Alguna gente teme el hecho de que la física moderna proclama que ciertas cosas – quizá el Universo completo – pueden de hecho surgir de la nada por procesos naturales. Este documento es un intento de recopilar citas que explican como se supone que funciona este proceso.

Eventualmente, me gustaría escribir un artículo evaluando el valor de las fluctuaciones del vacío cuántico como medio de producir universos, pero por el momento, dejaré a los científicos hablar por sí mismos y dejar la evaluación al lector.

Última Actualización 2-22-1998.

Fluctuaciones de Vacío y Partículas Virtuales

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· En el mundo corriente, la energía es inalterablemente fija; la Ley de Conservación de la Energía es una piedra angular de la Física Clásica. Pero en el micromundo cuántico, la energía puede aparecer y desaparecer de ninguna parte de una forma espontánea y totalmente impredecible. (Davies, 1983, 162)

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· El Principio de Incertidumbre implica que las partículas pueden hacerse reales durante cortos periodos de tiempo incluso cuando no hay suficiente energía para crearlas. En efecto, son creadas a partir de incertidumbres en la energía. Se podría decir que piden “prestada” brevemente la energía requerida para su creación, y luego, un tiempo más tarde, saldan su “deuda” desapareciendo de nuevo. Dado que estas partículas no tienen una existencia permanente, se las conoce como partículas virtuales. (Morris, 1990, 24)

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· Incluso aunque no podemos verlas, sabemos que estas partículas virtuales están “allí de verdad” en el espacio vacío debido a que dejan rastros detectables de su actividad. Un efecto de los fotones virtuales, por ejemplo, es producir una minúscula desviación de los niveles de energía de los átomos. También pueden ser causas de diminutos cambios en los momentos magnéticos de los electrones. Estas pequeñas pero significativas alteraciones han sido medidas con precisión usando técnicas espectroscópicas (Davies, 1994, 32)

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· [Los pares de partículas virtuales] se predice que tienen un efecto calculable sobre los niveles de energía de los átomos. El efecto esperado es insignificante – solo de una parte en mil millones, pero ha sido confirmado experimentalmente. En 1953 Willis Lamb midió este estado de energía excitada para un átomo de hidrógeno. Se le conoce también como desplazamiento de Lamb. La diferencia de energía pronosticada por los efectos del vacío en los átomos es tan pequeña que solo es detectable como una transición a frecuencias de microondas. La precisión de las medidas de microondas en tan grande que Lamb fue capaz de medir un desplazamiento de 5 dígitos significativos. Posteriormente recibió el Premio Nobel por este trabajo. No quedan dudas sobre que las partículas virtuales están allí de verdad. (Barrow & Silk, 1993, 65-66)

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· En la física moderna, no existe una cosa como “la nada”. Incluso en un vacío perfecto, hay pares de partículas virtuales en constante creación y destrucción. La existencia de estas partículas no es una ficción matemática. Aunque no pueden observarse de forma directa, los efectos que crean son bastante reales. El supuesto de que existen lleva a la predicción que ha sido confirmada por experimentos en un alto grado de precisión. (Morris, 1990, 25)

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Fluctuaciones del Vacío y el Origen del Universo

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· Hay algo así como 10⁸⁵ partículas en la región del espacio que podemos observar. ¿De dónde vinieron?. La respuesta es que, en la Teoría Cuántica, las partículas pueden crearse a partir de energía en la forma de un par partícula-antipartícula. Pero esto solo cambia la pregunta a de dónde vino la energía. La respuesta es que el total de energía del Universo es exactamente cero. La materia del Universo está hecha de energía positiva. Sin embargo, toda la materia se atrae por la gravedad. Dos trozos de materia que están cerca uno de otro tienen menos energía que los mismos dos trozos alejados uno de otro, debido a que gastas energía en separarlos contra la fuerza de la gravedad que tira de ellos intentando unirlos. Hasta aquí, en cierto sentido, el campo gravitatorio tiene energía negativa. En el caso del Universo que es aproximadamente uniforme en el espacio, se puede demostrar que la energía gravitatoria cancela exactamente la energía positiva representada por la materia. Por lo que la energía total del Universo es cero. (Hawking, 1988, 129) [Gracias a Ross King por esta cita]

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· Aún hay una extraordinaria posibilidad, que es la creación de materia a partir de un estado de energía cero. Esta posibilidad surge debido a que la energía puede se positiva o negativa. La energía del movimiento o la energía de la masa siempre es positiva, pero la energía de atracción, como la debida a ciertos campos electromagnéticos o gravitatorios, es negativa. Se pueden dar circunstancias en las que la energía positiva que va a crear la masa de la partícula creada recientemente sea contrarreste exactamente con la energía negativa de la gravedad o electromagnetismo. Por ejemplo, en la vecindad de un núcleo atómico el campo eléctrico es intenso. Si un núcleo que contiene 200 protones pudiera ser creado (posible pero difícil), entonces el sistema se haría inestable contra la producción espontánea de pares electrón-positrón, sin ninguna entrada de energía en absoluto. La razón es que la energía eléctrica negativa puede contrarrestar exactamente la energía de las masas.
En el caso gravitatorio la situación es aún más estrambótica, ya que el campo gravitatorio es una espacio curvado. La energía encerrada en un espacio curvado puede convertirse en partículas de materia y antimateria. Esto tiene lugar, por ejemplo, cerca de un agujero negro, y fue probablemente también la fuente más importante de partículas durante el Big Bang. Así pues, la materia aparece de forma espontánea del espacio vacío. La cuestión que surge entonces es, ¿tenía la explosión inicial energía, o el Universo está en un estado de energía cero, con la energía de toda la materia cancelada por la energía negativa de la atracción gravitatoria?

Es posible aclarar el tema con un simple cálculo. Los astrónomos pueden medir la masa de las galaxias, su separación media, y su velocidad de recesión. Colocando estos números en una fórmula obtenemos como resultado una cantidad que algunos físicos han interpretado como la energía total del Universo. La respuesta efectivamente es que se hace cero con la precisión de las observaciones. La razón para los distintos resultados ha sido un continuo enigma para los cosmólogos. Algunos han sugerido que hay un profundo principio cósmico funcionando que requiere que el Universo tenga exactamente una energía cero. Si esto es así el cosmos puede entonces seguir el camino de menor resistencia, llegando a existir sin necesidad de aportes de materia o energía. (Davies, 1983, 31-32)

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· Una vez que nuestra mente acepta la mutabilidad de la materia y la nueva idea del vacío, podemos especular sobre el origen de lo más grande que conocemos – el Universo. Puede ser que el mismo Universo saltara a la existencia de la nada – una gigantesca fluctuación que conocemos hoy día como Big Bang. Extraordinariamente, las leyes de la física moderna permiten esta posibilidad. (Pagels, 1982, 247)

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· En la Relatividad General, el espacio-tiempo puede estar vacío de materia o radiación y aún contener energía almacenada en su curvatura. Fluctuaciones cuánticas aleatorias incausadas en un espacio-tiempo liso y sin rasgos pueden producir regiones locales con curvatura positiva o negativa. Esto es la llamada “espuma espacio-temporal” y las regiones son llamadas "burbujas de falso vacío". En los lugares donde la curvatura es positiva aparece una burbuja de falso vacío, que de acuerdo con las Ecuaciones de Einstein se infla exponencialmente. En 10^-42segundos la burbuja se expandirá al tamaño de un protón y la energía almacenada será suficiente para producir toda la masa del Universo.

Las burbujas comienzan sin materia, radiación, o campos de fuerza y con máxima entropía. Contienen energía en su curvatura y por esto son “falso vacío”. Cuando se expanden, la energía almacenada se incrementa de forma exponencial. Esto no viola la conservación de la energía dado que el falso vacío tiene presión negativa (créeme, todo esto se desprende de las ecuaciones que escribió Einstein en 1916) por lo que la burbuja expansiva hace el trabajo en sí misma.
Cuando la burbuja Universo se expande, tiene lugar un tipo de fricción en el cual la energía se convierte en partículas. La temperatura entonces cae y tienen lugar una serie de procesos espontáneos de ruptura de la simetría, como en un imán enfriado por debajo del punto de Curie y aparecen una estructura esencialmente aleatoria de partículas y fuerzas. La inflación se detiene y nos movemos en el más familiar Big Bang.

Las fuerzas y partículas que aparecen son más o menos aleatorias, gobernadas solo por principios de simetría (como los principios de conservación de energía y momento) que no son producto del diseño sino más exactamente de la ausencia de diseño.

Las llamadas “coincidencias antrópicas”, en las que las partículas y fuerzas de la física parecen estar “ajustadas en detalle” para la producción de carbono en el que se basa la vida se explican por el hecho de que la espuma espacio-temporal tiene un infinito número de Universos estallando, cada uno diferente. Nosotros simplemente hemos aparecido en uno donde las fuerzas y partículas permiten en sí mismas la generación de carbono o los átomos con la complejidad necesaria para evolucionar la vida y los organismos pensantes. (Stenger, 1996)

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· ¿Dónde estaba toda la materia y radiación del Universo antes de aparecer? Recientes investigaciones muy intrigantes de físicos teóricos como Steven Weinberg de Harvard y Ya. B. Zel'dovich en Moscú sugieren que el Universo comenzó como un vacío perfecto y que todas las partículas y materia del mundo se crearon por la expansión del espacio...

Piensa en el Universo inmediatamente después del Big Bang. El espacio está expandiéndose violentamente con un vigor explosivo. Hasta ahora, como hemos visto, todo el espacio bulle con pares virtuales de partículas y antipartículas. Normalmente, una partícula y antipartícula no tienen problema en desaparecer juntas en un intervalo de tiempo...lo bastante corto como para que la conservación de la masa se satisfaga bajo el principio de incertidumbre. Durante el Big Bang, sin embargo, el espacio se expandía tan rápido que las partículas fueron empujadas rápidamente lejos de sus correspondientes antipartículas. Privadas de la oportunidad de recombinarse, estas partículas virtuales se convirtieron en partículas reales del mundo real. ¿De dónde vino la energía para permitir esta materialización?.
Recuerda que el Big Bang era similar al centro de un agujero negro. Por lo tanto había un enorme suministro de energía gravitatoria asociada con la intensa gravedad de esta singularidad cósmica. Este recurso proporciona abundante energía como para llenar completamente el Universo con todos lo tipos de partículas y antipartículas imaginables. Así pues, inmediatamente tras el tiempo de Planck, el Universo se inundó con partículas y antipartículas creadas por la violenta expansión del espacio. (Kaufmann, 1985, 529-532)

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· ...la idea de una Primera Causa huele a chamusquina a la luz de la moderna Teoría de la Mecánica Cuántica. De acuerdo con la interpretación más comúnmente aceptada de la mecánica cuántica, las partículas subatómicas individuales pueden comportarse de forma impredecible y son numerosos los eventos incausados y aleatorios. (Morris, 1997, 19)

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Referencias

· Barrow, John D. & Silk, Joseph. 1993. The Left Hand of Creation. London: J.M. Dent & Sons.
· Davies, Paul. 1983. God and the New Physics. London: J.M. Dent & Sons.
· Davies, Paul. 1994. The Last Three Minutes. New York: BasicBooks.
· Hawking, Steven. 1988. A Brief History of Time. Toronto: Bantam.
· Kaufmann, William J. 1985. Universe. New York: W.H. Freeman & Co.
· Morris, Richard. 1990. The Edges of Science. New York: Prentice Hall.
· Morris, Richard. 1997. Achilles in the Quantum World. New York: Henry Holt & Co.
· Pagels, Heinz. 1982. The Cosmic Code. Toronto: Bantam.
· Stenger, Victor. 1996. Posting on DEBATE list (19 Mar)

Autor: Mark I. Vuletic
Traductor: Manuel Hermán
Site: infidels.org