Hitting the Books: Cómo descubrir la verdadera naturaleza del multiverso

yoEs difícil describir el estado de los asuntos del universo cuando todo estaba comprimido a un tamaño ligeramente más pequeño que el punto al final de esta oración, debido a que los conceptos de tiempo y espacio literalmente aún no se aplicaban. Pero ese desafío no ha impedido que la astrofísica teórica pionera, la Dra. Laura Mersini-Houghton, busque conocimiento en los confines del universo conocido y más allá. En su nuevo libro, Antes del Big BangMersini-Houghton relata su vida temprana en la Albania comunista, su carrera a medida que saltó a la fama en el campo de la astrofísica dominado por hombres y analiza su investigación sobre el multiverso que podría reescribir fundamentalmente nuestra comprensión de la realidad.

Extraído de Antes del Big Bang: el origen del universo y lo que hay más allá de Laura Mersini-Houghton. Publicado por Mariner Books. Copyright © 2022 por Laura Mersini-Houghton. Reservados todos los derechos.

Las investigaciones científicas de problemas como la creación del universo, que no podemos observar ni reproducir ni probar en un laboratorio, son similares al trabajo de detective en el sentido de que se basan tanto en la intuición como en la evidencia. Como un detective, a medida que las piezas del rompecabezas comienzan a encajar, los investigadores pueden sentir intuitivamente que la respuesta está cerca. Este fue el sentimiento que tuve como Rich y traté de descubrir cómo podríamos probar nuestra teoría sobre el multiverso. Racionalmente, parecía una posibilidad remota, pero intuitivamente, parecía factible.

Finalmente, una posible solución me golpeó. Me di cuenta de que la clave para probar y validar esta teoría estaba oculta en el entrelazamiento cuántico, ¡porque la decoherencia y el entrelazamiento eran dos caras de la misma moneda! Podría rebobinar la historia de la creación hasta sus raíces en el paisaje cuántico, cuando nuestro universo de ondas estaba enredado con otros.

Ya sabía que la separación —la decoherencia— de las ramas de la función de onda del universo (que luego se convierten en universos individuales) fue provocada por su enredo con el baño ambiental de fluctuaciones. Ahora me preguntaba si podríamos calcular y encontrar algún rastro de este entrelazamiento temprano impreso en nuestro cielo hoy.

Esto puede sonar como una contradicción. ¿Cómo es posible que nuestro universo todavía esté entrelazado con todos los demás universos todos estos eones después del Big Bang? Nuestro universo debe haberse separado de ellos en su infancia cuántica. Pero mientras luchaba con estos problemas, me di cuenta de que era posible tener un universo que se había descohesionado hace mucho tiempo pero que también conservaba sus «abolladuras» infantiles: cambios menores en la forma causados ​​​​por la interacción con otros universos supervivientes que se habían enredado con la nuestra durante los primeros momentos, como marcas de nacimiento identificables. Las cicatrices de su enredo inicial aún deberían ser observables en nuestro universo hoy.

La clave estaba en el momento. Nuestro universo de ondas se estaba decoherenciando más o menos al mismo tiempo que la siguiente etapa, el universo de partículas, estaba pasando por su propia inflación cósmica y comenzaba a existir. Todo lo que observamos en nuestro cielo hoy fue sembrado a partir de las fluctuaciones primordiales producidas en esos primeros momentos, que tienen lugar en la más pequeña de las unidades de tiempo medible, mucho menos de un segundo. En principio, en esos momentos, mientras se borraba el entrelazamiento, sus firmas podrían haber quedado estampadas en el inflatón y sus fluctuaciones. Existía la posibilidad de que el tipo de cicatrices que estaba imaginando se hubieran formado durante este breve período. Y si lo hubieran hecho, deberían ser visibles en los cielos.

Comprender cómo se formaron las cicatrices a partir del enredo es menos complicado de lo que imagina. Empecé tratando de crear una imagen mental de las cicatrices del enredo en nuestro cielo. Visualicé todos los universos supervivientes de las ramas de la función de onda del universo, incluida la nuestra, como un montón de partículas esparcidas por el multiverso cuántico. Debido a que todos contienen masa y energía, interactúan (atraen) entre sí gravitacionalmente, al igual que la manzana de Newton tenía su trayectoria de movimiento curvada al interactuar con la masa de la Tierra, guiándola así hacia el suelo. Sin embargo, la manzana también estaba siendo atraída por la luna, el sol, todos los demás planetas de nuestro sistema solar y todas las estrellas del universo. La masa de la Tierra tiene la fuerza más fuerte, pero eso no significa que estas otras fuerzas no existan. El efecto neto que dejó el entrelazamiento en nuestro cielo es capturado por la atracción combinada de otros universos incipientes sobre nuestro universo. Similar a la débil atracción de las estrellas en la famosa manzana, en la actualidad, las señales de entrelazamiento en nuestro universo son increíblemente pequeñas en relación con las señales de la inflación cósmica. ¡Pero todavía están allí!

Lo admito… ¡Estaba emocionado por el mero pensamiento de que potencialmente tenía una forma de vislumbrar más allá de nuestro horizonte y antes del Big Bang! A través de mi propuesta de calcular y rastrear el enredo en nuestro cielo, es muy posible que haya encontrado, por primera vez, una forma de probar el multiverso. Lo que más me emocionó de esta idea fue su potencial para hacer posible lo que durante siglos pensamos que era imposible: una ventana de observación para vislumbrar en el espacio y en el tiempo más allá de nuestro universo en el multiverso. Nuestro universo en expansión proporciona el mejor laboratorio cósmico para buscar información sobre su infancia porque todo lo que observamos a gran escala en nuestro universo hoy también estuvo presente en su comienzo. Los elementos básicos de nuestro universo no desaparecen con el tiempo; simplemente vuelven a escalar su tamaño con la expansión del universo.

Y esta es la razón por la que pensé en usar el entrelazamiento cuántico como prueba de fuego para nuestra teoría: la teoría cuántica contiene un principio casi sagrado conocido como «unitaridad», que establece que nunca se puede perder información sobre un sistema. La unitaridad es una ley de conservación de la información. Significa que todavía deben existir signos del entrelazamiento cuántico anterior de nuestro universo con los otros universos supervivientes. Por lo tanto, a pesar de la decoherencia, el entrelazamiento nunca puede borrarse de la memoria de nuestro universo; se almacena en su ADN original. Además, estos signos han sido codificados en nuestro cielo desde su infancia, desde el momento en que el universo comenzó como una ola en el paisaje. Las huellas de este enredo anterior simplemente se extenderían con la expansión del universo a medida que el universo se convirtió en una versión mucho más grande de su yo infantil.

Me preocupaba que estas firmas, que se han estirado por la inflación y la expansión del universo, serían bastante débiles. Pero sobre la base de la unitaridad, creía que, por débiles que fueran, se conservaban en algún lugar de nuestro cielo en forma de violaciones locales o desviaciones de la uniformidad y la homogeneidad predichas por la inflación cósmica.

Rich y yo decidimos calcular el efecto del entrelazamiento cuántico en nuestro universo para averiguar si quedaron rastros, luego avanzarlos rápidamente desde la infancia hasta el presente y derivar predicciones sobre qué tipo de cicatrices deberíamos estar buscando en nuestro cielo. . Si pudiéramos identificar dónde necesitamos buscarlos, podríamos probarlos comparándolos con observaciones reales.

Rich y yo comenzamos esta investigación con la ayuda de un físico en Tokio, Tomo Takahashi. Conocí a Tomo por primera vez en UNC Chapel Hill en 2004 cuando coincidimos un año. Él era un postdoctorado a punto de tomar un puesto en la facultad en Japón, y yo acababa de llegar a la UNC. Disfrutamos interactuando y vi los altos estándares que Tomo mantenía para su trabajo y su increíble atención al detalle. Sabía que estaba familiarizado con el programa de simulación por computadora que necesitábamos para comparar las predicciones basadas en nuestra teoría con datos reales sobre la materia y las firmas de radiación en el universo. En 2005 llamé a Tomo y accedió a colaborar con nosotros.

Rich, Tomo y yo decidimos que el mejor lugar para comenzar nuestra búsqueda era el CMB: el fondo cósmico de microondas, el resplandor del Big Bang. CMB es la luz más antigua del universo, un «éter» universal que impregna todo el cosmos a lo largo de su historia. Como tal, contiene una especie de registro exclusivo del primer milisegundo en la vida del universo. Y este testigo silencioso de la creación todavía nos rodea hoy, lo que lo convierte en un laboratorio cósmico invaluable.

La energía de los fotones CMB en nuestro universo actual es bastante baja; sus frecuencias alcanzan su punto máximo en el rango de microondas (160 gigahercios), al igual que los fotones en el microondas de la cocina cuando calientas la comida. Tres importantes experimentos científicos internacionales, los satélites COBE, WMAP y Planck (con un cuarto en camino), que datan de la década de 1990 hasta el presente, han medido el CMB y sus fluctuaciones mucho más débiles con una precisión exquisita. Incluso nos encontramos con fotones CMB aquí en la Tierra. De hecho, ver y escuchar CMB solía ser una experiencia cotidiana en la era de los televisores antiguos: al cambiar de canal, el espectador experimentaba la señal CMB en forma de estática: las motas grises y blancas borrosas y zumbantes que aparecían en el televisor. pantalla.

Pero si nuestro universo comenzó puramente a partir de energía, ¿qué podemos ver en los fotones CMB que nos da una imagen naciente del universo? Aquí, la teoría cuántica, específicamente el principio de incertidumbre de Heisenberg, proporciona la respuesta. De acuerdo con el principio de incertidumbre, la incertidumbre cuántica, que se muestra como fluctuaciones en la energía inicial de inflación, es inevitable. Cuando el universo deja de inflarse, de repente se llena de ondas de fluctuaciones cuánticas de la energía del inflatón. Toda la gama de fluctuaciones, algunas con masa y otras sin ella, se conocen como perturbaciones de densidad. Las ondas más cortas de este espectro, las que caben en el interior del universo, se convierten en fotones o partículas, según su masa (reflejando el fenómeno de la dualidad onda-partícula).

Los pequeños temblores en el tejido del universo que inducen ondas o vibraciones débiles en el campo gravitatorio, lo que se conoce como ondas gravitacionales primordiales, contienen información sobre qué modelo particular de inflación tuvo lugar. Son increíblemente pequeños, una parte en aproximadamente diez mil millones de la fuerza del espectro CMB y, por lo tanto, son mucho más difíciles de observar. Pero se conservan en el CMB.