Una física para gobernarlas a todas

Estoy seguro de que si sois aficionados a esto de la física  habréis escuchado eso de que puede haber otros universos, en el llamado multiverso, con otras leyes de la física.

Soy consciente de que esto puede parecer un poco acientífico. Hemos aprendido, escuchado y leído, por activa y por pasiva, que las leyes de la física son inmutables y que son las mismas para todo el universo.  De hecho, toda la exploración observacional en astrofísica y en cosmología apoyan esta tesis. Pero la tesis no es más que eso, una idea que hemos acumulado al pensar que la física que gobierna nuestro entorno es válida en toda la extensión del universo. Más aún, hay principios físicos muy potentes y muy básicos que se basan en esta idea. Los principios de la relatividad, los principios de las teorías gauge, los principios cuánticos, todos ellos son independientes de la posición del observador y de ellos extraemos las cantidades conservadas, energía, cargas, momentos angulares, y las interacciones entre los distintos campos.

¿Cómo pueden entonces decir los físicos que pueden existir distintas leyes de la física?

En esta entrada vamos a responder a esta pregunta intentando ir al fondo del asunto sin perdernos en las imbrincadas sutilezas técnicas.

El vaso de agua

Para empezar tomaremos un sistema que uno suele tener a mano si es lo suficientemente afortunado, un vaso de agua.

A temperatura ambiente el agua es un líquido. Ya sabemos que no es más que un conglomerado de moléculas de H2O que sufren interacciones eléctricas débiles pero muy abundantes que permiten que el agua esté en forma líquida pero les confiere la suficiente libertad para moverse libremente por ahí.  Estas interacciones son las responsables del comportamiento del agua como un líquido.

Pero la historia no acaba ahí, si bajamos la temperatura lo suficiente las moléculas de agua pierden su energía de movimiento y las interacciones eléctricas dominan la situación obligando a las moléculas a tomar posiciones más o menos fijas formando una red. Se ha formado hielo.

En el hielo las moléculas de agua no tienen más libertad que la de oscilar alrededor de unas posiciones fijas de equilibrio que conformando una red cristalina.

Agua, hielo, simetría y rotura

Vamos a abusar un poco más de la confianza que nos brinda nuestra amiga el agua.  Aprovecharemos la situación para introducir el concepto de simetría y de su rotura.

Supongamos que le damos a alguien un vaso de agua como el anterior. Esto implica que la energía del medio, medida en términos de su temperatura, es suficiente como para mantener esta estructura líquida.  Ahora dibujamos una esfera imaginaria en el seno del agua.

Le decimos a nuestro sujeto observador que estudie detenidamente el vaso de agua y se fije en la región encerrada por la esfera imaginaria que hemos dibujado.   Incluso puede hacerle una foto si así lo desea.  Tras un tiempo prudencial tomamos el vaso y hacemos una rotación de la esfera junto a su contenido de agua y se lo volvemos a entregar a nuestro experimentador.  ¿Distinguirá la situación antes y después de haber rotado la esfera imaginaria?

La respuesta es NO. No encontrará la menor de las diferencias.

En esta situación decimos que el agua presenta una simetría bajo rotaciones (por supuesto siempre y cuando la transformación la hagamos en el seno del agua y lejos de las paredes).

Si ahora repetimos el experimento en una cámara frigorífica a -20º la cosa cambia. Ahora el agua ha cambiado de fase, ha pasado a su estado sólido y tenemos un bonito vaso repleto de hielo a nuestra disposición. Por supuesto, también dibujamos la esfera en su seno.

Si ahora nos diera por girar la esfera junto a todo su contenido nuestro experimentador no tendría problema alguno en detectar la jugada. Basta con recordar que el hielo tiene una estructura cristalina en la que la posición de las moléculas está fija.  Esto implica que si hacemos una rotación en una parte de la red, las posiciones de las moléculas involucradas cambiarán sustancialmente y se notará la diferencia.

En la transición de agua líquida a hielo, dos fases del mismo sistema, hemos perdido de forma espontánea la simetría que presentaba el sistema original.

Leyes físicas, simetrías, roturas, campos y partículas

Lo anteriormente implicado en referencia al agua y al hielo está en total paralelismo a como se comportan las leyes físicas que describen los procesos y las características de los campos.  Hagamos un pequeño resumen para tener las ideas claras y a mano:

1. El agua en estado líquido presenta una simetría bajo rotaciones.
2. El agua puede estar en estado líquido siempre y cuando la energía del medio circundante sea la adecuada.  Se dispone en ese estado porque es su nivel de mínima energía para las condiciones circundantes de temperatura/energía del medio.
3. Si bajamos lo suficiente la temperatura del entorno, es decir, bajamos la energía disponible.  Entonces el agua encuentra que tiene un estado de menor energía que es más estable en las nuevas condiciones, el estado sólido y se transforma en hielo.
4. En dicha transformación de líquido a sólido la simetría bajo rotaciones se rompe, desaparece.

Hablemos un poco de los campos antes de proseguir con nuestra historia. Un campo físico representa una determinada magnitud que está definida en todo el espacio.  Suponiendo que todo el espacio sea el vaso, el agua o el hielo representarían los campos.  Un campo lleva asociado tres cosas:

• Su energía, que nos indica en que fase puede encontrarse como vamos a ver a continuación.
• Sus partículas, ya que debido a la teoría cuántica podemos interpretar excitaciones energéticas del campo, inherentes a la naturaleza cuántica e ineludibles, como partículas.
• El campo presenta cargas que son las propiedades que le permiten interactuar con otros campos.  Son los elementos que generan y sienten los campos físicos y hacen posible las interacciones.  Estas cargas se asocian a las partículas del campo. (Por ejemplo la carga eléctrica es la que genera el campo electromagnético y la que posibilita que las partículas que tienen dicha carga puedan interactuar con él).

Pues bien, los campos físicos, el campo débil, el campo fuerte, el electromagnético, el Higgs, etc, tienen un comportamiento parecido al agua y el hielo.

1. Cuando la energía disponible es muy alta los campos, magnitudes físicas que describen partículas e interacciones y que permean todo el espacio son indistinguibles unos de otros. En vez de encontrarnos con el campo electromagnético y el débil separados y distintos se combinan en una campo denominado electrodébil.  Si seguimos subiendo la energía se espera que se una la interacción fuerte formando un campo de gran unificación.  Estas son diferentes fases de los campos, es decir, dependiendo de la energía disponible para los campos estos se comportan como una única entidad o como entidades separadas.  Al proceso de ir generando cada vez más campos a partir de uno unificado se le denomina transición de fase en total analogía con el caso agua líquida– hielo.
2. Desde el punto de vista teórico describimos los campos mediante coordenadas y ecuaciones que interrelacionan estas coordenadas con los valores del campo y sus propiedades, como la intensidad de interacción entre el campo y las partículas presentes, etc.
3. Estas leyes físicas presentan simetrías.  Podemos hacer transformaciones en los campos sometiéndolos a rotaciones, traslaciones, cambios del origen de tiempo y otras transformaciones más abstractas denominadas transformaciones gauge.  (Para ver como funciona esto de las transformaciones os recomiendo esta entrada que escribí para Naukas:  Monopolos, never ending story–Parte III).  Estas transformaciones dejan las leyes invariantes, es decir, dejan la física inalterada.  Y este hecho esconde la existencia de cantidades conservadas como la energía o el momento, así como de cargas de los campos que les permiten interactuar unos con otros.  Además codifican la forma exacta en las que dichas interacciones tienen lugar.
4. Como hemos dicho, si se reduce la energía del campo este sufre un proceso de «partición» en distintos campos.  Esto se debe a que se rompen simetrías del campo original y como resultado quedan otras más reducidas.  Como hemos dicho las simetrías están relacionadas con las características y las cargas de los campos, por lo tanto al romperse y generarse distintos campos de uno original lo que sucede es que aparecen nuevas cargas y, consecuentemente, nuevas formas de interacción.  La situación es análoga al caso anterior porque la rotura de simetría hace aparecer nuevas propiedades en el sistema, el agua pasa de líquida a sólida lo que no es un cambio menor.

Como ya hemos indicado, los campos tienen energía, y si la energía disponible es muy alta se presentarán con unas simetrías y por tanto con unas características concretas y si la energía es muy baja las simetrías se rompen y aparecen nuevas propiedades y diferentes campos previamente no existentes.

El Higgs, il cappo della mafia

Nos vamos a centrar en el campo de Higgs porque es el que controla todo el cotarro.  El campo de Higgs es como ese agua que llena el vaso, el universo. Ese campo, del que ya no tenemos duda alguna de su existencia, es singular y especial al compararlo con el resto de campos.  Su presencia dota de masa a las partículas asociadas a distintos campos.

El mecanismo de Higgs ha sido discutido en este blog y en otros lo suficiente como para no insistir en los detalles así que nos dedicaremos al alma del tema.

Vamos a presentar la gráfica de la energía del campo de Higgs y la vamos analizar cualitativamente. Si os pone más algo más duro podéis empezar por aquí: El mecanismo de Higgs para estudiantes de bachillerato I.

Lo que vamos a representar es el valor de campo en referencia a su energía.  Tendremos una superficie que será la que represente los diferentes valores de la energía del campo en función de su configuración, en ningún momento hacemos referencia a posiciones en el espacio, el campo está definido en todo el espacio a la vez y estudiaremos su energía dependiendo de sus características intrínsecas.

La primera imagen que hay que analizar es esta:

Suponemos que la energía disponible es alta.  La energía del medio la hemos representado por la línea roja horizontal. Puede estar ahí o puede estar más arriba. La clave es que en dicha situación el campo se puede encontrar en una configuración interesante, no está en su mínimo de energía pero eso no es un problema porque puede mantenerse en el máximo local en el que se encuentra debido a que tiene mucha energía disponible.

En esta configuración pasan varias cosas interesantes:

1. Los campos electromagnético, débil y fuerte no existen en la forma en la que los conocemos. Están todos amalmagados en un único campo unificado.  Las partículas asociadas a este campo son todas partículas que se mueven a la velocidad de la luz, o como diría un físico partículas sin masa.  Las interacciones que conocemos no existen tampoco porque las cargas son diferentes.  Las cosas interactúan en el universo de formas exóticas y hoy día aún no conocidas en su totalidad.
2. El campo de Higgs en el estado de energía ese no tiene partículas asociadas presentes.

Esta situación es la correspondiente al agua la temperatura que le permite estar en estado líquido.

Supongamos que baja la energía disponible.  Entonces el campo de Higgs, como cualquier otro sistema físico, decaerá a un estado de energía menor.

La descripción de esto es como sigue:

1. Si la energía del medio baja mucho el campo se tiene que acomodar a la nueva situación decayendo a su estado de mínima energía.
2. En el proceso, se rompen diversas simetrías lo que se traduce en que del campo unificado original no queda rastro y aparecen los campos que vemos a nuestro alrededor.
3. Se genera el campo eléctromagnético, el débil y el fuerte. Aparecen por tanto las cargas asociadas a dichos campos y dichas interacciones.
4. Diversas partículas adquieren masa por interactuar con el Higgs.
5. Como premio aparece una partícula asociada al Higgs que es la que detectamos en el LHC confirmando la existencia de dicho campo.

Esta situación es la análoga al paso de agua líquida a hielo. Hay roturas de simetrías y aparecen nuevas características del sistema que no estaban presentes previamente.

El Higgs determina la física de nuestra escala

Este proceso que hemos descrito es interseante por varios motivos.  El Higgs determina la masa de partículas como los quarks y los electrones. También determina la masa de los campos débiles y del campo electromagnético lo que en última instancia se traduce en que la interacción débil es de corto alcance, sus partículas asociadas tienen mucha masa, y el campo electromagnético es de largo alcance, los fotones — sus partículas asociadas — no tienen masa y se mueven a la velocidad de la luz.

Además, dado que determina la masa de los electrones y los quarks este proceso delimita la formación de núcleos y átomos y sus propiedades, lo que en última instancia constriñe la química en toda su extensión.

Todo esto está determinado por la diferencia de energía del máximo local, el estado del Higgs en un entorno de alta energía, y del mínimo global, el estado del Higgs en un entorno de baja energía.  Esta información está codificada de una manera muy retorcida en la masa del Higgs que se mide en los experimentos que ahora sabemos que es de unos .

Una física para gobernarlas a todas

Ya estamos cerca de llegar al nudo del tema que nos hemos planteado.  Cuando hablamos de la física nos podemos referir a dos cosas sutilmente diferentes:

1. Los principios físicos fundamentales que rigen el comportamiento último de los campos que son válidas con toda generalidad pero que se pueden ver modificados según la energía a la que los estudiemos.
2. Las leyes que aparecen en un contexto de baja energía en la que se han roto muchas simetrías y se ha determinado constantes físicas como cargas, masas, etc.

Por tanto, de los mismos principios físicos fundamentales podemos tener diferentes conjuntos de leyes de la física a baja energía.  Si el Higgs tuviera una masa diferente las masas, cargas, interacciones serían diferentes a las que tenemos en nuestro universo.  Es decir, tendríamos leyes de la física y de la química (en caso de que fuera posible) a bajas energías muy diferentes de las que conocemos aunque los principios y la física fundamental sería la misma.  ¡Espectacular!

Para dejarlo claro:

FÍSICA NO HAY MÁS QUE UNA PERO SE PUEDE MANIFESTAR DE DISTINTAS FORMAS DEPENDIENDO DE LA ENERGÍA A LA QUE LA ESTUDIEMOS.

Así cuando un físico discute sobre diferentes conjuntos de leyes físicas hace referencia a la física de baja energía que se extrae de los principios y campos básicos.

Por poner varios ejemplos dramáticos:

Si la masa del Higgs fuera más alta:

• La masa de los quarks sería mayor y los protones y neutrones no serían estables lo que podría comprometer la estructura nuclear.
• La masa de los electrones sería mayor, y suponiendo que se puedan dar núcleos, las distancias y los niveles de energía de los átomos cambiarían (los electrones se acercarían más al núcleo) y con ello toda la química sería diferente.

¿Puede cambiar la física (de bajas energías) de nuestro universo? 

Puede y lo ha hecho en la evolución cosmológica.  El universo era un sitio muy energético en sus inicios, por lo tanto existía una gran unificación de las interacciones. Se supone que muy al principio no solo estaban unificadas el electromagnetismo, la interacción débil y fuerte en un único campo sino que incluso la gravedad estaba unificada en lo que se conoce como una teoría del todo.

Al evolucionar el universo y expandirse la energía disponible fue cada vez menor y se provocaron diferentes cambios de fase con sus respectivas roturas de simetría en las que se generaron los campos que conocemos con las propiedades que conocemos.  En uno de esos cambios de fase el Higgs hizo de las suyas y otorgó la masa que ahora medidos en las partículas y que condicionan gran parte de sus interacciones.

Pero aún puede ocurrir algo similar, el universo sigue en expansión, de hecho acelerada, y la energía sigue disminuyendo.  No sabemos si el campo de Higgs que hemos encontrado está en su mínimo total de energía o hay estados del mismo menos energéticos.  De existir tales estados el Higgs acabará decayendo a ellos y sus partículas asociadas, los bosones de Higgs serán más masivos lo que implicará un desastroso desenlace para nosotros.  La física a bajas energías cambiaría, la química se haría diferente y la vida tendría pocas opciones de subsistir en la forma que conocemos.

Según los estudios realizados hasta la fecha todo parece indicar que nuestro Higgs está en una zona que podría decaer a un valor menor de la energía pero que la diferencia entre dicha energía y la que ahora tiene el Higgs no es muy elevada con lo que la transición pude tardar en ocurrir un tiempo compatible con la vida del universo.

En esta gráfica se hace una comparativa entre la masa del quark top, el mas pesado de los quarks, y la masa del Higgs.  La relación entre ambas da información del perfil de energías del Higgs.  Según el estado actual relativo a las teorías que manejamos y a los hechos experimentales confirmados, el Higgs se encuentra en una zona más o menos segura. Algún día decaerá a un mínimo absoluto de su energía y eso no será muy agradable.  Afortunadamente esto está cogido con alfileres, no estamos seguros de nada en este tema, principalmente porque posiblemente haya física que aún no hemos descubierto que modifique esta conclusión, para bien o para mal.

¿Qué relación tiene esto con el multiverso?

Según se deduce de  la teoría inflacionaria el universo que nos rodea no es más que uno entre un conjunto de universos. La teoría inflacionaria se basa en la existencia de un campo, el inflatón, que sufre un proceso parecido al explicado del Higss.  Al principio ese campo estaba en un estado de alta energía pero pasa espontáneamente a su mínimo de energía.  Resulta que cuando no está en su mínimo el inflatón produce una expansión desmesurada del espacio que ocupa y esa expansión no cesa hasta que el inflatón no llega a su mínimo de energía.

Si la transición ocurre en distintos puntos separadamente se generan distintos universos.

El paso del inflatón de un estado de alta energía a su mínimo no tiene porqué realizarse en todo el espacio en el que está definido. Esa transición puede ocurrir en un pequeño espacio que deja de expandirse exponencialmente y se comporta como un universo ya que al frenarse la expansión la energía sobrante del inflatón se transforma en campos y partículas.  Dependiendo de la diferencia de energía entre el estado inicial y el estado final tendremos unos campos/partículas u otros y diferentes conjuntos de leyes físicas de baja energía. Para más detalles: Tenemos un universo, tenemos un problema.  Si la transición ocurre en distintos puntos separadamente se generan distintos universos.  Además, si el perfil de energías del inflatón es más complicado podemos tener diversos mínimos y en cada una de las regiones donde el inflatón pasa a un mínimo podemos estar en distintos estados y por lo tanto tener distintas leyes físicas a bajas energías.

Todo esto es una pura especulación teórica que aún no sabemos ni tan siquiera si podremos someter a la prueba experimental algún día.

Espero que haya un poco más claro eso de tener distintas leyes de la física. Como veis no es una cuestión esotérica o alejada de la investigación actual.  Hay mucha gente interesada en saber si el Higgs provocará un cambio de leyes de la física de baja energía en nuestro propio universo.  Nos ha quedado en el tintero una cuestión relacionada con estos temas que se origina en la teoría de cuerdas, pero lo dejaremos para un futuro.

Nos seguimos leyendo…