|
por Natalie Wolchover del Sitio Web SimonsFoundation
traducción de
Adela Kaufmann
Décadas de confusos experimentos Tienen a los físicos considerando una alarmante posibilidad...
El universo podría no tener sentido
En una nublada tarde a finales de abril, profesores y estudiantes de física se congregaron en una sala de conferencias con paneles de madera en la Universidad de Columbia para una charla de Nima Arkani-Hamed, un teórico de alto perfil visitando del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en las inmediaciones, N.J.
Con su cabello oscuro y largo hasta los hombros empujado detrás de las orejas, Arkani-Hamed expuso las duales, aparentemente contradictorias implicaciones de los resultados experimentales recientes en el Gran Colisionador de Hadrones en Europa.
El espectacular descubrimiento del Bosón de Higgs en Julio de 2012 confirmó una teoría casi 50 años de antigüedad, de cómo las partículas elementales adquieren masa, lo que les permite formar grandes estructuras como galaxias y seres humanos.
Sin embargo, para que el Bosón de Higgs tenga sentido con la masa (o energía equivalente) se determinó que, el LHC necesita encontrar una multitud de otras partículas, también.
Ninguna apareció.
"El universo es imposible", dijo Nima Arkani-Hamed, de 41 años, del Instituto de Estudios Avanzados, durante una reciente charla en la Universidad de Columbia. (Foto: Natalie Wolchover / Simons Science News)
Con el descubrimiento de una sola partícula, los experimentos del LHC profundizaron un profundo problema en la física que había estado fermentándose durante décadas.
Las ecuaciones modernos parecen captar la realidad con una impresionante precisión, predecir correctamente los valores de muchas constantes de la naturaleza y la existencia de partículas como el Bosón de Higgs.
Sin embargo, unas pocas constantes - incluida la masa del Bosón de Higgs - son exponencialmente diferentes de lo que éstas leyes en las que confiamos indican que deberían ser, de manera que descartarían cualquier posibilidad de vida, a menos que el universo esté formado por inexplicables finas afinaciones y cancelaciones.
En peligro es la noción de "naturalidad", el sueño de Albert Einstein de que las leyes de la naturaleza son sublimemente hermosas, inevitables y autónomas. Sin ellas, los físicos se enfrentan a la dura perspectiva de que esas leyes son tan sólo un resultado arbitrario, desordenado de las fluctuaciones aleatorias en el tejido del espacio y el tiempo.
El LHC se reanudará rompiendo protones rompiendo en 2015 en una búsqueda desesperada de respuestas.
Sin embargo, en documentos, conversaciones y entrevistas, Arkani-Hamed y muchos otros grandes físicos ya están enfrentando la posibilidad de que el universo podría ser antinatural. (Hay un gran desacuerdo, sin embargo, acerca de lo que se necesitaría para demostrarlo.)
"Hay frustrantes problemas teóricos en la teoría de los campos cuánticos que demandan soluciones, pero el "paisaje" de la teoría de cuerdas de 10500 soluciones, no tiene sentido para mí. Tampoco el concepto del multiverso o del principio antrópico " dijo David J. Gross, un físico ganador del Premio Nobel. Para leer la entrevista completa, haga clic aquí .
Los físicos razonan que si el universo no es natural, con constantes fundamentales extremadamente improbables que hacen posible la vida, entonces, un gran número de universos deben existir, para que nuestro improbable caso se haya realizado.
De lo contrario, ¿por qué deberíamos tener tanta suerte? La no-naturalidad daría un gran empujón a la hipótesis del multiverso, que sostiene que nuestro universo es una burbuja en una infinita e inaccesible espuma.
De acuerdo con un marco popular, pero polarizante llamado teoría de las cuerdas, el número de posibles tipos de universos que pueden surgir en un multiverso es de alrededor de 10500. En algunos de ellos, las cancelaciones al azar producirían las extrañas constantes que observamos.
En este cuadro, no todo acerca de este universo es inevitable, haciéndolo impredecible.
Edward Witten, un teórico de cuerdas en el Instituto, dijo por correo electrónico,
Lo que el LHC hace o no descubre en su próxima carrera probablemente prestará apoyo a una de dos posibilidades: o bien vivimos en un universo demasiado complicado, pero independiente, o vivimos en una burbuja atípica en el multiverso.
Coincidencia Cósmica
Einstein escribió una vez que para un científico,
De hecho, a lo largo del siglo 20, la creencia profundamente arraigada de que las leyes de la naturaleza son armoniosas - la creencia en la "naturalidad" - ha demostrado ser una guía confiable para descubrir la verdad.
En la práctica, es el requisito de que las constantes físicas (masas de partículas y otras propiedades fijas del universo) surgen directamente de las leyes de la física, en lugar de ser resultantes de cancelaciones improbables.
Una y otra vez, cada vez que una constante aparece afinada, como si su valor inicial hubiese sido mágicamente marcado para compensar otros efectos, los físicos sospechaban que les faltaba algo. Ellos buscarían e inevitablemente encontrarían alguna partícula o característica que marcó materialmente la constante, evitando la cancelación afinada.
Esta vez, las fuerzas de autocuración del universo parecen estar fallando.
El Bosón de Higgs tiene una masa de 126 giga-electrón-voltios, pero la interacción con las otras partículas conocidas deberán añadirle unos 10.000.000.000.000.000.000 giga-electrón-voltios a su masa.
Esto implica que la "masa desnuda", el Bosón de Higgs "o valor inicial antes de que otras partículas le afecten, pasa a ser el negativo de ese número astronómico, lo que resulta en una cancelación casi perfecta que deja sólo un toque de Higgs detrás: 126 giga-electrón-voltios.
Los físicos han pasado por tres generaciones de aceleradores de partículas en busca de nuevas partículas, postuladas por una teoría llamada supersimetría, que impulsaría la masa del Higgs con tanta exactitud como las partículas conocidas lo impulsan hacia arriba.
Pero hasta ahora han resultado con las manos vacías .
El LHC actualizada explorará escalas de energía cada vez más altas en su próxima carrera, pero incluso si se encuentran nuevas partículas, casi sin duda serán demasiado pesadas para influir en la masa Higgs de manera correcta. El Higgs todavía parecerá por lo menos 10 o 100 veces demasiado liviano.
Los físicos no están de acuerdo sobre si esto es aceptable en un universo natural, independiente.
Pero en opinión de Arkani-Hamed, siendo,
Si no aparecen nuevas partículas y el bosón de Higgs permanece astronómicamente afinado, entonces la hipótesis del multiverso dará zancadas a la luz.
Foro Brookhaven 2013 David Curtin, a la izquierda, un investigador postdoctoral en la Universidad de Stony Brook, y Alessandro Strumia, un físico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, discutiendo la idea de la "naturalidad modificada" de Strumia, que cuestiona los supuestos de larga data acerca de cómo calcular el valor natural de la masa del bosón de Higgs. (Foto: Thomas Lin / Simons Science News)
Unos físicos - especialmente Joe Lykken del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Batavia, Illinois, y Alessandro Strumia de la Universidad de Pisa en Italia - ven una tercera opción.
Dicen que los físicos podrían estar calculando o midiendo mal los efectos de otras partículas en la masa del Higgs y que cuando la calculan de forma diferente, su masa parece natural.
Esta "naturalidad modificada" (A Modified Naturalness Principle and Its Experimental Tests) se tambalea cuando partículas adicionales, tales como los componentes desconocidos de la materia oscura se incluyen en los cálculos, pero el mismo camino poco ortodoxo podría generar otras ideas.
Sin embargo, la naturalidad modificada no puede solucionar un problema de naturalidad aún más grande que existe en la física:
El hecho de que el cosmos no fue instantáneamente aniquilado por su propia energía el momento después del Big Bang.
Oscuro Dilema
La energía formada en el vacío del espacio (conocido como energía del vacío, energía oscura y constante cosmológica) es desconcertantemente billones de billones de billones de billones de billones de billones de billones de billones de billones de billones de veces más pequeño que lo que se calcula ser su valor natural, aunque autodestructivo.
No existe una teoría sobre lo que podría, de forma natural, solucionar esta gigantesca disparidad.
Pero está claro que la constante cosmológica tiene que ser enormemente ajustada para evitar que el universo explote o colapse rápidamente hasta un punto. Tiene que ser ajustado para que la vida tenga una oportunidad.
Para explicar este absurdo de la suerte, la idea del multiverso ha ido creciendo en la corriente principal en los círculos cosmológicos en los últimos decenios.
Yo recibí un impulso credibilidad en 1987, cuando el ganador del Premio Nobel, el físico Steven Weinberg, ahora profesor en la Universidad de Texas en Austin, calculó que la constante cosmológica de nuestro universo es esperada en el escenario del multiverso (Anthropic Bound on The Cosmological Constant).
De los universos posibles aptos para la vida - los únicos que se pueden observar y contemplar, en primer lugar - y el nuestro es uno de los menos afinados.
La mayoría de los físicos de partículas esperan que una explicación más comprobable para el problema constante cosmológica sea encontrada. Ninguno lo ha sido. Ahora, los físicos dicen que la falta de naturalidad del Higgs hace la no-naturalidad de la constante cosmológica más significativa.
Arkani-Hamed cree que cuestiones puedan incluso estar relacionados.
El multiverso se convirtió en poco más que un argumento que agita la mano en el año 2000, cuando Rafael Bousso y Joe Polchinskin, un profesor de física teórica en la Universidad de California en Santa Barbara, encontraron un mecanismo que podría dar lugar a un panorama de universos paralelos .
La teoría de cuerdas, una hipotética "teoría del todo" que considera las partículas como diminutas e invisibles líneas vibrantes, postula que el espacio-tiempo es 10-dimensional.
A escala humana, experimentamos sólo tres dimensiones espaciales y una de tiempo, pero los teóricos de cuerdas sostenemos que seis dimensiones extra están amarradas en cada punto en el tejido de nuestra realidad 4-D.
Bousso y Polchinski calcularon (Quantization of Four-form Fluxes and Dynamical Neutralization of the Cosmological Constant) que hay alrededor de 10500 formas diferentes para anudar esas seis dimensiones (todas vinculando diferentes cantidades de energía), haciendo una inconcebiblemente vasta y diversa variedad de universos posibles.
En otras palabras, no se requiere la naturalidad.
No hay un solo, inevitable universo perfecto.
Pero el documento provocó indignación.
La vida en un Multiverso
El Big Bang, en el escenario del multiverso de Bousso-Polchinski, es una fluctuación. Un nudo compacto, de seis dimensiones que conforma una puntada en el tejido de la realidad repentinamente cambia de forma, liberando energía que forma una burbuja de espacio y tiempo.
Las propiedades de este nuevo universo son determinadas por casualidad:
La gran mayoría de universos que estallan a ser de esta manera son gruesos de energía del vacío, ya sea se expanden o se contraen tan rápidamente que la vida no puede surgir en ellos.
Pero algunos universos atípicos, en los que la improbable cancelación produce un pequeño valor de la constante cosmológica, son muy parecidos a los nuestros.
En el escenario del multiverso, una amplia y diversa gama de universos de burbuja Fluctúan a la existencia en el interior de un vacío más grande. Una pequeña fracción de los universos tiene propiedades físicas favorables para la vida.
En un artículo publicado el mes pasado en el sitio Web de física para pre-impresión, arXiv.org (Why Comparable? A Multiverse Explanation of the Dark Matter), Bousso y un colega de Berkeley, Lawrence Hall, argumentan que la masa de Higgs tiene sentido en el escenario multiverso, también.
Ellos encontraron que los universos burbuja que contienen suficiente materia visible (en comparación con la materia oscura) para sustentar la vida más a menudo tienen partículas supersimétricas más allá del rango de energía del LHC, y un afinado Higgs Boson.
Del mismo modo, otros físicos en 1997 mostraron que si el Bosón de Higgs fuera cinco veces más pesado de lo que es, esto suprimiría la formación de átomos que no son de hidrógeno, dando como resultado, por otro medio, en un universo sin vida.
A pesar de estas explicaciones, aparentemente exitosas, muchos físicos se preocupan de que hay poco que ganar al adoptar la visión del mundo multiverso.
Los universos paralelos no pueden ser probados, peor aún, un universo poco natural resiste la comprensión.
Ese sentimiento tiene eco una y otra vez:
Pero las teorías pueden crecer con los físicos.
Después de pasar más de una década aclimatándose al multiverso, Arkani-Hamed ahora lo encuentra plausible - y una ruta viable para la comprensión de las formas de nuestro mundo.
La naturalidad podría salir adelante. O podría ser una falsa esperanza en un bolsillo extraño pero cómoda del multiverso.
Como Arkani-Hamed dijo a la audiencia en Colombia, "estad atentos."
|
