Concepto difícil de entender. Pero, gracias a la relatividad general de Einstein, estamos a la altura del desafío. usuario JohnsonMartin
La mayor lección de la teoría general de la relatividad de Einstein es que el espacio en sí no es una entidad plana, inmutable y absoluta. Más bien está entretejido, junto con el tiempo, en un único tejido: el espaciotiempo. Este tejido es continuo, suave y se curva y deforma por la presencia de materia y energía. Todo lo que está presente en este espaciotiempo se mueve a lo largo de la trayectoria definida por esa curvatura, y su propagación está limitada por la velocidad de la luz. ¿Pero qué pasaría si este tejido tuviera defectos? Esto no es ciencia-ficción, sino una idea de buena fe en la física teórica, y la pregunta de esta semana de Ask Ethan de gaijin, uno de nuestros seguidores de Patreon:
El tema que me gustaría sugerir es el de las reliquias de alta energía, como los muros de dominio, las cuerdas cósmicas, los monopolos, etc… sería genial leer más sobre lo que son realmente estos defectos, cuál es su origen, qué propiedades tienen probablemente, o, y esta es probablemente la parte más emocionante para mí, cómo esperamos que se vean e interactúen con el universo ‘ordinario’.
Un Universo defectuoso, a la hora de la verdad, es matemáticamente muy fácil de conseguir.
El Sol no se debe a una atracción gravitatoria invisible, sino que se describe mejor por la Tierra cayendo libremente a través del espacio curvo dominado por el Sol. Sin embargo, incluso en este caso, la curvatura del espacio sigue siendo extremadamente pequeña, y no hay defectos en ella. LIGO/T. Pyle
Intenta imaginar el espacio lo mejor que puedas. ¿Qué aspecto tiene? ¿Te lo imaginas vacío, liso y mayormente uniforme? ¿Imaginas que las únicas desviaciones son pequeñas y se deben a la presencia de masas y cuantos de energía? Esa es una aproximación bastante buena, y la que normalmente adoptan los físicos. En las escalas más grandes, esperamos que sea como una cuadrícula tridimensional, donde las únicas desviaciones son pequeñas regiones de curvatura espacial de baja magnitud, que es lo que crea la fuerza gravitacional que conocemos tan bien. El espacio, en esta configuración, estaría en el estado de menor energía.
y deformaciones debidas a la masa. Pero el espacio nunca se dobla o se pliega sobre sí mismo, por lo que sabemos.
¿Pero qué pasa con los estados excitados? ¿Qué pasa con otros estados? Para hacerlo fácil, quitemos dos de las dimensiones espaciales y consideremos sólo una: una línea. La línea puede ser recta, abierta e infinita, o puede ser cerrada, como un bucle. Ambas son líneas en el estado de menor energía. ¿Qué aspecto tendría un estado de mayor energía? Imagina que tomas tu línea y la haces flexible, como una cuerda. Ahora imagina que haces un nudo en la cuerda: sólo un bucle, un entrecruzamiento, un pliegue y un tirón. Una cuerda sin nudos representa un espacio unidimensional en el estado de menor energía; una cuerda con un solo nudo representa un espacio unidimensional en el primer estado excitado. Ese nudo es un defecto topológico 0-dimensional.
defecto a lo largo de una línea 1-D. Un nudo con la quiralidad opuesta, si se topa con este nudo, podría deshacerlos a ambos, restaurando el estado de menor energía. Dominio Público /
Ahora, puedes hacer algunas cosas interesantes con esa línea que contiene nudos. Puedes atar otro nudo en ella de la misma manera, y ahora tendrás dos defectos topológicos que se suman. Pero si haces un nudo en la dirección opuesta, es decir, has hecho el mismo bucle, pero has entrecruzado los extremos en la dirección opuesta antes de meter y tirar, haces un nudo que es el opuesto topológico del nudo original. Si juntas con mucho cuidado el nudo original y este nuevo nudo opuesto, descubrirás que pueden deshacerse el uno al otro, devolviéndote al estado de menor energía de nuevo.
Bueno, esos dos tipos de defectos de dimensión cero -el nudo y el anti-nudo- tienen analogías físicas en nuestro Universo: los monopolos magnéticos. Un nudo corresponde a un Polo Magnético Norte aislado; un anti-nudo corresponde a un Polo Magnético Sur aislado. Si uno se topa con el otro, pueden aniquilarse, al igual que la materia y la antimateria, y devolver el tejido del espaciotiempo a su estado de menor energía. Debido a que son sólo partículas puntuales, los monopolos se comportarían como la materia normal, no muy diferente de los monopolos eléctricos (cargas eléctricas positivas y negativas) que tenemos en nuestro Universo hoy en día.
Así que volvamos, ahora, a nuestro Universo tridimensional. Puedes imaginar no sólo defectos puntuales, sino también defectos de mayor dimensión:
- Cuerdas cósmicas: donde una línea unidimensional de algún tipo atraviesa todo el Universo observable.
- Muros de dominio: donde un plano bidimensional, con propiedades discontinuas de un lado a otro, atraviesa el Universo.
- Texturas cósmicas: donde una región del espacio tridimensional se anuda.
Así que tenemos defectos de monopolo (0-D), de cuerda (1-D), de pared (2-D) y de textura (3-D) que son posibilidades, y surgen de diferentes mecanismos de la misma clase: siempre que se rompe una simetría.
Según la cosmología estándar (L) y uno con una red significativa de defectos topológicos (R) dan estructuras a gran escala enormemente diferentes. Tenemos observaciones lo suficientemente buenas como para descartar que las cuerdas cósmicas y las paredes de dominio sean un componente dominante del Universo moderno. Andrey Kravtsov (simulación cosmológica, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulación en un Universo de cuerdas cósmicas, R)
La ruptura de la simetría es un gran problema en la física. Cada simetría que existe corresponde a una cantidad conservada, por lo que si se rompe una simetría, esa cantidad deja de conservarse. Se pueden producir monopolos rompiendo una simetría esférica; se pueden producir cuerdas rompiendo una simetría axial o cilíndrica; la ruptura de una simetría discreta (como la paridad, o la reflexión en imagen de espejo) puede crear paredes de dominio. Otros defectos son un poco más difíciles de intuir, pero a menudo entran en juego cuando se trata de escenarios extradimensionales. Pero esos tres primeros en particular -mónopolos, cuerdas cósmicas y paredes de dominio- son de especial interés para la cosmología.
las fuerzas del Modelo Estándar, y quizás incluso la gravedad a energías más altas, están unificadas juntas en un único marco. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Sabemos que el Modelo Estándar no puede ser todo lo que hay, y hay muchas extensiones que podrían tener fascinantes consecuencias observables. Una de ellas es la idea de la Gran Unificación, en la que las fuerzas electromagnética, débil y nuclear fuerte se unifican a cierta energía elevada. Esto no sólo daría lugar a la presencia de nuevas partículas y nuevas interacciones, sino que cuando se rompa la simetría que mantiene la fuerza fuerte junto con las otras dos, deberían producirse monopolos magnéticos. La falta de monopolos magnéticos en nuestro Universo observable se cita a menudo como evidencia de la inflación cósmica, y como evidencia adicional de que el Universo nunca se calienta lo suficiente después de que la inflación termine para restaurar la simetría de las Grandes Teorías Unificadas.
Si se rompiera la simetría, se produciría un gran número de monopolos magnéticos. Pero nuestro Universo no los exhibe; si la inflación cósmica tuviera lugar después de que se rompiera esta simetría, a lo sumo un monopolo seguiría presente dentro del Universo observable. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Las cuerdas cósmicas y las paredes de dominio se producirían en las transiciones de fase, si es que existen, poco después del final de la inflación. Es posible que haya simetrías extra de alta energía que se restablezcan en momentos tempranos, y cuando se rompen, se pueden crear estos defectos. Tanto las cuerdas cósmicas como los muros de dominio -uno solo o una red de ellos- dejarían una firma en la estructura a gran escala del Universo, mientras que las texturas aparecerían en el CMB y los monopolos en los experimentos de detección directa. Algunos físicos, en tono irónico, señalan el único monopolo magnético descubierto el día de San Valentín de 1982 como prueba de la inflación cósmica: ¡sólo hay un monopolo en todo el Universo observable, y lo vimos!
bajo la dirección de Blas Cabrera, uno con ocho vueltas de cable, detectó un cambio de flujo de ocho magnetones: indicios de un monopolo magnético. Desgraciadamente, nadie estaba presente en el momento de la detección, y nadie ha reproducido nunca este resultado ni ha encontrado un segundo monopolo. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Mientras que los monopolos actuarían como la materia, un Universo con cuerdas cósmicas, paredes de dominio o texturas cosmológicas afectaría a la expansión del Universo de forma importante. Las cuerdas cósmicas se comportarían como una curvatura espacial, algo restringido a menos de un 0,4% de la densidad de energía total, mientras que las paredes de dominio crearían una forma de energía oscura que acelera el Universo demasiado lentamente para explicar lo que observamos. Una textura cosmológica tendría los mismos efectos que una constante cosmológica, pero todo nuestro Universo observable tendría que estar contenido dentro de un solo defecto para explicar nuestras observaciones!
Densidad de energía del Universo, y cuándo podrían dominar. Si las cuerdas cósmicas o las paredes de dominio existieran en una cantidad apreciable, contribuirían significativamente a la expansión del Universo. E. Siegel / Más allá de la galaxia
Los monopolos, las cuerdas, las paredes, las texturas y cualquier otro defecto deberían ser ultra pesados si existen. Los monopolos deberían ser las partículas más masivas jamás descubiertas, si son reales, aproximadamente un factor de 100 trillones (1014) de veces más masivas que el quark superior. Las cuerdas, las paredes y las texturas deberían actuar como las semillas de la estructura a gran escala, arrastrando la materia hacia ella antes de que se formen otras estructuras, y creando firmas que deberían ser muy claras, dada la potencia de los telescopios actuales, los sondeos y los datos del CMB. Las restricciones modernas nos dicen que estas estructuras no existen en gran abundancia, y no pueden ser más que un pequeño porcentaje del presupuesto total de energía cósmica.
de las fluctuaciones en su interior, apunta a la invariabilidad de la escala, mientras que una red de cuerdas cósmicas habría exhibido un aumento muy pronunciado en el lado más izquierdo del gráfico. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
A día de hoy, no hay pruebas de que nuestro Universo sea defectuoso, salvo esa única observación de un monopolo magnético hace unos 35 años. Aunque no podemos refutar su existencia (sólo podemos limitarla), tenemos que mantener nuestra mente abierta a la posibilidad de que estos defectos topológicos no estén prohibidos, y que muchas extensiones del Modelo Estándar de la física los necesiten. En muchos escenarios, si no existen, es porque algo adicional debe estar suprimiéndolos. La ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia, pero hasta que veamos algo más que apunte a que un defecto topológico es real en el Universo, tenemos que dejar esta idea en el terreno de la especulación.
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