Falso vacío

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En la teoría cuántica de campos , un falso vacío ^[1] es un estado de vacío hipotético que es localmente estable pero que no ocupa el estado fundamental más estable posible . ^[2] En esta condición se denomina metaestable . Puede durar mucho tiempo en este estado, pero eventualmente podría decaer al más estable, un evento conocido como decaimiento del falso vacío . La sugerencia más común de cómo podría ocurrir tal decaimiento en nuestro universo se llama nucleación de burbuja : si una pequeña región del universo alcanzara por casualidad un vacío más estable, esta "burbuja" (también llamada "rebote") ^{[3] [4]} se propagaría.

Un vacío falso existe en un mínimo local de energía y, por lo tanto, no es completamente estable, a diferencia de un vacío verdadero, que existe en un mínimo global y es estable.

El vacío se define como un espacio con la menor cantidad posible de energía. A pesar del nombre, el vacío tiene campos cuánticos . Un vacío verdadero es estable porque se encuentra en un mínimo global de energía y se supone comúnmente que coincide con el estado de vacío físico en el que vivimos. Es posible que un estado de vacío físico sea una configuración de campos cuánticos que representan un mínimo local pero no un mínimo global de energía. Este tipo de estado de vacío se denomina "vacío falso".

Si nuestro universo está en un estado de falso vacío en lugar de un estado de vacío verdadero, entonces la descomposición del falso vacío menos estable al vacío verdadero más estable (llamada descomposición del falso vacío) podría tener consecuencias dramáticas. ^{[5] [6]} Los efectos podrían variar desde el cese completo de las fuerzas fundamentales existentes , partículas elementales y estructuras que las componen, hasta un cambio sutil en algunos parámetros cosmológicos, principalmente dependiendo de la diferencia de potencial entre el vacío verdadero y el falso. Algunos escenarios de descomposición del falso vacío son compatibles con la supervivencia de estructuras como galaxias, estrellas, ^{[7] [8]} e incluso vida biológica, ^[9] mientras que otros involucran la destrucción total de la materia bariónica ^[10] o incluso el colapso gravitacional inmediato del universo. ^[11] En este caso más extremo, la probabilidad de que se forme una "burbuja" es muy baja (es decir, la descomposición del falso vacío puede ser imposible). ^[12]

Un artículo de Coleman y de Luccia que intentó incluir suposiciones gravitacionales simples en estas teorías señaló que si esta era una representación precisa de la naturaleza, entonces el universo resultante "dentro de la burbuja" en tal caso parecería ser extremadamente inestable y colapsaría casi inmediatamente:

En general, la gravitación hace que la probabilidad de decaimiento del vacío sea menor; en el caso extremo de una diferencia de densidad de energía muy pequeña, puede incluso estabilizar el falso vacío, impidiendo por completo el decaimiento del vacío. Creemos que lo entendemos. Para que el vacío se decaiga, debe ser posible construir una burbuja de energía total cero. En ausencia de gravitación, esto no es un problema, sin importar cuán pequeña sea la diferencia de densidad de energía; todo lo que uno tiene que hacer es hacer la burbuja lo suficientemente grande, y la relación volumen/superficie hará el trabajo. Sin embargo, en presencia de gravitación, la densidad de energía negativa del vacío verdadero distorsiona la geometría dentro de la burbuja con el resultado de que, para una densidad de energía lo suficientemente pequeña, no hay ninguna burbuja con una relación volumen/superficie lo suficientemente grande. Dentro de la burbuja, los efectos de la gravitación son más dramáticos. La geometría del espacio-tiempo dentro de la burbuja es la del espacio anti-de Sitter , un espacio muy parecido al espacio de De Sitter convencional excepto que su grupo de simetrías es O(3, 2) en lugar de O(4, 1). Aunque este espacio-tiempo está libre de singularidades, es inestable ante pequeñas perturbaciones y sufre inevitablemente un colapso gravitacional del mismo tipo que el estado final de un universo de Friedmann en contracción . El tiempo necesario para el colapso del universo interior es del orden de... microsegundos o menos.

La posibilidad de que estemos viviendo en un falso vacío nunca ha sido alentadora de contemplar. La descomposición del vacío es la catástrofe ecológica definitiva; en el nuevo vacío hay nuevas constantes de la naturaleza; después de la descomposición del vacío, no sólo la vida tal como la conocemos es imposible, sino también la química tal como la conocemos. No obstante, siempre se podría encontrar un consuelo estoico en la posibilidad de que tal vez con el transcurso del tiempo el nuevo vacío sostenga, si no la vida tal como la conocemos, al menos algunas estructuras capaces de conocer la alegría. Esta posibilidad ha sido eliminada ahora.

El segundo caso especial es la descomposición en un espacio de constante cosmológica que se desvanece, el caso que se aplica si ahora vivimos en los restos de un falso vacío que se descompuso en alguna época cósmica temprana. Este caso nos presenta una física menos interesante y con menos ocasiones para el exceso retórico que el anterior. Es ahora el interior de la burbuja lo que es el espacio de Minkowski ordinario  ...

—  Sidney Coleman y Frank De Luccia ^[11]

En un artículo de 2005 publicado en Nature , como parte de su investigación sobre los riesgos catastróficos globales , el físico del MIT Max Tegmark y el filósofo de Oxford Nick Bostrom calculan los riesgos naturales de la destrucción de la Tierra en menos de 1/10 ⁹ por año de todos los eventos naturales (es decir, no antropogénicos), incluida una transición a un estado de vacío inferior. Argumentan que debido a los efectos de selección del observador , podríamos subestimar las probabilidades de ser destruidos por la desintegración del vacío porque cualquier información sobre este evento nos llegaría solo en el instante en que nosotros también fuéramos destruidos. Esto contrasta con eventos como los riesgos de impactos, estallidos de rayos gamma , supernovas e hipernovas , cuyas frecuencias tenemos medidas directas adecuadas. ^[13]

Varias teorías sugieren que la inflación cósmica puede ser un efecto de un vacío falso que se desintegra en el vacío verdadero. La inflación en sí misma puede ser la consecuencia del campo de Higgs atrapado en un estado de vacío falso ^[14] con el Higgs autoacoplado λ y su función β _λ muy cercana a cero en la escala de Planck . ^{[15] : 218} Un futuro colisionador electrón-positrón podría proporcionar las mediciones precisas del quark top necesarias para tales cálculos. ^[15]

La teoría de la inflación caótica sugiere que el universo puede estar en un falso vacío o en un estado de vacío verdadero. Alan Guth , en su propuesta original para la inflación cósmica, ^[16] propuso que la inflación podría terminar a través de la nucleación de burbujas mecánica cuántica del tipo descrito anteriormente. Véase la historia de la teoría de la inflación caótica . Pronto se entendió que un universo homogéneo e isótropo no podía preservarse a través del violento proceso de tunelización. Esto llevó a Andrei Linde ^[17] y, de forma independiente, a Andreas Albrecht y Paul Steinhardt [ ^18] a proponer una "nueva inflación" o "inflación de rotación lenta" en la que no se produce tunelización y, en cambio, el campo escalar inflacionario se grafica como una pendiente suave.

En 2014, investigadores del Instituto de Física y Matemáticas de Wuhan de la Academia China de Ciencias sugirieron que el universo podría haberse creado espontáneamente de la nada (sin espacio , tiempo ni materia ) por fluctuaciones cuánticas de falso vacío metaestable que causaron una burbuja en expansión de vacío verdadero. ^[19]

Los criterios de estabilidad para la interacción electrodébil se formularon por primera vez en 1979 ^[20] como una función de las masas del bosón de Higgs teórico y el fermión más pesado . El descubrimiento del quark top en 1995 y el bosón de Higgs en 2012 han permitido a los físicos validar los criterios frente a experimentos, por lo tanto, desde 2012 la interacción electrodébil se considera como el candidato más prometedor para una fuerza fundamental metaestable . ^[15] La hipótesis de falso vacío correspondiente se llama "inestabilidad de vacío electrodébil" o "inestabilidad de vacío de Higgs". ^[21] El estado de falso vacío actual se llama ( espacio de De Sitter ), mientras que el vacío verdadero tentativo se llama ( espacio anti-de Sitter ). ^{[22] [23]}${\displaystyle dS}$${\displaystyle AdS}$

Los diagramas muestran los rangos de incertidumbre de las masas del bosón de Higgs y del quark top como líneas ovaladas. Los colores subyacentes indican si es probable que el estado de vacío electrodébil sea estable, simplemente duradero o completamente inestable para una combinación dada de masas. ^{[24] [25]} La hipótesis de la "desintegración electrodébil del vacío" a veces se ha presentado erróneamente como si el bosón de Higgs "acabara" con el universo. ^{[26] [27] [28]} Es probable que una masa de 125,18 ± 0,16 GeV/ c ^{2  [29]} del bosón de Higgs esté en el lado metaestable del límite estable-metaestable (estimada en 2012 como 123,8-135,0 GeV . ^[15] ) Una respuesta definitiva requiere mediciones mucho más precisas de la masa polar del quark top , ^[15] sin embargo, aunque la precisión mejorada de la medición de las masas del bosón de Higgs y del quark top reforzó aún más la afirmación de que el vacío electrodébil físico está en el estado metaestable a partir de 2018. ^[4] No obstante, la nueva física más allá del Modelo Estándar de Física de Partículas podría cambiar drásticamente las líneas divisorias del paisaje de estabilidad, haciendo que los criterios anteriores de estabilidad y metaestabilidad sean incorrectos. ^{[30] [31]} El reanálisis de los datos de la ejecución del LHC de 2016 en 2022 ha arrojado una masa de quark top ligeramente inferior de 171,77 ± 0,38 GeV, cerca de la línea de estabilidad del vacío pero todavía en la zona metaestable. ^{[32] [33]}

Si las mediciones del bosón de Higgs y del quark top sugieren que nuestro universo se encuentra dentro de un falso vacío de este tipo, esto implicaría que los efectos de la burbuja se propagarán a través del universo a casi la velocidad de la luz desde su origen en el espacio-tiempo. ^[34] Un cálculo directo dentro del Modelo Estándar de la vida útil de nuestro estado de vacío descubre que es mayor que años con un 95% de confianza. ^[35]${\displaystyle 10^{65}}$

• Desintegración a un valor de vacío esperado más pequeño , lo que resulta en una disminución del efecto Casimir y la desestabilización del protón . ^[10]
• Desintegración en vacío con mayor masa de neutrinos (puede haber ocurrido hace unos pocos miles de millones de años). ^[7]
• Desintegración al vacío sin energía oscura . ^[8]
• La desintegración del falso vacío a temperatura finita ^[36] se observó por primera vez en superfluidos ferromagnéticos de átomos ultrafríos. ^[37]

Cuando el vacío falso se desintegra, se forma el vacío verdadero de menor energía a través de un proceso conocido como nucleación de burbujas . ^{[38] [39] [40] [41] [42] [3]} En este proceso, los efectos instantón hacen que aparezca una burbuja que contiene el vacío verdadero. Las paredes de la burbuja (o paredes de dominio ) tienen una tensión superficial positiva , ya que se gasta energía cuando los campos pasan por encima de la barrera de potencial hacia el vacío verdadero. La primera tiende a ser el cubo del radio de la burbuja, mientras que la segunda es proporcional al cuadrado de su radio, por lo que existe un tamaño crítico en el que la energía total de la burbuja es cero; las burbujas más pequeñas tienden a encogerse, mientras que las burbujas más grandes tienden a crecer. Para poder nuclearse, la burbuja debe superar una barrera de energía de altura ^[3]${\displaystyle R_{c}}$

${\displaystyle \Phi _{c}={\frac {3\gamma }{4R^{2}}}-\Delta \Phi ,}$

( Ecuación 1 )

donde es la diferencia de energía entre el vacío verdadero y el falso, es la tensión superficial desconocida (posiblemente extremadamente grande) de la pared del dominio y es el radio de la burbuja. Reescribiendo la ecuación 1 se obtiene el radio crítico como${\displaystyle \Delta \Phi }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle R}$

${\displaystyle R_{c}={\sqrt {\frac {3\gamma }{4\Delta \Phi }}}.}$

( Ecuación 2 )

Una burbuja más pequeña que el tamaño crítico puede superar la barrera de potencial mediante la tunelización cuántica de instantones a estados de energía más bajos. Para una gran barrera de potencial, la tasa de tunelización por unidad de volumen de espacio está dada por ^[43]

${\displaystyle \omega \approx {\frac {1}{\gamma }}{\sqrt {\frac {2\Phi _{c}}{\hbar }}}e^{-\Phi _{c}/\hbar },}$

( Ecuación 3 )

donde es la constante de Planck reducida . Tan pronto como una burbuja de vacío de menor energía crece más allá del radio crítico definido por la ecuación 2 , la pared de la burbuja comenzará a acelerarse hacia afuera. Debido a la diferencia típicamente grande en energía entre los vacíos falso y verdadero, la velocidad de la pared se acerca a la velocidad de la luz extremadamente rápido. La burbuja no produce ningún efecto gravitacional porque la densidad de energía negativa del interior de la burbuja se cancela con la energía cinética positiva de la pared. ^[11]${\displaystyle \hbar }$

Se pueden inflar pequeñas burbujas de vacío real hasta alcanzar un tamaño crítico proporcionando energía, ^[44] aunque las densidades de energía requeridas son varios órdenes de magnitud mayores que las que se logran en cualquier proceso natural o artificial. ^[10] También se cree que ciertos entornos pueden catalizar la formación de burbujas al reducir la barrera de potencial. ^[45]

La pared de la burbuja tiene un espesor finito, que depende de la relación entre la barrera de energía y la ganancia de energía obtenida al crear un vacío real. En el caso en que la altura de la barrera potencial entre el vacío real y el falso sea mucho menor que la diferencia de energía entre los vacíos, el espesor de la carcasa se vuelve comparable con el radio crítico. ^[46]

En general, se cree que la gravedad estabiliza un estado de vacío falso, ^[47] al menos para la transición del (espacio de De Sitter) al (espacio anti-de Sitter), ^[48] mientras que los defectos topológicos, incluidas las cuerdas cósmicas ^[49] y los monopolos magnéticos, pueden aumentar la probabilidad de desintegración. ^[10]${\displaystyle dS}$${\displaystyle AdS}$

En un estudio de 2015, ^[45] se señaló que la tasa de desintegración del vacío podría aumentar enormemente en las proximidades de los agujeros negros, que servirían como semilla de nucleación . ^[50] Según este estudio, una desintegración del vacío potencialmente catastrófica podría ser provocada en cualquier momento por los agujeros negros primordiales , si es que existen. Los autores señalan, sin embargo, que si los agujeros negros primordiales causan un falso colapso del vacío, entonces debería haber sucedido mucho antes de que los humanos evolucionaran en la Tierra. Un estudio posterior en 2017 indicó que la burbuja colapsaría en un agujero negro primordial en lugar de originarse a partir de él, ya sea por colapso ordinario o doblando el espacio de tal manera que se rompa en un nuevo universo. ^[51] En 2019, se descubrió que, aunque los agujeros negros pequeños que no giran pueden aumentar la verdadera tasa de nucleación del vacío, los agujeros negros que giran rápidamente estabilizarán los falsos vacíos a tasas de desintegración más bajas de lo esperado para el espacio-tiempo plano. ^{[52] [53]}

Si las colisiones de partículas producen miniagujeros negros, entonces colisiones energéticas como las producidas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podrían desencadenar un evento de desintegración del vacío, un escenario que ha atraído la atención de los medios de comunicación. Es probable que sea poco realista, porque si tales miniagujeros negros pueden crearse en colisiones, también se crearían en las colisiones mucho más energéticas de partículas de radiación cósmica con superficies planetarias o durante la vida temprana del universo como agujeros negros primordiales tentativos . ^[54] Hut y Rees ^[55] señalan que, debido a que se han observado colisiones de rayos cósmicos a energías mucho más altas que las producidas en aceleradores de partículas terrestres, estos experimentos no deberían, al menos en el futuro previsible, representar una amenaza para nuestro vacío actual. Los aceleradores de partículas han alcanzado energías de solo aproximadamente ocho teraelectronvoltios (8×10 ¹² eV). Se han observado colisiones de rayos cósmicos a energías de 5×10 ¹⁹ eV y superiores , seis millones de veces más potentes (el llamado límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin ), y los rayos cósmicos en las proximidades del origen pueden ser aún más potentes. John Leslie ha argumentado ^[56] que si las tendencias actuales continúan, los aceleradores de partículas superarán la energía emitida en las colisiones de rayos cósmicos que ocurren naturalmente para el año 2150. Los críticos tanto del Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas como del Gran Colisionador de Hadrones plantearon temores de este tipo en el momento de su respectiva propuesta, y se determinó que eran infundados por la investigación científica.

En un artículo de 2021 de Rostislav Konoplich y otros, se postuló que el área entre un par de grandes agujeros negros a punto de colisionar podría proporcionar las condiciones para crear burbujas de "vacío verdadero". Las superficies que se cruzan entre estas burbujas podrían volverse infinitamente densas y formar microagujeros negros. Estos, a su vez, se evaporarían emitiendo radiación de Hawking en los 10 milisegundos aproximadamente antes de que los agujeros negros más grandes colisionaran y devoraran cualquier burbuja o microagujero negro que se encontrara en su camino. La teoría podría probarse buscando la radiación de Hawking emitida justo antes de que los agujeros negros se fusionaran. ^{[57] [58]}

Una pared de burbuja, que se propaga hacia afuera a una velocidad cercana a la de la luz, tiene un espesor finito, que depende de la relación entre la barrera de energía y la ganancia de energía obtenida al crear un vacío verdadero. En el caso en que la altura de la barrera potencial entre el vacío verdadero y el falso sea mucho menor que la diferencia de energía entre los vacíos, el espesor de la pared de la burbuja se vuelve comparable al radio crítico. ^[46]

Las partículas elementales que entran en la pared probablemente se desintegrarán en otras partículas o agujeros negros. Si todas las vías de desintegración conducen a partículas muy masivas, la barrera de energía de dicha desintegración puede dar lugar a una burbuja estable de falso vacío (también conocida como bola de Fermi ) que encierra la partícula de falso vacío en lugar de una desintegración inmediata. Los objetos de múltiples partículas se pueden estabilizar como bolas Q , aunque estos objetos acabarán colisionando y desintegrandose en agujeros negros o partículas de verdadero vacío. ^[59]

El falso evento de desintegración del vacío se utiliza ocasionalmente como un recurso argumental en obras que describen un evento apocalíptico .

• 1988 por Geoffrey A. Landis en su cuento de ciencia ficción Estados de vacío ^[60]
• 2000 de Stephen Baxter en su novela de ciencia ficción Time ^[61]
• 2002 por Greg Egan en su novela de ciencia ficción La escalera de Schild
• 2002 de Liu Cixin en su novela de ciencia ficción Zhao Wen Dao
• 2008 por Koji Suzuki en su novela de ciencia ficción Edge
• 2015 de Alastair Reynolds en su novela de ciencia ficción Poseidon's Wake
• 2018 por System Erasure en su videojuego ZeroRanger

• Inflación eterna  – Modelo hipotético de universo inflacionario
• Superenfriamiento  : reducción de la temperatura de un líquido por debajo de su punto de congelación sin que se convierta en sólido.
• Sobrecalentamiento  : Calentar un líquido a una temperatura superior a su punto de ebullición sin que hierva.
• Vacío  : grandes espacios vacíos entre filamentos con pocas o ninguna galaxia.

• Johann Rafelski y Berndt Muller (1985). El vacío estructurado: pensar en nada . Harri Deutsch. ISBN 978-3-87144-889-8.
• Sidney Coleman (1988). Aspectos de la simetría: conferencias seleccionadas de Erice . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-31827-3.

• SimpleBounce en GitHub calcula la acción euclidiana para la solución de rebote que contribuye a la desintegración del falso vacío.
• Rafelski, Johann ; Müller, Berndt (1985). El vacío estructurado: pensar en nada (PDF) . H. Deutsch. ISBN 3-87144-889-3.
• Guth, Alan . "¿Una eternidad de burbujas?". PBS . Archivado desde el original el 25 de agosto de 2012.

• Odenwald, Sten (1983). "La decadencia del falso vacío".

• Simulación de la desintegración por falso vacío mediante nucleación de burbujas en YouTube – Joel Thorarinson.