No cabe duda de que nuestro universo puede ser tan aterrador como asombroso: objetos tan masivos que ni la luz puede escapar de ellos; estrellas que tiran chorros de energía que fácilmente vaporizarían planetas; e incluso témpanos espaciales gigantes que podrían extinguir la vida en nuestro planeta fácilmente.
Sin embargo, todos estos peligros palidecen al lado de una idea más inquietante: la idea de que súbitamente todas las leyes de la física dejen de funcionar. De pronto, todo lo que conocemos, como los seres vivos, los planetas y las estrellas dejarían de existir. Y, por si fuera poco, no lo veríamos venir. Esta es la idea del “vacuum decay” o decadencia del vacío. Pero ¿qué nos dice esta idea? Veamos.
Para entender cómo nuestro universo podría destruirse a sí mismo, necesitamos conocer dos principios fundamentales de la física: los niveles de energía y la estabilidad.
Todo en el universo tiene niveles de energía. Mientras más alto sea el nivel de energía de algo, más inestable es. Imagina una botella de agua con gas a punto de ser abierta. En su interior, el dióxido de carbono está disuelto en el líquido a alta presión; una situación con mucha energía potencial. Si la abres súbitamente, el gas empezará a escapar rápidamente, pasando de un estado con mucha energía a uno con poca energía.
El segundo principio es que todo sistema físico tiende a moverse hacia su estado más estable, su estado fundamental. Puedes imaginar esto con una pelota en la cima de una colina: en esa posición tiene mucha energía potencial, pero si algo la empuja, rodará cuesta abajo hasta llegar a un punto más estable, donde su energía sea mínima. Este principio también se aplica al agua con gas y, aunque no lo creas, al espacio.
Cuando nos hablan del espacio, usualmente imaginamos este como un escenario principalmente vacío. Este es el escenario en el que se encuentran las galaxias, las estrellas y los planetas. Sin embargo, entre todas estas cosas, lo que hay es el vacío. Esta es la imagen convencional sobre el espacio.
Sin embargo, lo que nos dice la mecánica cuántica es que el espacio, incluso cuando no hay presencia de átomos u otras partículas, no está enteramente vacío. De acuerdo a esta teoría, todo el espacio, el de aquí en la Tierra y el de allá arriba, está permeado por diferentes campos. Las partículas que conocemos, como los electrones, los quarks o los fotones, no son más que excitaciones de estos campos.
Matthew O’Dowd, profesor asociado de física y astronomía en el Lehman College de la City University of New York, lo explica de la siguiente manera. Imagina que todo el espacio estuviera compuesto por bandas elásticas unidas. Si pinchamos una y la soltamos esta vibrará y poco a poco volverá a su estado original. Sin embargo, al estar conectada con las demás bandas, esta vibración podrá ser transferida a todo el tejido en su conjunto. Las partículas que conocemos, como los electrones, no son más que modos de vibración de estos campos que estamos representando como bandas elásticas. Para entender mejor esta imagen, te recomendamos darle click al video de arriba.
Ahora, así como una goma elástica perturbada usualmente vuelve a su forma original y deja de vibrar, los campos cuánticos, estos campos que estamos imaginando como tejidos de bandas, también tienden a llegar a una posición de equilibrio: una posición en la que su energía es cercana a 0, ya que esta es una configuración más estable.
Sin embargo, hay un campo que rompe esta regla: el campo Higgs. Este campo es el responsable de otorgar masa a las partículas. En resumen, gracias a él, tú y nosotros existimos, al igual que los planetas y las estrellas. Sin él, el universo sería completamente distinto. Sin embargo, a diferencia de otros campos cuánticos, que alcanzan su configuración estable en un estado de energía cercano a cero, el campo de Higgs lo hace en un estado con un nivel de energía positivo (mayor a 0).
Pero, ¿por qué esto es un problema? Porque el campo de Higgs podría no estar en un estado de equilibrio absoluto, sino en un estado metaestable. ¿Qué significa esto?
Volvamos al ejemplo de la pelota en la colina. Cuando la pelota está en la cima, tiene mucha energía potencial. Si algo la perturba, comenzará a rodar cuesta abajo hasta alcanzar un punto más bajo, donde será más estable y habrá perdido su energía potencial.
Sin embargo, hay otro escenario posible: la pelota podría no caer directamente al punto más bajo, sino detenerse en un valle intermedio. En este valle, la pelota parece estar estable, pero en realidad sigue teniendo más energía de la que tendría en el fondo de la colina. Esto es lo que llamamos un estado metaestable. Mientras no haya una perturbación lo suficientemente fuerte, la pelota permanecerá ahí. Pero si recibe el impulso adecuado, seguirá su camino cuesta abajo hasta alcanzar su verdadero estado de mínima energía.
Esta misma situación se podría estar dando con el campo de Higgs: este podría estar en una especie de valle intermedio, un estado metaestable. Así, el espacio en el que vivimos no estaría en su nivel más bajo de energía posible, sino en lo que los físicos llaman “un falso vacío cuántico”. Pero, al igual que la pelota en el valle intermedio, este podría precipitarse en algún momento a su nivel más bajo. ¿Cómo? Mediante sucesos que liberan mucha energía, como el Big bang o en las cercanías de un agujero negro.
Sin embargo, también puede ocurrir de manera espontánea en algún punto del espacio, mediante un proceso llamado “efecto de túnel cuántico” o quantum tunneling. Explicar de qué se trata este fenómeno requiere su propio video, lo importante es saber que, según las leyes de la física, esto puede suceder de forma súbita. Es muy improbable, pero posible.
¿Y qué ocurriría si se da este suceso? Al inicio, se crearía una burbuja de ‘vacío verdadero’. Esta burbuja desencadenaría una reacción en cadena, haciendo que el espacio a su alrededor también pase de un estado metaestable a uno estable, de manera similar a cómo un calentador de manos activa la cristalización de su contenido.
Así, esta burbuja se expandiría a la velocidad de la luz, transformando todo lo que conocemos en un nuevo espacio, con nuevas leyes de la física y constantes fundamentales. En pocas palabras, el universo, tal como lo conocemos, desaparecería.
Dado que esta burbuja se movería a la velocidad de la luz, ni siquiera podríamos verla venir. En un instante estaríamos viendo nuestro programa favorito y, en el siguiente, ya no existiríamos. De pronto, todas las partículas dejarían de tener masa, las estrellas dejarían de realizar fusión nuclear y todos nosotros nos convertiríamos en partículas similares a fotones que componen la luz.
Pero ¿realmente esto puede suceder? Según nuestro entendimiento actual de la física, si bien no es algo probable, sí tenemos evidencia de que es una posibilidad. Por ejemplo, nuestras mediciones actuales nos apuntan a que probablemente nos encontramos en un “falso vacío”,en un estado metaestable.
Además, un reciente estudio publicado en la revista Nature mostró evidencia de que este tipo de cambios espontáneos a nivel cuántico pueden resultar en el paso de una fase metaestable a una estable.
Esto no significa que el universo esté en peligro inminente, pero nos dice que estos fenómenos podrían ser posibles. Así que, aunque el decaimiento del vacío es algo improbable, no es algo que podamos descartar tampoco.
