La palabra «multiverso» tiene varios significados en Física Teórica. Mucha gente confunde estos términos, por ello, debo empezar aclarando que en esta entrada el término multiverso significa «multiverso inflacionario» en el contexto de la inflación cósmica eterna. El falso vacío en el «universo preinflacionario» se expande de forma exponencial produciendo infinidad de «universos burbuja» causalmente desconectados entre sí; muchos físicos prefieren llamarlos dominios inflacionarios. El universo observable desde la Tierra es una de estas «burbujas» o dominios. Las leyes físicas no son las mismas en estos dominios, siendo diferentes los valores de sus parámetros (constante cosmológica, tipos de campos, constantes de interacción y masas de las partículas).
¿Esta idea del multiverso es la que tienes en mente? Quizás sí, o quizás no, pero es la idea del multiverso inflacionario. El uso de un balón de fútbol con polígonos coloreados es muy sugerente (aunque olvida el concepto de inflación caótica). La he extraído del artículo de Andrei Linde, «Inflationary Cosmology after Planck 2013,» arXiv:1402.0526 [hep-th], 03 Feb 2014. Recomiendo su lectura a los interesados en este asunto. Por cierto, César Tomé (@EDocet) propuso el término «heteroverso» en «Peces de pecera, hijos del vacío,» Experientia Docet, 07 Feb 2012, para referirse al multiverso inflacionario.
Y recuerda, representar el multiverso inflacionario como un gas lleno de burbujas (algo muy común en divulgación científica con poco rigor) ofrece una imagen intuitiva muy incorrecta. Mucha gente cree que dicha imagen es la que tienen la mayoría de los físicos cuando hablan del multiverso. Pero no es verdad. Permíteme unos párrafos aclaratorios.
Hoy en día ningún físico pone en duda que haya existido la inflación cósmica, pues no tenemos ninguna otra solución razonable que explique por qué el universo observable es plano, homogéneo e isótropo. Además, las predicciones del efecto de la inflación sobre las anisotropías del fondo cósmico de microondas (p.ej. su gaussianidad) han sido corroboradas por múltiples experimentos (COBE, WMAP, Planck, ACT, SPT, etc.). La inflación es necesaria para explicar por qué el universo observable desde la Tierra es tan uniforme, pero además predice que esta uniformidad debe extenderse a todo el universo más allá de lo observable.
Imagina un balón de fútbol formado por polígonos (pentágonos y hexágonos) multicolores. Durante la inflación, el tamaño de cada polígono crece de forma exponencial. El proceso es tan rápido que no hay relación causal entre los polígonos. Quien vive en un hexágono azul creerá que todo el universo es azul. Y lo mismo pensarán lo que están en un polígono de otro color. Los demás polígonos están más lejos de lo que una señal luminosa ha podido viajar desde el comienzo del universo. El color diferente en cada polígono significa que los parámetros de las leyes físicas serán diferentes entre sí. El balón de fútbol es un versión simple del multiverso inflacionario.
Andrei Linde y otros cosmólogos demostraron hace unos 30 años que el balón de fútbol acaba teniendo muchos colores incluso si empieza siendo de un solo color antes de la inflación. Las fluctuaciones cuánticas provocan transiciones de fase en diferentes puntos del falso vacío, provocando la aparición de regiones (causalmente desconectadas) de diferente color. Estos dominios inflacionarios son los «universos burbuja» del multiverso inflacionario.
La idea del balón de fútbol olvida un detalle importante, que la estructura del universo es fractal (la llamada inflación caótica). Una estructura fractal en la distribución de polígonos del balón de fútbol es difícil de dibujar (pues ya no recordaría a un balón de fútbol). Esta figura de arriba trata de dibujar la idea del multiverso fractal (siendo cada color un «universo burbuja» distinto).
En esta representación en forma de «erizo coloreado» del multiverso, las púas de color crecen exponencialmente y en la punta de cada una se alcanza una densidad similar a la de Planck, que se interpreta como un big bang en dicho «universo burbuja». Cada púa tiene su propio big bang y sus propias leyes de la física (materia y campos). Cada dominio inflacionario se comporta como un universo que puede tener una vida finita («dominio inflacionario cerrado» con un big bang seguido de un big crunch) o infinita («dominio inflacionario abierto» con un big bang seguido de una expansión eterna). Por ello, mucha gente dice que multiverso inflacionario está formado por «universos burbuja» como el nuestro, pero quizás es más correcto hablar de regiones causalmente separadas con su propio big bang.
La inflación cósmica, además, es eterna. El multiverso inflacionario es como un «universo» fractal multicolor que crece eternamente. La inflación es un proceso realimentado, que produce «universos burbuja» y falso vacío que continúa de forma eterna produciendo nuevos «universos burbujas» y falso vacío, ad infinitum. Como conté en mi conferencia «Lo que sabemos que no sabemos sobre el big bang» [anuncio en este blog], la teoría del big bang describe lo que le pasa al universo cuando acaba el efecto de la inflación cósmica sobre el universo observable. Antes de la inflación, con rigor, no podemos hablar de la teoría del big bang. El efecto de la inflación en cada universo no es eterno. La expansión exponencial de cada «universo burbuja» se detiene y la expansión sigue la ley de Hubble (con una constante de Hubble diferente en cada uno).
Alan Guth decía en 1982 que «no hay ninguna comida gratis, pero el universo es la comida gratis por excelencia.» Todas las partículas de materia se producen en cada dominio inflacionario cuando se detiene la inflación exponencial . Según Andrei Linde en 1984, «además, el universo inflacionario produce una comida en la que están todos los platos posibles».
Una predicción genérica de los modelos sencillos de la inflación cósmica es que la inflación es eterna A muchos físicos les desagrada pensar que eternamente se están produciendo «universos burbuja» a partir del falso vacío primordial y que en la práctica se producen un número infinito de estos «dominios inflacionarios». No hay ningún tipo de interacción posible entre estos universos burbuja, luego su existencia es imposible de demostrar de forma directa. Por supuesto, hay modelos teóricos «complicados» que apuntan a señales en nuestro universo de la existencia de los «otros» pero dichos modelos están descartados a partir de los datos de Planck.
El debate en este asunto ha llevado al desarrollo durante los últimos 30 años de muchos modelos inflacionarios alternativos. Estos modelos son más complicados y presentan diferentes mecanismos que evitan la inflación eterna y/o la caótica. Su origen fueron los trabajos pioneros de Starobinsky, Chibisov y otros (que trabajaron en inflación antes que Guth inventara el término). Sin embargo, la mayoría de los físicos prefiere los modelos más sencillos basados en la existencia de un campo escalar (como el campo de Higgs), llamado inflatón. Estos modelos fueron introducidos por Guth (que inventó el término inflación cósmica), Linde y otros. Todos los datos cosmológicos actuales (obtenidos por Planck y otros experimentos) apuntan a que estos modelos sencillos son los correctos, descartando la necesidad de modelos más elaborados. La navaja de Ockham ha introducido el inflatón en el modelo cosmológico de consenso.
Un multiverso eterno, sin principio ni fin, con muchos «universos burbuja» (dominios inflacionarios) que tienen un principio y un fin, y otros que sólo tienen principio, parece un regalo para los filósofos y un gran problema para los físicos. Guth y Linde defienden sus ideas contra viento y marea, pues saben que son firmes candidatos a un futuro premio Nobel para la inflación. Sin embargo, durante los últimos 30 años, cientos de físicos han tratado de demostrar que sus ideas son incorrectas, o mejor dicho, que deben ser matizadas. Como pasó con el bosón de Higgs, durante décadas muchos físicos estudiaron cómo evitar la existencia de esta partícula. Al final fue encontrada y miles de artículos en revistas de física acabaron en la basura.
Hoy podría anunciarse una de las grandes noticias científicas del año 2014. La observación del primer modo B primordial en la polarización del fondo cósmico de microondas. Hoy podría ser el día que Guth y Linde reciben el empujón que le llevará a recibir el premio Nobel de Física. Ya os contaré más tarde lo que ocurra.
Gran artículo, Francis, muy ameno. Enhorabuena.
The idea of bubbling of universes is non scientific and I hope that the multiuniverse many won’t last.
But there is something about inflation that kind of bugs me. It makes the universe isotropic, but why the inflation itself be very homogeneous? Like all places «knew» how to work together and synchronize the rate of inflation. There were a lot of foldings, so, some minor violations of homogeneity or self interaction of the field, should be observed at least on some grand scale.
Like, though not certain this one:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hercules%E2%80%93Corona_Borealis_Great_Wall
And this one:
http://en.wikipedia.org/wiki/Huge-LQG
Un mecanismo que crea universos debe consumir mucha energia, de donde sale esa energia? eso del «almuerzo gratis» no es una violación de la ley de la termodinamica?
Hasta donde entiendo yo, la expansión se encuadra en términos generales. Localmente, por la propia evolución de la organización de la materia, puede darse (y por probabilidad, se dará) el caso de grandes cantidades de materia que se acumulan aquí y allá y colisionan o salen disparadas hacia otras zonas por las interacciones gravitatorias entre ellas.
Eso no quita que, a gran escala, se mida dicha expansión. Dicho de otro modo, si tiramos cientos de canicas sobre una lona de goma con direcciones y velocidades aleatorias y la estiramos por cada uno de sus lados, eventualmente podrían chocar entre ellas, pese al estiramiento. Y lo mismo con los agujeros negros: en esa zona, la atracción local podría superar a la inflación global, sin que la refute.
«Las leyes físicas no son las mismas en estos dominios, siendo diferentes los valores de sus parámetros (constante cosmológica, tipos de campos, constantes de interacción y masas de las partículas).»
Tengo la duda de si no tienen por qué ser las mismas u obligatoriamente (por Heisenberg o quien sea) no pueden ser las mismas. También tengo la duda secundaria, como han apuntado arriba, de si en una parcela de universo «desgajada» del resto por la inflación se mantendrían sus constantes, no tendría por qué, o sería imposible que las mantuviera.
Muy buena entrada. Tengo algunos amigos que me preguntan muchas veces cómo puede saber la ciencia que las cosas funcionan aquí igual que en la otra punta del universo y… aún no he encontrado un texto suficientemente llano que explique todo lo que entra en juego para explicarlo, pero al menos éste se le acerca 🙂
Mi duda va por ahí. En cada dominio hay leyes físicas diferentes (entiendo un electromagnetismo distinto, una gravedad distinta, etc), peeeero, la mecánica cuántica que explica este mecanismo inflacionario es común a todos ellos. Sería como la «súper-ley» de la cual emaman todas las demás en todas sus variantes posibles en cada dominio.
Eso me parece muy raro, la verdad.
Yo tampoco entiendo por qué todos los modelos de universo parten de una misma ley cuántica que genera desde el vacío universos inflacionarios en 4 dimensiones y causalmente separados.
Estamos dando por hecho que existen leyes físicas de nuestro universo en el pre-universo ?
¿Por qué no genera albaricoques o figuras geométricas no inflacionarias?
Al final, la hipótesis más coherente me parecen los universos metafísicos de Tegemark.
Enhorabuena por este post y todos los anteriores.
Miguel
Miguel dP, ante la ignorancia, los físicos extrapolamos con cautela. En la escala de Planck no sabemos qué pasa, pero por encima creemos que la relatividad y la cuántica son correctas (hay indicios indirectos de que es así). Por tanto, en el primer millón de millones de unidades de tiempo de Planck todos los físicos pensamos que la relatividad y la cuántica son aplicables. La metafísica se aplica por debajo de la escala de Planck, donde los físicos no sabemos nada.
Otra duda… En las fluctuaciones cuánticas aparecen partículas «de la nada» pero desaparecen en un tiempo tal que se cumple el ppio de incertidumbre en su versión energía-tiempo y así no se crea energía ni materia neta de la nada.
Pero en una fluctuación cuántica del heteroverso que dé lugar a un Big Bang y a un nuevo universo ¿no se crea tanta materia y energía permanentes que contradice los ppios de conservación de ambas?
Gracias.
muy claro la traduccion al castellano del articulo, gracias Francis, lo que no entiendo es porque cada «feta de pelota» tendra leyes y contantes distintas, solamente porque su expansion es superluminica y nunca nos enteraremos que les pasa a esos universos, podrian bien tener nuestras mismas leyes, ahora las «puntas del puerco espin» si lo entiendo que pueden tener parametros diferentes. saludos
¿Y el modelo cosmológico de la eterna inflación favorece a algún modelo de partículas elementales más allá del modelo estándar?
No me queda claro si en el modelo de multiverso fractal (el erizo) hay un primer gran big bang en el centro del erizo, y luego big bangs menores en las puntas de las púas que crean universos aislados.
A ese erizo me lo imagino burbujeando de una manera que sólo se puede lograr con una buena dosis de LSD o con un excelente software de animación XD
Una duda que tengo es que: si el tiempo comienza en cada universo con su respectivo Big Bang, ¿cómo se puede afirmar que el proceso de inflación (creo que me estoy liando con los términos) es eterno? Tomando en cuenta que la «eternidad» es una escala de tiempo que tiende a + – infinito.
Otra pregunta: Se explica que cada universo serían regiones causalmente separadas entre sí, y que un requisito para dicha separación es que cada región está conformada únicamente por el universo observable… ¿desde la perspectiva de quien?
Igual y me estoy equivocando, pero: Desde la Tierra sólo podemos observar el Universo («nuestra» región causalmente separada de las demás) hasta una distancia máxima de 13800 millones de años luz, obviamente siendo estas regiones observadas con la edad que tenían entonces. Por lo tanto, regiones más alejadas pero que hipotéticamente pueden ser alcanzables (incluso moviéndose a la velocidad de la luz, puesto que entiendo que el universo se expande a una velocidad menor), ¿serían esas regiones los otros universos con leyes distintas a las del nuestro?
Ahora, esto es colocando a la Tierra como centro geométrico, puesto que la Tierra es el centro geométrico de lo que podemos observar puesto que es el centro geométrico de la luz que ha llegado hasta nosotros.
En ese caso, ¿cada estrella del universo es un centro geométrico de su propio universo? Un observador a 1000 millones de años luz de distancia, al cual puede llegarle perfectamente la luz de nuestra galaxia, y que por lo tanto, esta causalmente unido a ella, ¿puede llegarle luz que no nos llega a nosotros y, por lo tanto, estar causalmente unido a regiones a las que nosotros no?
Saludos.
Mike, «si el tiempo comienza en cada universo con su respectivo Big Bang, ¿cómo se puede afirmar que el proceso de inflación es eterno?» Aquí hay una confusión con los términos. La «nueva» teoría del big bang inventada c. 1980 es que hay «fluctuación cuántica» + «inflación eterna» + «antiguo big bang para cada universo». Entonces el tiempo comienza con el «nuevo big bang», pero no comienza con el «antiguo big bang de cada universo».
«Cada región está conformada únicamente por el universo observable… ¿desde la perspectiva de quien?» Bueno cada universo es más grande que la parte observable para cada observador. En el balón de fútbol, el universo observable desde la Tierra es una trocito de un polígono del balón. No te confundas y creas que es todo el polígono.
«Desde la Tierra sólo podemos observar el Universo hasta una distancia máxima de 13800 millones de años luz». No, esto es incorrecto porque olvidas la inflación. El universo observable desde la Tierra tiene un tamaño de unos 50000 millones de años luz (depende del valor de la constante de Hubble que se tome).
«Regiones más alejadas ¿serían los otros universos con leyes distintas a las del nuestro?» No, esto es incorrecto. Piensa en la púa del erizo. Esas regiones que dices están todas en la punta de la púa (todo «nuestro» universo), pero la púa es muy larga y se conecta con el «cuerpo» del erizo de donde salen otras púas. No sé si me explico bien.
«¿cada estrella del universo es un centro geométrico de su propio universo?» No, también te equivocas. Cada universo no tiene centro. ¿Dónde está el sur del polo sur de la Tierra? Esta pregunta es la misma que decir ¿dónde está el centro de cada universo?
«Un observador a 1000 millones de años luz de distancia…¿puede llegarle luz causalmente unido a regiones a las que nosotros no?» No. No puede llegarle ninguna señal de otro universo. Sólo ve un trozo de la «punta de la púa» diferente al que vemos nosotros. Pero no puede ver nada de otra punta de otra púa.
No sé si me explico. Estas cosas son difíciles de imaginar, pero la matemática es sencilla.
Saludos
Francis
Ok, creo que ya te voy entendiendo. Si, creía que el universo observable era el polígono entero del balón, y como había leído cifras para la «circunferencia» del universo de hasta 93000 y 530000 millones de años luz, imaginaba que el «balón» entero era un único universo que medía todo eso.
Dices que el universo observable se extiende hasta 50000 millones de años luz, ¿eso vendría a ser el «radio» de la radiación de fondo de microondas? Entiendo que por la inflación, el espacio «arrastre» la luz consigo y por eso los objetos que emitieron luz hace 13800 millones de años se encuentren ahora a 50000 millones de años luz de distancia.
Ahora, tengo entendido que el tiempo comenzó en nuestro universo con el big bang. ¿Esto significa que el multiverso inflacionario tiene su propio tiempo independiente de los otros universos menores? Supongo que incluso teniendo el multiverso inflacionario su propio origen, este tendería al infinito desde la perspectiva de los universos menores… o me estoy liando otra vez.
Tomando en cuenta que cada universo es una punta de púa, ¿qué son los cuerpos de las púas? ¿extensiones tan inmensas que permiten que las leyes cambien de un universo a otro? ¿Son el pasado de cada una de las púas? ¿Es a eso a lo que te refieres como «falso vacío»?
Ahora, si el universo es plano, significa que si avanzamos en línea recta, ¿no llegará un momento en que le «demos la vuelta» al universo? Supongo que incluso viajando a la velocidad de la luz, el universo moriría antes de terminar de «darle la vuelta». Habría que moverse más rápido que lo que se expande el propio espacio tiempo. Suponiendo que sea posible, ¿qué ocurriría? ¿Se le «daría la vuelta» al universo? ¿Se comenzaría a mover uno por el cuerpo de la púa?
En cuanto a que cada estrella era el centro de su propio universo, me refería al observable, a que era el centro geométrico de lo que se puede observar desde allí, pero cometí el error de omitir la palabra «observable». Pero bueno, ya aclaraste que una punta de púa no ve nada de lo que ocurre en otra.
Saludos, y gracias por responder XD
Nicolás de Cusa no se, no lo he leído, pero Giordano Bruno a su manera menciona un multiverso dado que habla de «infinitos mundos» y por mundo se entendía por entonces todo lo conocido: la Tierra, el sol, los planetas y las estrellas visibles. Hoy todo lo conocido es el Universo, con sus galaxias y el espacio entre ellas, por tanto el multiverso es la misma idea actualizada: que el espacio es infinito, no se acaba nunca y está lleno de universos. Bruno no podía hablar de infinitos «universos» dado que pensaba que el universo (el nuestro) es estacionario, sin principio ni final, sin origen, sin big bang, y que se extiende infinitamente, por tanto según eso hubiera sido absurdo decir que hay otros universos.
No me expliqué bien. Por supuesto Bruno no decía que hubiera otros universos, aunque eso creo haberlo aclarado en la segunda parte de mi comentario. Lo que yo digo es que al rechazar el modelo aristotélico de un universo-esfera limitado, abre la posibilidad de «otros mundos» en el sentido de otras tierras girando alrededor de otros soles. Nuestra visión actual de un universo «esférico» en expansión sería el equivalente al universo aristotélico, fuera del cual no tiene sentido hablar de espacio, materia o tiempo. Por tanto es una analogía: los mundos brunianos serían al modelo aristotélico lo que los universos múltiples al modelo cosmológico actual.
Este cambio de paradigma, si se confirmara, no sería diferente al que supuso asumir que la Vía Lactea es una galaxia más entre millones. Bueno, en realidad habría diferencias significativas, porque las galaxias son todas más o menos similares, pero los universos múltiples tendrían leyes físicas distintas … de eso no puedo decir mucho.
Habría que aclarar si multiverso es el conjunto de todo, que comprende a los hipotéticos múltiples universos, o si llamamos a cada universo «multiverso» por ser múltiples dichos universos.
Hay varios puntos en el tema de la inflación que me son difíciles de entender.
Se supone que la inflación se produce en la zona del multiverso, o heteroverso, en la que existe el falso vacío. Pero parece ser que es en el límite de la burbuja donde se crea la materia que da lugar a nuestro universo. ¿No llevaría esto a pensar que el proceso de creación de materia no se ha detenido y que de hecho sigue ocurriendo en este límite?
Tampoco me queda claro la velocidad a la que se agranda el borde de la burbuja una vez ésta se ha producido, ¿puede ser a la velocidad de la luz?, ni si ésta es la velocidad a la que se sigue moviendo.
Otra cosa que no entiendo es que si se supone que nuestro universo es todo lo que se encuentra dentro de nuestra burbuja y solo eso, y que es en el exterior de la misma en donde se produce la inflación exponencial, ¿en qué momento se supone que nuestro universo ha pasado por esa etapa inflacionaria si la inflación queda siempre fuera de él?
Saludos.
Paprivi, el «proceso de creación de materia» no ocurre en la inflación. Las partículas son excitaciones de los campos cuánticos y la inflación acaba cuando el campo inflatón se desexcita, transfiriendo su excitación a los otros campos cuánticos, que se excitan produciendo partículas.
«La velocidad a la que se agranda el borde de la burbuja» es un concepto que no tiene sentido físico. Se habla de expansión ultrarrápida y se dice que la constante de Hubble mide la «velocidad» de la expansión, pero es un abuso del lenguaje, pues hace pensar en la velocidad de un objeto en el espacio y no tiene nada que ver. Uno, las burbujas no tienen borde. Dos, no se puede hablar de velocidad a la que se agranda la burbuja. Y tres, la palabra «burbuja» hay que entrecomillarla.
«¿En qué momento (…) ha pasado por esa etapa inflacionaria?» En cosmología se utilizan como sistema de referencia las llamadas coordenadas comóviles, que asumen que durante la expansión cósmica las galaxias (distantes entre sí) ocupan posiciones fijas. El tiempo propio en este sistema de referencia se utiliza para medir todos los tiempos hasta incluso antes de que aparecieran las galaxias y tiene un punto t=0 (con un error igual al tiempo de Planck).
«Si la inflación queda fuera de él…» No tiene sentido físico el concepto «fuera».
Respecto al famoso principio antrópico, me quedaría con estas frases del artículo de Andrei Linde:
16 Inflationary multiverse, string theory landscape and the anthropic principle
«[ ] the process of eternal inflation begins, which eventually produces an inflationary multiverse consisting of all possible dS states. This suggests that all initial conditions that allow life as we know it to exist, inevitably lead to formation of an eternally inflating multiverse.»
Yo diría más bien: an eternally inflating multiverse inevitably lead to formation of all initial conditions that allow life as we know it to exist. Pero cambiaría «inevitably» por «occasionally», si bien en cualquier caso estamos aquí vivos, así que si vivimos en un multiverso la probabilidad de que en dicho multiverso se den las condiciones cosmológicas adecuadas para la vida es en todo caso p > 0.
«we find ourselves inside a part of the universe with our kind of physical laws, matter abundance and the large-scale structure not because the parts with dramatically different properties are impossible or improbable, but simply because we cannot live there.»
Hola. ¡Felicidades a Francis por el excelente artículo! Soy un completo amateur en esto, pero me gustaría comprender algo: Entiendo que a partir de del 17 de marzo se tiene prueba a favor de la inflación de nuestro universo, pero no entiendo cómo es que de de esto se pasa a suponer el multiverso y los universos burbujas. Se reconoce que, de haberlos, no habría interacción cuasal entre los universos burbuja y por lo tanto su demostración sería imposoble. Entonces, ¿cual es la base para suponer que existen y que el proceso de su generación es eterno? Agradeceré me lo puedan explicar con «manzanitas», muchos curiosos de mi corta talla se los agradeceríamos. A un mes de la noticia espero que mi comentario no esté muy a destiempo.
Se afirma en el artículo que «Hoy en día ningún físico pone en duda que haya existido la inflación cósmica, pues no tenemos ninguna otra solución razonable que explique por qué el universo observable es plano, homogéneo e isótropo»…. pero, la métrica de Senovilla ¿no defiende un universo sin big bang y sin inflación?
Muy buenos los artículos. En el campo de la física cosmológica parece que » Estamos encerrando una joya en un estuche que no está diseñado para ella» Sin embargo así avanza la ciencia