NeoFronteras

Tridimensionalidad espacial, inflación cosmológica y nudos

Área: Física — domingo, 5 de noviembre de 2017

Proponen que los nudos formados a partir de tubos de flujo pueden explicar por qué vivimos en un universo con tres dimensiones espaciales y cómo se alimentó la inflación cosmológica.

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Vivimos en un Universo que tiene tres dimensiones espaciales. Podría tener más o podría tener menos, pero la Física entonces sería muy distinta. No sabemos por qué se eligió ese número de dimensiones en concreto.

Por otro lado, el Universo experimento un inflación cósmica al poco de nacer durante la cual multiplicó su tamaño en muchos órdenes de magnitud. Una esfera de universo equivalente al diámetro de un protón se habría hinchado hasta alcanzar el tamaño de un pomelo en menos de una billonésima de segundo.

La inflación es la manera más plausible de explicar la planitud, isotropía y homogeneidad del Universo. Pero el mecanismo tradicional propuesto sobre cómo se produce la inflación es un tanto sospechoso. Los teóricos se sacaron un campo escalar de la manga para producir esa inflación. Y si hay un campo cuántico entonces tiene que haber una partícula asociada al mismo: el inflatón. Pero este bosón se crearía a tal nivel de energía que básicamente no es falsable por los restos de los restos amen.

Hay muchas variantes de la teoría inflacionaria o incluso teorías que no necesitan de la inflación. Lo que sí está asentado es la teoría cuántica de campos. El espacio está lleno de campos cuánticos. Cuando se excita localmente el campo cuántico con energía se produce una ondulación a la que llamamos partícula. Los distintos campos cuánticos están conectados entre sí, de tal modo que la energía de un campo puede pasar a otro. Esto es lo que ocurre cuando una partícula se desintegra en otras.

Algunos de esos campos cuánticos permiten la existencia de lo que llamamos un protón. Se suele decir que un protón no es más que dos quarks up y un quark down unidos entre sí por gluones, que son los bosones mediadores de la fuerza fuerte.

En realidad, un protón es una sopa de quarks y gluones cuya masa viene en gran medida dada por la energía de ligadura que proporcionan los gluones, pues esos tres quarks son mucho más ligeros que la masa del protón. Lo que llamamos protón está constituido, en promedio y principalmente, de los quarks y gluones antes mencionados, pero hay muchas más partículas oscilando de un campo a otro. Un simple protón es un sitio un tanto movido.

La fuerza fuerte es de corto alcance, por eso no se ve su acción fuera del núcleo atómico. Además, los quarks no pueden estar solos, se presentan por parejas (mesones) o por tríos (bariones), aunque ya hay pruebas de la existencia de los pentaquarks. Pero nunca aparecen en solitario.

La razón por la que no hay quarks solitarios es que cuando uno intenta romper una agrupación de quarks tiene que meter tanta energía que ese aporte de energía permite la creación de más quarks. Los gluones mantienen los quarks unidos a través de “hebras flexibles” de energía a las que se llama tubos de flujo. Cuando se intenta separar dos quarks, el tubo de flujo se hace cada vez más largo hasta que llega a un punto en el que se rompe. Cuando eso sucede, libera energía suficiente como para producir otro par de quarks.

Arjun Berera (University of Edinburgh), Roman Buniy (Chapman University), Heinrich Päs (University of Dortmund), João Rosa (Universidade de Aveiro) y Thomas Kephart (Vanderbilt University) han tomado el problema de la inflación y el de un Universo tridimensional y lo han solucionado con tubos de flujo y una rama de las Matemáticas curiosa: la teoría de nudos. De paso se cargan la necesidad del inflatón. Este grupo de investigadores viene trabajando en esta teoría desde 2012.

Usted, amigo lector, lo habrá notado. Si no tiene cuidado con los auriculares, puede que estos terminen con los cables enredados de mala manera. Luego tendrá que gastar un tiempo en desenredarlos. El problema es que se han formado nudos. Si no fuera por los nudos, seria trivial desenredar el cable de unos auriculares. Esto se debe a que el cable vive en un espacio tridimensional. Los nudos se forman en espacios de 3 dimensiones, pero no en espacios de dimensiones inferiores o superiores. El espacio tridimensional es único porque sólo él es capaz de albergar nudos en su seno.

Según las actuales teorías, el Universo primigenio partió de un estado conocido como sopa de plasma de quarks y gluones. Estado que fue recreado con éxito en 2005 en colisionador de iones pesados de Brookhaven National Laboratory.

Estos investigadores se dieron cuenta de que este plasma sería un medio ideal para la formación de tubos de flujo en el Universo primigenio, así que debía de estar lleno de estos tubos, pues pares de quarks y antiquarks se creaban expontaneamente y se aniquilaban en esos momentos, lo que debía de crear miriadas de estos tubos.

En condiciones normales, estos tubos que unen quarks desaparecen cuando dos partículas de este tipo se aniquilan, pero cuando forma un nudo se estabiliza y vive muchos más que las partículas que lo crearon. Si una partícula recorre una trayectoria específica, el tubo de flujo puede formar, por ejemplo, un nodo trifolio. Como resultado, el tubo anudado seguirá existiendo incluso después de que las partículas que unía se hayan aniquilado entre sí. El caso más sencillo es el eslabón de Hopf, que son dos circunferencias entrelazadas de la forma más sencilla. Por tanto, el Universo en esa época estaría lleno de una red tupida de tubos de flujo anudados entre sí formando lo que se puede llamar un “tejido”.

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Cuando estos investigadores calcularon cuánta energía podría contener dicha red de nudos, descubrieron con sorpresa que habría suficiente como para alimentar el periodo inflacionario. Esto solucionaría el misterio del origen de la energía que habría alimentado la inflación y que ya no provendría del discutible campo escalar.

Esta idea, además de proporcionar la energía necesaria para alimentar la inflación, también proporciona un mecanismo que explica su detención abrupta. Según el universo se iba expandiendo brutalmente durante la inflación, la red de tubos de flujos comenzó a decaer hasta que se rompió totalmente, eliminando así la fuente de energía que habría estado alimentando la inflación hasta ese momento. Según se rompía, iba llenado el espacio recién creado con un gas de partículas y radiación, lo que permite una evolución del Universo según un Big Bang estándar a partir de ese momento.

Aunque la tridimensionalidad del espacio es un misterio desde hace ya mucho tiempo, hay muy pocos estudios que lo aborden. Lo interesante es que esta teoría proporciona una explicación natural al espacio tridimensional. La inflación estuvo limitada a tres dimensiones porque si hubiera dimensiones adicionales no habrían permitido la formación de nudos de tubos de flujo, nudos que tampoco se forman en 2 dimensiones espaciales o menos.

Los investigadores esperan ahora desarrollar más su teoría hasta que puedan hacer predicciones que puedan ser contrastadas con la realidad y ser así falsable.

Así que, amigo lector, la próxima vez que vea a su madre o a su abuela tejiendo piense que, quizás, el Universo y usted mismo, deban su existencia a un proceso similar.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5806

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Copia en ArXiv.
Imágenes: Thomas Kephart/Vanderbilt University y Wikipedia.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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4 Comentarios »

  1. Tomás:

    Bueno. Le preguntaré a mi abuela que ha de estar en otra dimensión, porque no he entendido apenas nada.
    Aun así agradezco la molestia que Neo se toma para hacerme/nos comprender lo compeljísima que es la realidad. ¡Jo, con lo fácil que es la Biblia!

  2. lluís:

    ¿la reoría de nudos descarta que se puedan formar nudos en espacios de dimensionalidad superior a 3 ?

    ¿Esas “hebras flexibles” que forman los tubos de flujo están hechas de gluones libres?

    Este modelo de universo se parece un tanto a los modelos tipo “bucles-ramificados” al estar constituído el espaciotiempo por miríadas de tubos de flujo anudados entre sí; en principio, por tanto,el tiempo podría ir hacia atás y hacia adelante. Por los dibujos no parece que los “tubos de flujo” se inflen ni se contraigan, permanecerían estables, con una energía que ni crece ni decrece. Si esto fuera así, que muy probablemente sea que no. ¿ Qué pasa con la entropía-flecha del tiempo, al menos en esa fase tubular?.

  3. NeoFronteras:

    Según la teoría de nudos, estos sólo existen como tales en codimensión 2 (3 dimensiones en los que están embebidos y 1 dimensión la hebra que hace el nudo). Por debajo no hay grados de libertad suficientes para formarlos y por encima hay tantos que se deshacen solos. Pero también es verdad que puede haber extensiones de esta idea en la que objetos de 2 dimensiones se “anuden” en un espacio tetradimensional y así sucesivamente.

    En cuando a la teoría del post, no es tan exótica como parece, pues se basa en teoría de cuántica de campos estándar. Los autores no dicen nada acerca de la flecha del tiempo. En todo caso es muy interesante.

  4. JavierL:

    Me queda la duda, entonces ¿el rompimiento de todos estos nudos es lo que libera la energía para la inflación? Ya que explica que se detenga la inflación cuando se acaban los nudos

    La verdad la imaginación no me da para un universo de 7 dimensiones así que no puedo imaginar si un cable de 7 dimensiónes se puede anudar sobre si mismo… Y me imagino que la demostración sea matemática, pero de deja de ser llamativo que solo sea posible un nuevo en las 3 dimensiones.

    Así que un universo de más o menos dimensiones no tendría inflación al no tener estos nudos, ¿haría eso que colapsara de nuevo y volviera a resetearse hasta que surja con 3 dimensiones?

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