Universos ocultos

Las observaciones cosmológicas podrían también, en definitiva, decirnos más sobre la estructura del espacio-tiempo. Las observaciones de hoy sondean el aspecto que tuvo el universo hace miles de millones de años. Muchas concuerdan con las predicciones, pero quedan algunas cuestiones importantes. Si vivimos en un universo extradimensional, éste ha debido de ser muy diferente en tiempos más tempranos. Y algunas de esas diferencias podrían ayudar a explicar aspectos desconcertantes de las observaciones. Los físicos están ahora estudiando las implicaciones de las dimensiones extras en cosmología. Podríamos descubrir materia oscura oculta en otras branas o energía cosmológica almacenada en objetos ocultos de dimensión superior.

Aunque todavía tenemos que entender el origen último de la materia a su nivel más profundo, espero haber convencido al lector de que no comprendemos muchos aspectos de su naturaleza fundamental a las escalas de distancia que hemos estudiado experimentalmente. Y aunque no conozcamos los elementos más básicos del espacio-tiempo, comprendemos sus propiedades para distancias muy distintas de la longitud de la escala de Planck. En estos dominios podemos aplicar los principios físicos que entendemos y deducir los tipos de consecuencias que he descrito. Hemos encontrado muchos rasgos inesperados de las dimensiones extras y de las branas, y esos rasgos podrían desempeñar un papel crucial en la resolución de algunos enigmas de nuestro universo. Las dimensiones extras nos han abierto los ojos y la imaginación ante nuevas posibilidades asombrosas. Ahora sabemos que pueden aparecer situaciones extradimensionales de cualquier número de formas y tamaños. Podrían tener dimensiones extras arqueadas, o acaso dimensiones extras grandes, podrían contener una brana, o dos; podrían contener partículas en el bulto y otras partículas confinadas en branas. El cosmos podría ser más grande, rico y variado de lo que hemos imaginado.

IV. Teoría de matrices

La teoría de matrices, una herramienta para estudiar la teoría de cuerdas, proporciona pistas todavía más misteriosas sobre las dimensiones. Superficialmente, la teoría de matrices aparenta ser una teoría cuántica que describe el comportamiento y las interacciones de las branas D0 (branas como puntos) que se mueven en diez dimensiones. Pero aunque la teoría no contenga explícitamente la gravedad, las branas D0 actúan como gravitones. Así que la teoría acaba teniendo interacciones gravitatorias, aunque el gravitón esté aparentemente ausente.

I. Geometría arqueada y dualidad

En los capítulos 20 y 22 expliqué algunas de las consecuencias de la geometría arqueada del espacio-tiempo que Raman Sundrum y yo desarrollamos. En esa geometría, las masas y los tamaños de los objetos dependen de su localización a lo largo de la quinta dimensión, y, además, la gravedad está localizada en el entorno de una brana. Pero hay todavía un rasgo más asombroso de este espacio-tiempo arqueado, conocido técnicamente como espacio anti De Sitter, del que tengo pendiente hablar; este rasgo conduce a nuevas cuestiones sobre la dimensionalidad.

Ahora sabemos que la gravedad puede comportarse de modo diferente en diferentes escalas de distancia. A distancias muy cortas, sólo una teoría cuántica de la gravedad, como la teoría de cuerdas, podrá describir la gravedad. En escalas más grandes, la relatividad general funciona muy bien, pero algunas observaciones recientes a lo largo del universo a distancias enormes plantean enigmas cosmológicos, como, por ejemplo, qué es lo que acelera su expansión. Y a distancias todavía más grandes, alcanzamos el horizonte cosmológico más allá del cual no sabemos nada.

bservaciones recientes del cosmos apuntan hacia otros misterios que queremos abordar. ¿Qué es lo que compone la mayor parte de la energía y de la materia del universo? ¿Hubo una breve fase de expansión explosiva al principio de la evolución del universo? Y si fue así, ¿qué fue lo que la causó? Asimismo, todo el mundo quiere saber cómo era el universo cuando nació.

LO QUE ES NUEVO:

• La gravedad localizada es un fenómeno local. No depende de las regiones lejanas del espacio-tiempo.

• La gravedad puede comportarse como si el mundo tuviera diferentes dimensiones en diferentes regiones, ya que un gravitón localizado no se extiende necesariamente sobre todo el espacio.

• Podríamos estar viviendo en un recodo aislado del espacio, el cual parece tetradimensional.

Más allá del horizonte, no sabemos nada. El espacio no tiene por qué ser como el nuestro. Periódicamente ponemos al día y revisamos la revolución copernicana, a medida que conocemos mejor el universo y nos volvemos conscientes de que no en todas partes las cosas han de ser, necesariamente, como vemos que son aquí. Aunque las leyes de la física sean las mismas en todas partes, eso no significa que el escenario en el que se desenvuelven sea el mismo. Podría ser que las branas próximas indujeran en nuestro entorno una ley de fuerza gravitatoria diferente de la que se ve en los demás sitios.

¿Cómo podemos afirmar que conocemos la dimensión del universo que está fuera de nuestro alcance? No habría ninguna contradicción si el universo que hay más allá exhibiera más dimensiones, quizá cinco, quizá diez, quizá más. Pensando en la mera esencia, más que suponiendo que todo, incluso en las regiones inaccesibles, está hecho de espacio-tiempo parecido al nuestro, podemos deducir lo que es realmente fundamental y lo que, en definitiva, es concebible y legítimo.

Pero supongamos que reflexionamos un poco más y nos preguntamos qué es lo que sabemos con certeza sobre las dimensiones del espacio. No sabemos que el espacio sea en todas partes tridimensional, sino sólo que el espacio que hay cerca de nosotros es tridimensional. El espacio parece tener tres dimensiones (y el espacio-tiempo cuatro) a distancias que podemos ver. Pero el espacio puede extenderse más allá, por territorios inaccesibles.

LO QUE ES NUEVO:

• El espacio-tiempo puede curvarse drásticamente en presencia de energía de las branas y del bulto, incluso en el caso en el que la propia brana sea completamente plana.

• El modelo que hemos considerado en este capítulo tiene dos branas, la Brana de la Gravedad y la Brana Débil, en cada uno de los extremos de una quinta dimensión de tamaño finito. La energía del bulto y de las branas comban el espacio-tiempo.

• Una única dimensión extra introduce un modo enteramente nuevo de resolver el problema de la jerarquía. La quinta dimensión en este modelo no es grande, pero es muy arqueada. La intensidad de la gravedad depende de dónde esté uno en la quinta dimensión. La gravedad es fuerte en la Brana de la Gravedad y débil en la Brana Débil, en la que residimos nosotros.

• Desde la perspectiva de un observador que piensa que está en cuatro dimensiones, los objetos poseerían diferentes tamaños y masas si tienen su origen en puntos distintos de la quinta dimensión. Los objetos confinados en la Brana de la Gravedad serían muy pesados (con una masa parecida a la masa de la escala de Planck), mientras que los objetos confinados en la Brana Débil tendrían masas mucho más pequeñas, de aproximadamente un TeV.

• Todas las fuerzas pueden unificarse y el problema de la jerarquía puede resolverse si la partícula de Higgs (pero no los bosones gauge) está confinada en la Brana Débil.

• En los aceleradores de partículas, las compañeras de KaluzaKlein del gravitón producirían colisiones muy distintivas; dentro del detector, se desintegrarían en partículas del modelo estándar.

• En los modelos en los que las partículas del modelo estándar están en el bulto, pueden producirse y observarse otras partículas KK.