El universo parece extraordinariamente estable. Las galaxias evolucionan, las estrellas nacen y mueren, y las partículas mantienen las propiedades físicas que conocemos. Sin embargo, existe una posibilidad inquietante que los científicos llevan décadas investigando: que nuestro universo no se encuentre en su estado de energía más bajo y que, al menos teóricamente, pueda cambiar hacia otro completamente diferente.
Ahora, un equipo internacional de físicos ha encontrado una posible explicación para que determinadas transiciones cuánticas no ocurran. La han denominado bloqueo cósmico (cosmic lockdown), un mecanismo mediante el cual los campos cuánticos podrían quedar atrapados en un estado de energía sin poder abandonarlo fácilmente.
La investigación fue desarrollada por científicos de la Universidad de Portsmouth, la Universidad de Siracusa y la École Normale Supérieure de París. Sus resultados, publicados en Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, sugieren que las interacciones entre distintos campos pueden dificultar los cambios de estado que permite la mecánica cuántica. Lo sorprendente es que aquello que parece mantener al universo encerrado en un estado podría ser también uno de los mecanismos que contribuyen a su estabilidad.
El falso vacío: la posibilidad de que el universo no esté en su estado definitivo
Para comprender el descubrimiento hay que comenzar por algo que parece contradictorio: en física cuántica, el vacío no significa necesariamente ausencia de energía.
Los campos cuánticos se extienden por el espacio y pueden encontrarse en diferentes estados energéticos. Una forma sencilla de imaginarlo es pensar en una pelota dentro de un paisaje lleno de montañas y valles. La pelota puede quedar detenida en un valle y parecer completamente estable. Sin embargo, podría existir otro valle mucho más profundo, correspondiente a un estado de menor energía.
Los físicos llaman falso vacío al primer estado y vacío verdadero al de energía inferior. Según algunas extrapolaciones del Modelo Estándar de la física de partículas, el campo de Higgs podría encontrarse en una situación semejante, aunque esto depende de parámetros físicos cuya determinación todavía presenta incertidumbres. Si existiera un estado más estable, la mecánica cuántica permitiría, en determinadas condiciones, una transición mediante el llamado efecto túnel.
En ciertos modelos, ese cambio podría alterar profundamente las propiedades de las partículas y las fuerzas fundamentales. No obstante, no existe evidencia de que una transición semejante esté próxima a producirse, ni de que el universo vaya a experimentar un colapso.
El bloqueo cósmico podría impedir que los campos cuánticos cambien de estado
El equipo encabezado por Robson Christie estudió qué ocurre cuando un campo cuántico no está aislado, sino que interactúa continuamente con otros campos de su entorno.
La clave fue un fenómeno conocido como decoherencia cuántica. Cuando un sistema cuántico interactúa con su entorno, puede perder la coherencia necesaria para mostrar determinados comportamientos característicos de la superposición cuántica. En el modelo desarrollado por los investigadores, estas interacciones pueden reducir considerablemente las probabilidades de que el campo pase de un estado de vacío a otro.
La Universidad de Portsmouth explica que el fenómeno guarda relación con el efecto Zenón cuántico, mediante el cual las interacciones frecuentes pueden inhibir la evolución de un sistema. La diferencia es que aquí no interviene ningún observador consciente. Son los propios campos del entorno los que producen las interacciones responsables del efecto.
Los cálculos también revelaron que la expansión del universo influye en el estado que adopta un campo. Aquellos cuya dinámica es rápida respecto a la expansión tienden a alcanzar el vacío verdadero, mientras que los campos más ligeros pueden conservar una probabilidad significativa de permanecer en un falso vacío. Una vez que interviene la decoherencia, las transiciones posteriores mediante efecto túnel pueden quedar fuertemente suprimidas.
¿Significa esto que el universo está protegido de una catástrofe?
El resultado puede parecer tranquilizador, pero los investigadores insisten en que todavía estamos ante una explicación teórica. El modelo utiliza un campo cuántico simplificado en un universo en expansión, rodeado de otros campos con los que interactúa. Esto permite estudiar cómo surge el bloqueo cósmico, pero no reproduce todas las condiciones del universo real.
La gran incógnita es si el mismo mecanismo podría aplicarse al campo de Higgs. Si este campo estuviera realmente en un falso vacío, una transición hacia otro estado energético podría modificar las propiedades de las partículas y las leyes físicas que permiten la existencia de la materia tal como la conocemos. David Wands, profesor de cosmología en Portsmouth y coautor de la investigación, explicó que determinar si el mecanismo funciona en situaciones cosmológicas más realistas requerirá desarrollar modelos más completos. Por ahora, no se ha demostrado que nuestro universo esté atrapado en un falso vacío ni que exista un bloqueo cuántico que impida su transformación.
Lo que sí han encontrado los investigadores es una nueva posibilidad para comprender la estabilidad de los campos cuánticos: sus interacciones con el entorno pueden dificultar cambios que, en principio, la mecánica cuántica permitiría. El descubrimiento deja una paradoja fascinante. Quizá una de las razones por las que el universo conserva sus propiedades no sea que resulte imposible cambiar de estado, sino que las propias interacciones entre sus campos hacen extraordinariamente difícil que eso ocurra.
