Universul, partea a doua

O scurta adaugire la postarea mea despre Univers (doar pentru ca nu ma pot abtine):

Nu am apucat sa vorbesc despre viitorul indepartat al Universului si sa dau ceva mai multe detalii despre dark energy - cum (si daca) se va termina. Sunt cateva scenarii posibile:

1) Daca dark energy este constanta cosmologica atunci universul va sfarsi prin ceea ce se cheama "The Big Freeze" - va deveni din ce in ce mai gol cu distante din ce in ce mai mari intre parti dominate de materie pana cand va ajunge spatiu deSitter - spatiu gol cu o constanta cosmologica pozitiva (care duce la expansiune) si va ramane asa pentru eternitate (desi intr-un astfel de spatiu apare problema creierilor Boltzmann, fluctuatii care pot, in teorie, crea un creier care sa gandeasca un gand dupa care sa se dematerializeze inapoi in vidul din care a fluctuat).

Ideea cu dark energy este in felul urmator: daca luam modelul curent al Naturii, quantum field theory, avem campuri cuantice pentru fiecare particula asociata cu ele: un camp cuantic de electroni pentru electron, un camp cuantic electromagnetic pentru foton, un camp cuantic de strange quarks pentru strange quark si asa mai departe. Pentru fiecare particula din modelul standard avem campul cuantic al carei excitatie este acea particula. Insa ceea ce este fundamental nu este particula ci campul sau - campul este ceea ce este important. Particula nu e altceva decat excitatia acelui camp.

Dar toate aceste campuri in vid au un "minimum energy" si atunci cand o particula se afla in respectiva locatie din spacetime campul este in excited state - este la o energie mai mare decat atunci cand nu are respectiva particula acolo. Dar si atunci cand nu are o particula campul tot contribuie cu energie in acea zona din vid. Este intocmai aceasta contributie a campurilor data de principiul de incertitudine ceea ce duce la dark energy in modelul in care dark energy este constanta cosmologica.

Exista doua tipuri de campuri - fermionice si bosonice. Cele fermionice sunt campurile care dau materia: cuarcii si leptonii (practic, particulele care respecta Pauli exclusion principle si nu pot fi unele peste altele daca se afla in acelasi quantum state, motiv pentru care nu cazi prin podea si nu treci prin pereti). Cele bosonice sunt practic fortele naturii: cele doua forte nucleare si electromagnetismul (tehnic, si forta Higgs) - bosonii pot sta unii peste altii si chiar "vor" sa faca asta - laserul se bazeaza pe acest fapt.

Contributiile fluctuatiilor acestor doua tipuri de campuri sunt diferite: campurile fermionice contribuie cu energie negativa la energia vidului iar campurile bosonice cu energie pozitiva. Din calcule teoretice reiese ca contributia per total ar trebui sa fie undeva la 10^120 mai puternica decat este valoarea observata (10^-8 ergs/cm^3) si sa rupa Universul in bucati. Deci este clar ca undeva este o problema (este, de fapt, cea mai mare problema din fizica) intre ceea ce prezice teoria si ceea ce observam: o valoare foarte mica a energiei vidului (care, mica asa cum este, tot duce la expansiunea accelerata a Universului).

Cumva, desi sunt mult mai multe campuri fermionice decat bosonice, contributia pozitiva si cea negativa a celor doua tipuri de campuri se combina sa dea o valoare apropiata de zero. Una dintre potentialele explicatii este supersimetria: daca Natura este de fapt supersimetrica si fiecare camp bosonic si fermionic au un "superpartener" atunci este rezonabil ca contributiile per total ale tuturor campurilor sa fie apropiate de zero (supersimetria rezolva si alte probleme precum faptul ca unifica fortele Naturii la energii foarte mari - practic ceea ce noi vedem ca trei forte separate (patru, daca includem si gravitatia) este de fapt o singura forta care arata ca trei forte din cauza unor ruperi de simetrii). Nu exista nicio dovada experimentala pentru existenta supersimetriei (erau ceva sperante la CERN insa nu s-a intamplat, este posibil ca la o energie putin mai mare decat poate produce acceleratorul de la CERN sa descoperim supersimetria insa nu se stie cu cat mai mare).

Daca valoarea dark energy ar fi fost una negativa ne-am fi aflat intr-un spatiu anti-deSitter (ma rog, nici chiar pentru ca spatiul nostru contine materie, insa un spatiu gol cu energia vidului negativa este anti-deSitter) si am fi avut universul in contractie (ajutat si de contributia atractiva a gravitatiei).

2) Daca dark energy este variabila si creste in intensitate atunci Universul se va "rupe" - The Big Rip. Exista un model cosmologic in care dark energy nu este constanta precum este constanta cosmologica. Intr-un astfel de model dark energy creste exponential ajungand la o valoare infinita intr-un timp finit. Intr-un astfel de scenariu totul va "exploda" - stelele, planetele, oamenii, atomii si spatiultimpul insusi - toate se vor rupe precum un balon care pocneste.

3) Daca dark energy este variabila si scade sau devine negativa in viitor atunci Universul se va contracta intr-o imensa gaura neagra - The Big Crunch. Intr-un astfel de model dark energy scade in intensitate in viitor sau chiar isi inverseaza sensul - ajunge sa aiba o contributie negativa, nu pozitiva cum este in prezent. Acest lucru ar duce la contractia Universului si la colapsul acestuia intr-o imensa gaura neagra intr-un timp finit. Practic ar fi ca si cum am da timpul inapoi catre Big Bang - totul s-ar strange intr-o singularitate.

Cum ar avea dark energy o astfel de proprietate in care nu este constanta? Daca dark energy este data de un camp scalar precum este campul Higgs sau ipoteticul camp de inflatoni care a dus la expansiunea exponentiala a Universului inainte de hot Big Bang atunci acesta poate face decay la o valoare mai mica sau negativa - la un nou minim. Asta ar duce la scenariul de mai sus in care Universul intra in contractie si totul se sfarseste in foc - totul este comprimat in singularitate, inapoi. Un astfel de camp ipotetic care ar da dark energy poarte denumirea de "quintessence".

4) Daca informatia se pierde in gaurile negre atunci Universul poate fi ciclic - Conformal Cyclic Cosmology. Acesta este un model propus de Roger Penrose in care informatia se pierde in gaurile negre, acestea se evapora iar la sfarsit, peste 10^100 ani ramai cu spatiu gol, cu spatiu deSitter. Insa intr-un astfel de spatiu nu ai niciun obiect cu masa si deci niciun cadru de referinta - ai doar spatiu gol si fotoni. Cum fotonii calatoresc la viteza luminii acestia nu au un cadru de referinta - ai nevoie de obiecte cu masa pentru asa ceva. Ceea ce inseamna, propune Penrose, ca Universul "uita" cat de mare e - for all intents and purposes il poti considera ca fiind un punct cu dimensiune zero, o singularitate. Si de acolo pleaca un nou Big Bang.

Problema cu acest model este ca presupune ca gaurile negre pierd informatie si deci incalca unitaritatea mecanicii cuantice - faptul ca informatia se conserva. Stim din dualitatea Maldacena ca, cel putin pentru un univers anti-deSitter, informatia nu se poate pierde. Deci acest model pare a avea o problema substantiala.

O alternativa inventata de mine la propunerea lui Penrose este situatia in care campul Higgs pur si simplu se intampla sa fluctueze la o valoare de zero peste tot in Univers - daca ai o eternitate de asteptat o sa se intample si asta pana la urma, presupunand ca are o probabilitate diferita de zero sa se intample. In acest caz toate obiectele cu masa vor avea masa zero la acel moment din timp, ceea ce va indeplini intocmai ceea ce vrea Penrose sa obtina: zero masa peste tot in univers. Si va fi adevarat fara sa fie nevoie ca gaurile negre sa piarda informatie sau legea a doua a termodinamicii sa fie incalcata.

5) Tunelarea campului Higgs la true vacuum. Cum spuneam mai sus, campurile cuantice stau, in universul nostru, la o valoare apropiata de zero (fluctuand in jurul acelei valori). Campul Higgs nu face asta: energia potentiala a campului Higgs este de 246 GeV. Problema este ca aceasta valoare nu este cea mai mica valoare a energiei potentiale a campului Higgs - exista o valoare mai mica prezisa de Grand Unified Theories in care campul Higgs este substantial sub 246 GeV la o valoare a bosonului Higgs de undeva la scara Planck, 10^13 GeV sau pe acolo.

Ceea ce separa actuala valoare a energiei potentiale a Higgs de valoarea unde "campul ar vrea sa fie" este o bariera energetica foarte mare.

"Metastable state" este unde se afla campul Higgs in prezent.
"Most stable state" este unde "ar vrea" sa fie.
Acel "damb" dintre cele doua valori este ceea ce ne protejeaza.

In mecanica cuantica avem fenomenul de "tunelare cuantica" in care o particula poate trece printr-o bariera si ajunge de partea cealalta a ei. Similar, campul Higgs poate trece de acea bariera dintre actuala valoare si starea cea mai stabila prin quantum tunneling - si cum acest lucru este posibil se va si intampla, este doar o chestiune de timp. Cand se va intampla se va crea o bula de "vid real" (true vacuum) care se va extinde la viteza luminii in toate directiile. In acea bula vor opera alte legi, in speta ceea ce cupleaza la campul Higgs va avea o masa gigantica (electronii, cuarcii etc) pentru ca desi energia potentiala a campului este cea mai mica posibila, valoarea bosonului Higgs este gigantica - valoarea campului este gigantica. 

Daca asta s-ar intampla langa noi am muri instantaneu fara sa stim ce ne-a lovit - am colapsa instantaneu intr-o gaura neagra. Practic tot universul, presupunand ca nu ar fi in expansiune, ar colapsa intr-o gaura neagra si, daca gaurile negre se evapora (si/sau au un interior) atunci finalul ar fi tot spatiu gol, etern.

Cam acestea sunt scenariile despre care stim in prezent. Mai este unul ciclic denumit "universul ekpyrotic" formulat de Paul Steinhardt, unul dintre fondatorii teoriei inflatiei si unul dintre criticii ei din prezent - in universul ekpyrotic universul se expandeaza, dark energy scade in intensitate in timp, universul intra in contractie si atunci cand colapseaza excita inapoi campul responsabil pentru dark energy care face bounce universului - un nou ciclu incepe, poate cu alte valori ale constantelor naturii. Si tot asa pentru eternitate.

Care dintre ele este corect? Nu stim, pentru ca depinde de multe lucruri care nu sunt tocmai accesibile experimental - este dark energy constanta cosmologica? A avut loc inflatia? Este Natura supersimetrica? Sunt ceea ce par 3 (sau 4) forte separate o singura forta? Este dark energy constanta sau variaza in timp? Se pierde informatia in gaurile negre? Au gaurile negre un interior? Este universul o holograma? Care este reprezentarea cuantica a universului? Si asa mai departe. Chiar si asa insa este interesant de vazut cam ce fel de propuneri exista pentru viitorul indepartat al universului.