Así que puedes imaginar un conjunto de universos independientes, no unidos por relaciones de causa y efecto en el océano cósmico en constante expansión. La idea de un multiverso proviene del estudio de la teoría de la inflación cósmica en un universo cuántico, pero es difícil de probar.
A pesar de todo nuestro conocimiento sobre el Big Bang, uno de los mayores misterios científicos sigue siendo la cuestión de la aparición del universo con exactamente las propiedades que observamos en él. Entendemos cómo nuestro universo moderno ha evolucionado desde un estado más caliente, más denso y más homogéneo. Entendemos cómo este estado surgió de un período anterior de inflación cósmica. Pero si retrocedemos lo suficiente en el tiempo, en algún momento perderemos la capacidad de medir las propiedades que existían entonces o encontrar rastros de procesos tempranos. Nos quedamos solo con ecuaciones y suposiciones. Y una de las predicciones que apareció sobre la base de un estudio teórico de aquellos tiempos muy tempranos es que nuestro Universo es solo uno de los muchos universos que componen un solo el multiverso . Pero, ¿de dónde vendrán la masa y la energía del multiverso? Esto es lo que pregunta el lector:
No entiendo cómo explicar la masa del multiverso. Si se está dividiendo constantemente en nuevos universos, ¿cómo funciona la ley de conservación de la energía? ¿Es porque la gravedad es energía negativa? ¿Es porque la expansión genera nueva energía? Estoy seguro de que me estoy perdiendo algo elemental, pero ... ¿Dónde puedo conseguir suficiente masa para tantos universos?
Ésta es una pregunta muy profunda y la mejor respuesta estará llena de sorpresas.
En el multiverso podrían aparecer universos de muchos tipos posibles. Algunos de ellos son adecuados para una vida como la nuestra y otros no. En el contexto de un universo en expansión, la existencia de un multiverso es inevitable, pero es difícil entenderlo en términos de energía.
La mayoría de la gente, cuando piensa en el multiverso, imagina un número enorme, posiblemente infinito, de universos que aparecieron hace algún tiempo. Nuestro Universo allí es solo uno de muchos. Además, nosotros mismos somos capaces de observar solo una pequeña parte de nuestro universo. La porción observable del Universo se extiende a 46 mil millones de años luz desde nuestra ubicación en todas las direcciones.
En el límite de lo que vemos, no notamos nada inusual. Pero existe debido a la velocidad limitada de la luz y la cantidad de tiempo que ha pasado desde el Big Bang en nuestro Universo. Por lo tanto, no podemos decir exactamente cuánto se extiende nuestro universo más allá de lo que vemos. Puede continuar aún más lejos a través de enormes distancias inconmensurables, incluso puede ser infinito en todas las direcciones. Pero puede resultar limitado, solo que esta frontera estará más allá de los límites de nuestro horizonte cósmico. No importa cuánto esperemos, la cantidad de espacio disponible para nuestra investigación siempre será limitada.
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Afortunadamente, al estudiar lo que podemos ver, podemos imaginar lo que se encuentra más allá de los límites de lo que está disponible. Aunque el Universo se está expandiendo y todas las señales que lo atraviesan están limitadas por la velocidad de la luz, tenemos varios "hitos" interesantes disponibles para nosotros, que apuntan a lo que se encuentra a cierta distancia de nosotros. Existimos en el presente, 13,8 mil millones de años después del Big Bang. Vivimos en un universo que se expande a una velocidad medible del orden de 70 km / s / Mpc. Es decir, cada megaparsec (unos 3,26 millones de años luz) que nos separa de otro objeto, en promedio, añade unos 70 km / sa su velocidad relativa a la nuestra.
Podemos decir mucho sobre estas limitaciones cósmicas dado todo lo que sabemos sobre el contenido energético del universo. Es decir, 68% de energía oscura, 27% de materia oscura, 4,9% de materia ordinaria, 0,1% de neutrinos y 0,01% de fotones (es decir, luz).
- Nunca podremos alcanzar galaxias a más de 18 mil millones de años luz de distancia, incluso si hoy volamos hacia ellas a la velocidad de la luz.
- La luz del Big Bang llegará a un objeto ubicado a 46 mil millones de años luz de distancia de nosotros hoy, tal como vemos esta luz emanando del punto como estaba hace 13,8 mil millones de años.
- Un objeto ubicado a una distancia de 61 mil millones de años luz de nosotros hoy no es visible para nosotros, pero cuando la luz de él nos alcance, será el objeto más lejano que observemos.
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Estos son los límites de solo el universo que observamos. No sabemos qué tan lejos se extiende el resto de la parte no observable después del mismo Big Bang. Pero, por supuesto, podemos imponerle restricciones. Si el Universo está de alguna manera cerrado sobre sí mismo, en forma de bucle, o se repite de alguna otra manera, entonces la escala de esta repetición es mayor que la parte que vemos hoy. Si no está cerrado, la restricción en la curvatura del espacio (y debería ser menos de ~ 0.002% de la densidad de energía del Universo) sugiere que el Universo debería extenderse a una distancia al menos 400 veces mayor que la parte que vemos. en todas direcciones. Es decir, su volumen debería ser al menos 64 millones de veces mayor que el volumen del Universo que observamos. Y en principio, el universo puede ser infinito en general.
Pero, no importa cuán grande sea nuestro Universo, esto no significa que esté tan solo. Incluso si es infinito, puede haber otros; recuerde que los infinitos tienen diferentes poderes .
Lo principal en este caso es entender de dónde vino la idea física del multiverso. Aparece cuando te tomas en serio la idea de la inflación cósmica. Y esta, a su vez, es la mejor teoría y mecanismo hasta la fecha, explicando lo que sucedió antes del Big Bang, cómo todo lo condujo y lo dio a luz.
Las fluctuaciones cuánticas que aparecen durante la inflación se extienden por todo el Universo y, al final de la inflación, se convierten en fluctuaciones en la densidad de la materia. Con el tiempo, esto conduce a la aparición de estructuras a gran escala, así como a las fluctuaciones de temperatura observadas en . .
Intentando extrapolar en el tiempo los procesos que tuvieron lugar al comienzo del Big Bang, basándonos en las observaciones de hoy, nos encontramos con varios fenómenos misteriosos. Vemos que en cualquier dirección del Universo, en promedio, se conserva la misma densidad de materia y temperatura. Al mismo tiempo, las partes opuestas del Universo, alejadas unas de otras, no tuvieron tiempo de intercambiar información de toda la historia conocida. Vemos que la densidad de energía total y la tasa de expansión original deberían haber sido las mismas al comienzo del Big Bang caliente dentro de los 25 dígitos significativos después del punto decimal, y esto no lo explica el Big Bang. No vemos rastros de alta energía del Universo temprano, cuya existencia podría esperarse si se observaran temperaturas y densidades infinitamente altas en las primeras etapas de su desarrollo.
¿Cómo es esto posible? De ahí surge la idea de inflación cósmica: quizás hubo una fase en la historia del Universo que precedió al Big Bang. En esta fase, el Universo no estaba lleno de partículas, antipartículas, radiación y otras formas cuantificadoras de energía como lo está hoy. Estaba lleno de algún tipo de energía, que recordaba a la energía oscura, una energía inherente al propio espacio-tiempo. En este estado, el universo se expande implacablemente a un ritmo exponencial. Y solo cuando esta expansión se detiene, la energía se convierte en partículas, antipartículas y radiación: ocurre el Big Bang.
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Esta es una de las ideas más importantes de la cosmología actual, y una de las más exitosas tanto para explicar los fenómenos que observamos como para predecir otros nuevos que más tarde pudimos probar. El Universo tiene las mismas propiedades en todas las direcciones porque emergió de un pedazo de espacio que alguna vez perteneció a una sola región, alargado a tamaños enormes por la inflación. Existe un equilibrio entre la densidad de energía y la curvatura espacial porque estas propiedades estaban determinadas por la dinámica de la inflación, lo que las obligaba a estar en equilibrio. Y no quedaron reliquias de alta energía porque el universo nunca alcanzó temperaturas arbitrariamente altas, estaban limitadas por la escala energética de la inflación.
Si la inflación es un campo cuántico, debe estar sujeto a fluctuaciones cuánticas. E inevitablemente era un campo de este tipo, dado que en el universo (probablemente) todo es fundamentalmente de naturaleza cuántica. Las fluctuaciones de energía crean regiones de mayor densidad a partir de las cuales se forman las galaxias, así como regiones de menor densidad, que se convierten en vacíos cósmicos . Se puede pensar en la inflación como una bola que rueda desde lo alto de una colina muy plana hasta el fondo. De las fluctuaciones cuánticas se desprende la existencia de "bolsillos" del universo inflacionario, en los que la inflación termina antes que en otros lugares. Y también debe haber lugares donde la inflación no haya terminado hoy.
Arriba: la inflación termina cuando la bola rueda hacia el fondo.
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Cuando termina la inflación, hay un Big Bang caliente y una nueva oportunidad para un universo como el nuestro. No importa dónde o cuándo suceda, y no importa si la inflación continúa en las regiones circundantes. No sabemos mucho sobre muchos de estos universos, ni siquiera en teoría. Pero si la teoría inflacionaria es correcta y las leyes de la física continúan funcionando durante la inflación, entonces la existencia de estos universos es inevitable. De aquí proviene la idea de un multiverso, desde un punto de vista puramente físico, sin referencias a la filosofía, interpretaciones de la mecánica cuántica o al universo como era antes de la inflación.
Aquí es donde la idea del universo surgió de la nada. Si por "nada" entendemos el espacio vacío que apareció durante la inflación, entonces dará lugar no solo a un universo como el nuestro, sino también a un número enorme (y posiblemente infinito) de otros universos independientes. Cada uno de ellos se llenará con sus propias partículas, antipartículas, radiación y otras formas de energía permitidas.
Pero, a pesar de toda esta maravillosa historia, es posible que todavía le preocupe la pregunta: ¿de dónde viene la energía para todo esto?
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Este es el punto en el que los procesos comienzan a contradecir nuestra intuición. Por supuesto, ha oído hablar de la ley de conservación de la energía: que la energía no se puede crear ni destruir, y que solo puede pasar de una forma a otra. Este es el caso de cualquier evento en el Universo, ya sea antes de la interacción, transformación o cualquier fenómeno físico que ocurra en un lugar determinado en un momento determinado. Tal evento puede ser una colisión de dos partículas, un golpe de luz en una superficie, una reunión de dos observadores en un solo lugar. Hasta donde sabemos, en todos los eventos que han sucedido en el Universo, la energía se ha conservado.
Pero en todo el Universo como un todo, y en todo el espacio-tiempo, la energía no siempre se conserva o incluso se determina con precisión. La energía se puede definir claramente en el espacio-tiempo estático, sin cambiar de un momento a otro. Un ejemplo de tal espacio es la vecindad de un agujero negro. Sus propiedades no cambian hasta que el agujero negro cambia de masa. Sin embargo, un universo en expansión o contracción cambia con el tiempo. Con el crecimiento del espacio, la energía de diferentes componentes cambia de diferentes formas, cediendo a la determinación cuantitativa.
Si la densidad de materia y energía en un universo en expansión disminuye debido a un aumento en su volumen, la energía oscura es una forma de energía inherente al espacio mismo. En el universo en expansión, se crea un nuevo espacio, mientras que la densidad de la energía oscura permanece constante.
Tanto la materia normal como la oscura están formadas por partículas: tienen una cierta masa, ocupan un cierto volumen. Con la expansión del Universo, el número de partículas no cambia, pero el volumen aumenta, pero la energía total permanece constante.
La radiación se comporta de manera diferente. La energía de las ondas de luz está determinada por su longitud. Cuanto más corta sea la longitud, mayor será la energía y viceversa. Con la expansión del Universo, el número de cuantos de radiación no cambia, pero las longitudes de onda se alargan, por lo que cada cuanto pierde su energía. Con el paso del tiempo y el aumento de volumen, la energía total disminuye.
La energía oscura también se comporta a su manera. Ésta es la energía inherente al tejido mismo del espacio. Su valor hoy es extremadamente pequeño, pero durante la inflación era enorme. Con la expansión del espacio, la densidad de energía no cambia, pero el volumen aumenta. La energía total del universo aumenta con el tiempo, ya que se considera como densidad de energía multiplicada por volumen.
Estamos acostumbrados a tener presión positiva dentro de diferentes objetos. La energía oscura en este caso es contradictoria, ya que su presión es negativa, pero al mismo tiempo hace que el tejido del espacio se expanda.
A muchas personas no les gusta esto, pero de hecho, en el Universo, cuyo espacio se expande o contrae con el tiempo, la energía no se conserva y ni siquiera se determina con precisión. Puede hacer que persista postulando una definición global de energía, en la que aísla una parte del universo y requiere que la energía se conserve dentro de sus límites. Esto solo se puede hacer introduciendo otra definición: el trabajo realizado sobre la frontera que dibujó a medida que el Universo se expande. La radiación realiza un trabajo positivo al perder energía. La energía oscura (energía de la inflación) realiza un trabajo negativo, aumentando la energía total.
A pesar de todo su atractivo, este enfoque no puede considerarse confiable. Podemos elegirlo mediante una decisión volitiva, solo para satisfacer nuestras ideas sobre la necesidad de conservar energía. Pero, de hecho, la ley de conservación funciona solo en un lugar determinado del espacio y no para todo el Universo en expansión. Es posible que haya escuchado esta expresión: no hay almuerzo gratis. Puede que no suceda en la Tierra, pero esto no se aplica al Universo en expansión. Si las ideas sobre la inflación y el multiverso son correctas, entonces quizás el universo entero sea un gigantesco almuerzo gratis. En nuestros tiempos difíciles, uno puede estar agradecido al menos por este hecho.