miércoles, 15 de agosto de 2012

El universo en expansión - 5 - La rotura de la simetría

En las entradas 2 y 4 de esta serie ya he mencionado que el universo primitivo, inmediato a la gran explosión, era completamente simétrico y homogéneo, y no hubiera sido posible la formación de estrellas y  galaxias si no hubiera habido una "ruptura de la simetría".

Penrose ("El camino de la realidad" apartado 28.1) pone como ejemplo de "ruptura de simetría" un caso de ferromagnetismo, sin duda muy apropiado, pero temo que poco comprensible para un no científico. Quizás sea más comprensible el siguiente:

Imaginemos un globo esférico de goma cuya superficie está mojada, es decir, está recubierta por una fina capa de agua. En ausencia de gravedad, la capa de agua tendrá el mismo espesor en toda la superficie del globo. Será totalmente simétrica y homogénea.

A medida que el globo se va inflando, y teniendo en cuenta que la cantidad total de agua no varía, la capa de agua se irá haciendo cada vez más y más fina. 

Pero la capa de agua no puede hacerse infinitamente delgada. Llegará un momento en que en algunos puntos y líneas el agua se retraerá dejando espacios secos, gotitas aisladas y zonas mojadas. 

En el interior de las zonas mojadas, las condiciones del agua serán las mismas que antes de la ruptura: habrá simetría y homogeneidad, aunque local. En las gotitas, las condiciones serán completamente distintas al estar rodeadas de espacio seco. En el borde de las zonas mojadas, las condiciones serán intermedias al tener a un lado y otro zonas secas y mojadas.

Sabemos que solo un 4% de la masa total del universo está constituida por lo que nosotros entendemos como materia y energía (normales). Un 23% es un tipo desconocido de materia que llamamos materia oscura. Y el 73% restante es energía oscura. Podemos imaginar (aunque, claro está, no es más que un símil) que, en nuestro ejemplo de rotura de la simetría, las gotitas han dado lugar a nuestra materia y energía ordinarias, que las zonas mojadas continúan siendo, como al principio de los tiempos, energía oscura, y que los bordes son algún tipo de pre-materia o materia oscura.

¿A que podríamos asimilar el globo de goma? 

Todos los puntos de una circunferencia (superficie esférica de dimensión 1) están en contacto con puntos del interior del círculo (esfera de dimensión 2). Todos los puntos de la superficie (de dimensión 2) de una esfera normal (de dimensión 3) están en contacto con puntos del interior de la esfera. Igualmente, todos los puntos de nuestro universo (superficie esférica de dimensión 3) están en contacto con puntos del interior de su hiperesfera (de dimensión 4). 

Si en nuestro ejemplo consideramos que nuestro universo es la fina capa de agua que está sobre el globo de goma (que no está en la superficie, pero sí en contacto con cada punto de ella), este sería algo que no está en nuestro universo tridimensional, pero que está en contacto, en la cuarta dimensión con todos sus puntos. 

Podemos imaginar que es un campo de Higgs que impregna todo nuestro universo. Copio del informe preparado por el CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear, dependiente del CSIC) con motivo de la comprobación en el CERN de la existencia del bosón de Higgs:

¿Como funciona el mecanismo de Higgs?
El campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio, formado por un incontable número de bosones de Higgs. La masa de las partículas estaría causada por una "fricción" con el campo de Higgs, por lo que las partículas más ligeras se moverían por este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harán con mayor dificultad.

El día que sepamos como "excitar" un bosón de Higgs, provocando una respuesta, "veremos" la cuarta dimensión. (Para una explicación de por qué no vemos la cuarta dimensión, ver la entrada 2 de esta serie) . 


3 comentarios:

  1. Pero yo lo que no entiendo del ejemplo es: si el globo esférico de goma se hincha y la capa de agua se va haciendo cada vez más fina, ¿porque se forman esas islas? Al ser todo homogéneo, debería disiparse la capa de agua por igual en todos los puntos no? ¿Porque se ha roto la capa de agua en el punto A y no en otro punto B, si el punto A es igual que el punto B?
    ¿Es solo que me he quedado anclado en el ejemplo? ¿Tendríamos que hablar de que a simple vista el globo es homgéneo pero si descendemos a escalas por debajo del límite que nos marca la longitud de Planck la superficie de nuestro globo es rugosa, surge una especie de espuma cuántica desordenada y caótica?
    Es decir, esos pequeños desgarros de la capa de agua, del campo de higgs, estarían motivados por las pequeñas irregularidades de nuestro universo a escala inferior a la de planck?
    No sé si me he hecho un lío

    ResponderEliminar
  2. Yandros: Gracias por tus inteligentes comentarios. Veo que estás de vacaciones y tienes tiempo para leer y comentar.
    En el ejemplo, quizás debería haber dicho que la capa de agua, al hacerse cada vez más fina, se rompe debido a sus propias fuerzas internas de cohesión entre moléculas, que se concretan en la tensión superficial. No lo dije porque me pareció que era bastante intuitivo que la capa de agua no podía ser indefinidamente más fina, y quería que el ejemplo fuera intuitivo.
    ¿Por qué en un punto y no en otro? Pues seguramente debido a algún tipo mínimo de irregularidad. Al fin y al cabo el que el universo (no ya el ejemplo) fuera perfectamente simétrico ¿no está en contra del principio de incertidumbre?

    ResponderEliminar
  3. Me surgió la misma duda que Yandros. Entonces, ¿quieres decir que ese "tipo mínimo de irregularidad" es causado por el azar cuántico? Lo que quiero decir es si el azar cuántico (la probabilidad de que suceda algún suceso mínimo) afecta a algo tan grande como el universo, que sería la capa del globo de agua en el ejemplo.

    Muy ilustrativa la entrada; leí hace poco sobre la ruptura de la simetría y no la entendí muy bien :S

    ResponderEliminar