Uno de los campos cuánticos que permea el universo es especial porque su valor por defecto parece estar destinado a terminar cambiando, transformándolo todo.

Un artículo de Matt von Hippel. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

La desintegración del vacío, un proceso que podría acabar con el universo tal como lo conocemos, podría ocurrir 10.000 veces antes de lo esperado. Afortunadamente, no ocurrirá hasta dentro de muchísimo tiempo.

Cuando los físicos hablan del “vacío”, el término suena como si se refiriera al espacio vacío, y en cierto sentido es así. Más específicamente, se refiere a un conjunto de valores predeterminados, como los ajustes de un tablero de control. Cuando los campos cuánticos que permean el espacio se encuentran en estos valores predeterminados, se considera que el espacio está vacío. Los pequeños ajustes en los valores predeterminados crean partículas: si se aumenta un poco el campo electromagnético, se obtiene un fotón. Los grandes ajustes, por otro lado, es mejor considerarlos como un conjunto de nuevos valores predeterminados. Crean una definición diferente de espacio vacío, con características diferentes.

Un campo cuántico en concreto es especial porque su valor por defecto puede cambiar. Se llama campo de Higgs y controla la masa de muchas partículas fundamentales, como los electrones y los cuarks. A diferencia de todos los demás campos cuánticos que ha descubierto la comunidad física, el campo de Higgs tiene un valor por defecto superior a cero. Si se aumenta o disminuye el valor del campo de Higgs, la masa de los electrones y otras partículas aumentaría o disminuiría. Si el valor del campo de Higgs fuera cero, esas partículas no tendrían masa.

Podríamos permanecer en el valor por defecto distinto de cero por toda la eternidad si no fuera por la mecánica cuántica. Un campo cuántico puede “hacer un túnel”, saltando a un nuevo valor de energía más bajo incluso si no tiene suficiente energía para pasar por los valores intermedios de energía más altos, un efecto similar al de atravesar una pared sólida.

Para que esto suceda, es necesario tener un estado de energía más bajo al que llegar mediante el túnel. Y antes de construir el Gran Colisionador de Hadrones, se pensaba que el estado actual del campo de Higgs podría ser el más bajo. Esta creencia ha cambiado ahora.

Siempre se ha sabido que la curva que representa la energía necesaria para diferentes configuraciones del campo de Higgs se parece a un sombrero con el ala hacia arriba. La configuración actual del campo de Higgs puede representarse como una bola que reposa en la parte inferior del ala.

Sin embargo, correcciones cuánticas sutiles pueden cambiar la forma de la curva. Los campos cuánticos se retroalimentan energía entre sí. Las interacciones cuánticas entre los electrones y el campo electromagnético cambian los niveles de energía de los átomos, por ejemplo, un efecto descubierto en la década de 1940.

En el caso del campo de Higgs, la curvatura del ala del sombrero está determinada por la masa del bosón de Higgs, la partícula elemental que transmite los efectos del campo de Higgs, que se descubrió en el Gran Colisionador de Hadrones en 2012. Otras correcciones a la forma de la curva provienen de partículas que interactúan fuertemente con el bosón de Higgs: aquellas con masa alta, como el cuark cima, la partícula elemental más pesada conocida. Al comparar la masa del bosón de Higgs con la del cuark cima, los físicos ahora piensan que lo más probable es que el sombrero se hunda otra vez. En un valor por defecto mucho más alto del campo de Higgs, hay un estado de energía más bajo.

En ese caso, el campo de Higgs acabaría por atravesar ese túnel, o “se desintegraría”, hasta llegar a ese estado. Esta desintegración empezaría en un lugar y luego se extendería, formando una burbuja esférica que crecería a la velocidad de la luz transformando el universo. Las partículas fundamentales se volverían mucho más pesadas, de modo que la gravedad las atraería más que las otras fuerzas las mantienen separadas. Los átomos colapsarían.

Sin embargo, no llegaremos a ese valor por defecto del Higgs más alto en un futuro próximo. Los físicos calculan las probabilidades de desintegración del vacío de distintas maneras. En el método más directo, llevan un registro de las distintas transformaciones que serían necesarias para que el campo pasara de un valor a otro (transformaciones que violan la conservación de la energía, algo que la mecánica cuántica permite que ocurra brevemente), ponderando cada escenario según en qué medida viola reglas como la conservación de la energía. Según estas estimaciones, un gigapársec cúbico de espacio verá desintegrarse el vacío una vez cada 10⁷⁹⁴ años, o el dígito 1 seguido de 794 ceros, un lapso de tiempo inimaginable. Hasta ahora solo han pasado 10¹⁰ años desde el Big Bang.

Recientemente, un grupo de físicos de Eslovenia afirmó haber encontrado un pequeño error en el cálculo, que acelera el fin del universo tal como lo conocemos a 10⁷⁹⁰ años, en lugar de 10⁷⁹⁴. Si bien un cambio de un factor de 10.000 puede parecer enorme, es mucho menor que la incertidumbre de otras partes del cálculo. Lo más importante: ninguna de estas incertidumbres es lo suficientemente grande como para reducir los eones que se encuentran entre nosotros y los horrores de la desintegración del vacío.

El artículo original, Vacuum of Space to Decay Sooner Than Expected (but Still Not Soon), se publicó el 22 de julio de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López