El vacío que sustenta al universo podría desintegrarse al instante

El universo se desenvuelve en un vacío cuántico que en realidad rebosa de interacciones entre partículas y campos. Los científicos han comprobado ahora en laboratorio que ese falso vacío podría desintegrarse en un instante y caer en un verdadero vacío absolutamente desconocido para la ciencia.

Según la física moderna, el universo es el resultado de la interacción entre partículas y campos -incluido, por ejemplo, el electromagnético- y podría encontrarse en una configuración de equilibrio denominada falso vacío.

El falso vacío es un concepto de la teoría cuántica de campos que describe lo que es realmente el así llamado vacío cuántico.

El vacío es el estado cuántico que contiene la menor energía posible, si bien en su interior fluctúan, tanto ondas electromagnéticas, que no necesitan un medio material para propagarse, como partículas que aparecen y desaparecen constantemente.

Por eso se considera que el vacío cuántico que sustenta a todo el universo en realidad es un falso vacío solo parcialmente estable, ya que, debido a su dinámica interna, puede caer en niveles de energía todavía más bajos y provocar la desintegración de ese falso vacío y llevarlo a un estado verdaderamente estable con menor energía, llamado verdadero vacío.

Tres claves

Es decir, todo lo que existe bascula en torno a tres conceptos: vacío cuántico, que en realidad es un falso vacío, que supuestamente puede disminuir todavía su energía y convertirse en un verdadero vacío.

Según la teoría, este proceso de reconversión del vacío cuántico implica la formación de "burbujas" de vacío verdadero dentro del falso vacío, de forma completamente análoga a la formación de gotas de líquido en un recipiente enfriado por vapor por debajo del punto de condensación.

Esta suposición tiene implicaciones teóricas muy importantes en los procesos cosmológicos, ya que la teoría del falso vacío podría indicarnos qué existía antes del Big Bang y qué pasará en el futuro con el universo.

¿En qué vacío vivimos?

Por esta razón, la comunidad científica ha seguido investigando y preguntándose desde hace décadas en qué tipo de vacío cuántico se encuentra nuestro universo, si es falso vacío o verdadero vacío, y si su estado actual puede bascular y alterar el actual equilibrio cósmico.

Para responder a estas cuestiones, los científicos han desarrollado teorías sofisticadas e intentado imaginar qué plataformas experimentales podrían confirmar los distintos modelos teóricos, ya que no es posible acceder directamente a los procesos que tuvieron lugar inmediatamente después del Big Bang.

Primera observación

Lo realmente novedoso es que una nueva investigación ha observado por primera vez que las supuestas burbujas que alteran el vacío cuántico se forman realmente en sistemas atómicos cuidadosamente controlados en un laboratorio.

La experiencia ha tenido lugar en los laboratorios del Centro Pitaevskii de Condensación Bose-Einstein de Trento y los resultados de este estudio, cuyo primer autor es Alessandro Zenesini, se publican en la revista Nature Physics.

Para lograr esta observación, los investigadores prepararon una “nube” de átomos de sodio ultrafríos en un estado inicial que simula un falso estado de vacío y observaron cómo se forman burbujas a medida que el vacío decae: crecen y se fusionan hasta ocupar todo el espacio.

Estas burbujas se pudieron detectar mediante una técnica de imagen que permite medir la densidad y la velocidad de los átomos.

De esta forma, los científicos han podido demostrar de manera concluyente que estas burbujas son el resultado del decaimiento térmico del falso vacío, es decir, que se activan por las fluctuaciones térmicas del sistema, lo que podría indicar que también pueden formarse en el universo actual.

Todo concuerda

Además de comprobar que el comportamiento de los átomos era compatible con las simulaciones del sistema, los autores unieron fuerzas con el grupo teórico de Ian Moss, cosmólogo de la Universidad de Newcastle, que también colaboró con Stephen Hawking, para comprobar que las teorías de desintegración del falso vacío más acreditadas eran compatibles con las observaciones experimentales.

La verificación experimental adquiere especial relevancia porque va más allá de los conocimientos teóricos desarrollados hasta la fecha y abre paso a  nuevas líneas de investigación experimental sobre los diversos aspectos de la formación de la verdadera burbuja de vacío y su comportamiento, lo que tendrá repercusiones positivas en otros campos de investigación como la bioquímica y la computación cuántica, destacan los investigadores.

No obstante, este experimento pionero es solo el primer paso para explorar el decaimiento del falso vacío. El objetivo final es encontrar el decaimiento del falso vacío a la temperatura del cero absoluto, donde el proceso está impulsado únicamente por las fluctuaciones cuánticas del vacío.

Referencia

False vacuum decay via bubble formation in ferromagnetic superfluids. A. Zenesini et al. Nature Physics (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-023-02345-4