Para aquellos de nosotros preocupados porque el mundo de alguna manera quedó atrapado en la línea de tiempo incorrecta, relájense: los científicos ahora dicen que en realidad, valga la redundancia, podría haber dos realidades.

Crédito: MysteryPlanet.com.ar.

Mientras estudiaban flujos hidrodinámicos en diversos materiales para simular fenómenos astrofísicos, dos investigadores de la Universidad de Maryland se dieron cuenta que el cambio de comportamiento de la electricidad cuando dos hojas grafeno interactúan podría reinterpretarse como la física de dos universos bidimensionales donde los electrones ocasionalmente saltan entre universos.

La pareja comenzó a generalizar las matemáticas para aplicarlas a universos hechos de cualquier número de dimensiones —incluido el nuestro propio de cuatro dimensiones— y a explorar si un fenómeno similar resultante de patrones muaré (un patrón de interferencia que se forma cuando se superponen dos rejillas de líneas) podría aparecer en otras áreas.

Siguiendo por ese camino, la línea de investigación puso a los científicos cara a cara con uno de los principales problemas de la cosmología.

«Discutimos si podemos observar la física muaré cuando dos universos reales se fusionan en uno», señaló el coautor Alireza Parhizkar. «Pero para responder eso primero hay que conocer la escala de longitud de cada universo».

Longitud de Planck

Una escala de longitud —o una escala de un valor físico en general— describe qué nivel de precisión es relevante para lo que sea que esté mirando. Si está aproximando el tamaño de un átomo, entonces importa una diez mil millonésima parte de un metro, pero esa escala es inútil si está midiendo un campo de fútbol porque está en una escala diferente. Las teorías de la física ponen límites fundamentales a algunas de las escalas más pequeñas y más grandes que tienen sentido en nuestras ecuaciones.

En esta fotografía digital se puede apreciar el patrón de muaré en la puerta metálica del garaje. En las ciencias se utilizan estos patrones, puesto que los mismos generan un cambio drástico en las propiedades del material cuando se forman con un material bidimensional, para generar una celda cristalina nueva. El ejemplo más famoso de esto es el grafeno rotado, el cual adquiere propiedades de superconductividad.

La escala del universo que preocupaba a Galitski y Parhizkar se llama longitud de Planck, y define la longitud más pequeña que es consistente con la física cuántica. Está directamente relacionada con una constante, llamada constante cosmológica, que está incluida en las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein. En las ecuaciones, la constante influye en si el universo —fuera de las influencias gravitatorias— tiende a expandirse o contraerse.

Esta constante es fundamental para nuestro universo. Entonces, para determinar su valor, los científicos, en teoría, solo necesitan mirar el universo, medir varios detalles, como qué tan rápido se alejan las galaxias, conectar todo en las ecuaciones y calcular cuál debe ser la constante.

Catástrofe del vacío

Pero este sencillo plan se enfrenta a un problema porque nuestro universo contiene efectos tanto relativistas como cuánticos. El efecto de las fluctuaciones cuánticas en el vasto vacío del espacio debería influir en los comportamientos incluso a escalas cosmológicas. Pero cuando los científicos intentan combinar la comprensión relativista del universo que nos dio Einstein con las teorías sobre el vacío cuántico, se encuentran con problemas.

Uno de esos problemas es que cada vez que los investigadores intentan usar observaciones para aproximar la constante cosmológica, el valor que calculan es mucho más pequeño de lo que esperarían en base a otras partes de la teoría. Más importante aún, el valor salta dramáticamente dependiendo de la cantidad de detalles que incluyan en la aproximación en lugar de centrarse en un valor constante. Este desafío persistente se conoce como el problema de la constante cosmológica o, a veces, la «catástrofe del vacío».

Una hoja de grafeno curvada y estirada que se coloca sobre otra hoja curva crea un nuevo patrón que afecta la forma en que la electricidad se mueve a través de las hojas. Un nuevo modelo sugiere que podría surgir una física similar si dos universos adyacentes pudieran interactuar. Crédito: Alireza Parhizkar, JQI.

«Esta es la inconsistencia más grande, con mucho la más grande, entre la medición y lo que podemos predecir por teoría», dijo Parhizkar. «Significa que algo anda mal».

Dado que los patrones muaré pueden producir diferencias dramáticas en las escalas, los efectos muaré parecían una lente natural para ver el problema. Galitski y Parhizkar crearon un modelo matemático (al que llaman gravedad muaré) tomando dos copias de la teoría de Einstein de cómo cambia el universo con el tiempo e introduciendo términos adicionales en las matemáticas que permiten que las dos copias interactúen. En lugar de mirar las escalas de energía y longitud en el grafeno, miraron las constantes cosmológicas y las longitudes en los universos.

Bi-mundos

Jugando con su modelo, los autores demostraron que dos mundos que interactúan con grandes constantes cosmológicas podrían anular el comportamiento esperado de las constantes cosmológicas individuales. Las interacciones producen comportamientos regidos por una constante cosmológica efectiva compartida que es mucho más pequeña que las constantes individuales. El cálculo de la constante cosmológica efectiva evita el problema que tienen los investigadores con el valor de sus aproximaciones saltando porque con el tiempo las influencias de los dos universos en el modelo se anulan entre sí.

«No afirmamos —nunca— que esto resuelva el problema de la constante cosmológica», aclaró Parhizkar. «Para ser honesto, esa sería una afirmación muy arrogante. Esta es solo una buena idea de que si tenemos dos universos con constantes cosmológicas enormes —como 120 órdenes de magnitud más grandes que lo que observamos—, y si los combinamos, todavía existe la posibilidad de que se pueda obtener una constante cosmológica efectiva muy pequeña de ellos».

En un trabajo de seguimiento preliminar, Galitski y Parhizkar han comenzado a construir sobre esta nueva perspectiva sumergiéndose en un modelo más detallado de un par de mundos que interactúan, que denominan «bi-mundos». Cada uno de estos mundos es un mundo completo en sí mismo según nuestros estándares normales, y cada uno está lleno de conjuntos coincidentes de toda la materia y los campos. Dado que las matemáticas lo permitieron, también incluyeron campos que vivían simultáneamente en ambos mundos, a los que llamaron «campos de anfibios».

Crédito: Lucas Sandor.

El nuevo modelo produjo resultados adicionales que los investigadores encuentran intrigantes. Mientras juntaban las matemáticas, encontraron que parte del modelo se parecía a campos importantes que son parte de la realidad. El modelo más detallado aún sugiere que dos mundos podrían explicar una pequeña constante cosmológica y proporciona detalles sobre cómo un bimundo de este tipo podría imprimir una firma distinta en la radiación cósmica de fondo —la luz que perdura desde los primeros tiempos del universo—.

Esta firma posiblemente podría verse, o definitivamente no verse, en mediciones del mundo real. Así que futuros experimentos podrían determinar si esta perspectiva única inspirada en el grafeno merece más atención o es simplemente una novedad interesante en el cesto de juguetes de los físicos.

«No hemos explorado todos los efectos, eso es algo difícil de hacer, pero la teoría es falsable experimentalmente, lo cual es algo bueno», reconoció Parhizkar. «Si no es falsado, entonces es muy interesante porque resuelve el problema de la constante cosmológica mientras describe muchas otras partes importantes de la física. Personalmente, no tengo muchas esperanzas en eso, creo que en realidad es demasiado grande para ser verdad».

La investigación ha sido publicada en la revista Physical Review Research.

Fuente: Universidad de Maryland. Edición: MP.