Cómo es que la radiación Hawking salvó al universo del colapso de un falso vacío

Representación artística de la radiación Hawking.

Los agujeros negros pueden acelerar significativamente la descomposición de un falso vacío, durante el cual el universo pasa del estado metaestable actual a un estado con una energía más baja. Como resultado de esta desintegración, el universo que conocemos dejaría de existir. Sin embargo, dos físicos teóricos estudiaron este proceso en la aproximación de las burbujas de paredes delgadas del verdadero vacío, aclararon el significado físico de la "tasa de nucleación" y mostraron que incluso los pequeños agujeros negros no deberían influir en la decadencia de un falso vacío, ya que están rodeados de partículas debido a la radiación de Hawking, según el artículo publicado en Physical Review.

El descubrimiento en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del bosón de Higgs confirmó la validez del Modelo Estándar hace unos años. En este modelo, el potencial del campo de Higgs, responsable de la generación masiva de partículas elementales, tiene una dependencia bastante extraña de la energía. A primera vista, para valores pequeños de energía de interacción de los bosones (del orden de los teraelectronvoltios), el campo tiene un mínimo, que corresponde al estado de vacío de nuestro espacio-tiempo (es decir, el estado en el que la energía de los campos ordinarios es mínimo). Sin embargo, esta dependencia tiene un mínimo más en la región de energías de rango más alto (del orden de 10 12 teraelectronvoltios), y este mínimo es menor. Por lo tanto, nuestro vacío se considera "falso", es decir, no corresponde al mínimo actual del campo de Higgs.

En algunos casos, una transición espontánea del universo de un falso vacío a uno verdadero (la llamada "descomposición de un falso vacío"), al mismo tiempo requerirá una gran energía. Por lo general, esta transición consiste en la formación espontánea de burbujas del verdadero vacío en el falso, que en condiciones favorables se expandirán infinitamente, y en condiciones desfavorables colapsarán. De manera remota, esto se asemeja al proceso de agua hirviendo, pero en lugar de burbujas de vapor saturado, tenemos unas de verdadero vacío.

Sin embargo, algunos procesos pueden acelerar la descomposición de un falso vacío. Por ejemplo, alrededor de un agujero negro, el espacio-tiempo es altamente curvado, y las reglas para calcular la energía de una burbuja cambian un poco, lo que debería aumentar la probabilidad de descomposición. En este caso, cuanto más pequeño sea el agujero negro, más fácil será formar burbujas y mayor será la descomposición. Por otro lado, aun así vivimos en un falso vacío, lo que indica ya sea la ausencia de tales agujeros negros, o las deficiencias en nuestras teorías, o nuestra increíble suerte.

En este artículo, los físicos teóricos Kyohei Mukaida y Masaki Yamada exploraron cómo las verdaderas burbujas de vacío se forman cerca del agujero negro y demostraron que, en tales procesos, el plasma negro calentado debe tenerse en cuenta en el agujero negro circundante para explicar los comportamientos que se den en estas regiones. Para hacer esto, utilizaron la teoría de una burbuja de pared delgada sobre el fondo de un agujero negro en el espacio-tiempo, de Sitter.

Para dar con la tasa de nucleación (el paso a una nueva fase termodinámica) de tales burbujas los científicos calcularon de tres maneras diferentes. En el primer método, usualmente usado en tales cálculos, los teóricos contaban para la distorsión de la métrica por burbujas emergentes. En los otros dos casos, los físicos no lo tomaron en cuenta y trabajaron en la aproximación del plano espaciotiempo y una métrica fija de fondo para simplificar los cálculos y aclarar el significado físico de los procesos que ocurren.

Resultó que la "tasa de nucleación" consiste en dos partes esenciales responsables de la aparición de burbujas con energía E y en realidad para formar túneles en un vacío real. En el caso de un agujero negro de energía E, el cambio en la masa del agujero corresponde a la formación de una burbuja. Los científicos probaron este hecho de dos maneras, descuidando la acción de la burbuja en la métrica original, y luego mostraron que cuando se toma en cuenta esta acción, nada cambia si la temperatura del agujero negro (determinada por la temperatura de radiación de Hawking) es finita.

Por lo tanto, las correcciones a la probabilidad de formación de burbujas que surgen de la presencia de un plasma deben tenerse en cuenta. Tales correcciones surgirán incluso si el agujero negro está en un espacio "vacío", ya que siempre se forma un plasma alrededor de él, calentado a la temperatura de Hawking.

Resulta que en este caso el nacimiento de burbujas es difícil porque, según los autores del artículo, "el campo escalar prefiere un punto simétrico en el espacio de campo debido a la masa térmica". Por lo tanto, la tasa de formación de burbujas no debería aumentar con fuerza incluso cerca de pequeños agujeros negros.

Hans Huerto

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