre es Carlos Roque Sánchez y escribo desde Sevilla, España.
Os invito a que os paséis por mi blog de divulgación científica.

http://enroquedeciencia.es

Gracias.
Un saludo.