El Destino Último del Cosmos

El Big Bang, ese evento único de la creación, fue la chispa divina mediante la cual el creador inició su obra maestra: el cosmos. Hace unos 14mil millones de años, ocurrió una colosal explosión de espacio-tiempo que desató todo lo que ocurre y todo lo que ocurrirá por siempre. Así se inició la existencia. Existencia a la cual tenemos el privilegio circunstancial de pertenecer.

Si bien, los capítulos intermedios de esta magnífica manifestación son desbordantemente asombrosos, el desenlace final puede ser desgarradoramente trágico. Desde el mismo inicio de la creación quedó escrito un sombrío destino de vacío, frialdad y oscuridad cósmica. El cosmos pude morir.

Toda la evidencia apunta en esa dirección. A juzgar por lo que hoy se sabe, se trata de una posibilidad seria. El cosmos se expande aceleradamente creando vacío. Y eso, a la larga, en unos 10^100trillones de años, provocará la separación de todos los eventos y toda la existencia hasta alcanzar un desvanecimiento completo de la realidad. Al final, el universo descansará como un gélido y oscuro vacío.

En principio, una colosal explosión inicial de espacio-tiempo generó un campo cuántico fluctuante que tiene el poder de fabricar vacío por toda la eternidad. Esta creación perpetua de vacío es lo que terminará desgarrando, enfriando y oscureciendo el universo hasta convertirlo en un cadáver de sólo espacio-tiempo. El espacio-tiempo explotó, se transformó y evolucionó pero de todo eso sólo espacio-tiempo quedó.

La energía que impulsa la expansión acelerada del universo se llama energía oscura o energía del vacío. No se sabe bien de qué consiste esta energía, y se la ha calculado en aproximadamente 1 protón por metro cúbico de espacio; se sospecha que esta energía proviene de fluctuaciones intrínsecas de un campo cuántico que llena el vació.

La ecuación de campo de la teoría general de la relatividad captura en parte el efecto expansión del espacio-tiempo a travez de lo que se llama "constante cosmológica". Albert Einstein agregó esta constante en su ecuación de campo para cuadrar los efectos que tiene la densidad energía-momento sobre la geometría global del espacio-tiempo en un universo estático. Esta constante presupone que la densidad de energía no cambia con la expansión del espacio-tiempo.

La evolución de la densidad de energía en el vacío permite derivar conclusiones trascendentes sobre el destino del universo. Si la densidad disminuye, entonces la energía oscura es como una quintaescencia que permite una expansión menos intensa pero acelerada del vacío. Si la densidad es constante, entonces la energía se llama constante cosmológica. Si la densidad aumenta entonces la energía oscura es una energía fantasma que genera condiciones para lo que se llama Big-Rip o desgarro absoluto del cosmos.

En cualquiera de estos casos, el universo decae en una disolución eterna. Sea por expansión moderada, por surgimiento de horizontes de sucesos o por desgarro precipitado, el universo se disuelve. Cualquiera de estas alternativas expresa el dominio final del vacío y de la energía oscura del espacio-tiempo.

Será así la historia de la creación? Este es el dominio del creador. Los detalles de la historia escapan a la comprensión humana. El hombre puede descubrir las posibilidades sin llegar a entender el significado de una muerte tenebrosa como el destino último del cosmos.

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Naturaleza del Tejido Cuántico

A nivel cuántico, en ausencia de medición y para cada instante infinitesimal, todos los estados de cualquier propiedad de una partícula están superpuestos. Por esto se dice que las propiedades de las partículas no están definidas con precisión absoluta antes de la medición. Esta es la idea central y más revolucionaria de la teoría: el concepto de superposición cuántica y la naturaleza probabilística (indeterminada) de las propiedades de las partículas; algo omnipresente a nivel cuántico.

En física clásica, se asume que las partículas tienen propiedades bien definidas en cada instante. Así, propiedades como posición, velocidad, momento, tiempo, etc., toman valores absolutos independientemente de si estas propiedades son observadas, medidas o calculadas. Por ejemplo, si una pelota está en movimiento, se puede decir con certeza cuál es su posición y velocidad en cualquier instante dado, aún sin observarla. No es que cada propiedad puede tomar uno de varios valores posibles sino que sólo puede tomar un único valor con absoluta certeza.

En contraste, la mecánica cuántica sugiere que, hasta que se realice una medición, las partículas como electrones, fotones, etc., no tienen valores definidos para ciertas propiedades. En lugar de eso, lo que se define es una función de onda que proporciona la información sobre la probabilidad de encontrar la partícula en un estado particular cuando se mide. Esta función de onda puede describir múltiples posibilidades simultáneamente —un estado conocido como superposición—.

Cuando una medición (observación o cálculo) es realizada, la función de onda "colapsa" a uno de los posibles estados definidos, y es en ese momento que la propiedad de la partícula (como la posición o el momento) toma un valor concreto. Antes de la medición, decir que una partícula tiene una posición o momento específico no tiene sentido dentro del marco de la mecánica cuántica.

Así, las propiedades de las partículas son intrínsecamente probabilísticas hasta que son observadas, medidas o calculadas. Se dice entonces que, a nivel cuántico, los sistemas tienen estados superpuestos que colapsan o se manifiestan en el instante de la observación práctica o derivativa.

El fenómeno de incertidumbre no expresa una limitación tecnológica en la capacidad de medir o calcular sin perturbar, sino una propiedad fundamental de cómo funcionan las partículas a nivel cuántico. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg formaliza matemáticamente este aspecto, estableciendo un límite a la precisión con la que ciertas propiedades pueden ser conocidas simultáneamente.

La idea de que las propiedades de una partícula están en superposición antes de realizar una medición es una manera de entender la naturaleza de la función de onda cuántica. La función de onda encapsula toda la información posible sobre el estado de una partícula y describe una superposición de todos los posibles estados en los que la partícula puede encontrarse.

Superposición, colapso e incertidumbre se combinan de la siguiente manera:

a. Superposición Cuántica: Una partícula, como un electrón en un átomo, no tiene una posición o un momento definidos antes de la medición. En lugar de eso, la función de onda del electrón describe una superposición de todos los posibles lugares donde podría encontrarse el electrón. La forma exacta de la función de onda depende del sistema y de las condiciones a las que está sujeta la partícula.

b. Evolución Temporal: La evolución en el tiempo de la función de onda de una partícula está regida por la ecuación de Schrödinger, una ecuación fundamental en mecánica cuántica. Según esta ecuación, la función de onda evoluciona de manera determinista mientras no se realice ninguna medición. Esto significa que, en ausencia de observación, el estado de superposición de la partícula cambia con el tiempo de acuerdo a principios predecibles.

c. Colapso de la Función de Onda: Cuando se realiza una medición, como determinar la posición de un electrón, la función de onda se "colapsa" a un estado particular. Es decir, de todas las posibilidades descritas por la función de onda, se selecciona una en el acto de medir. Antes de esta medición, no es correcto decir que el electrón estaba en alguna posición específica.

d. Efecto Incertidumbre: El colapso de la función de onda es de tal forma que la precisión en la medida de una propiedad determina la incertidumbre en la medida de la propiedad (conjugada) de un par (a, b), según las exigencias establecidas en las expresiones del principio de incertidumbre: el aumento en la precisión al medir una propiedad, incrementa la incertidumbre en la medida de la propiedad conjugada.

En cada instante y mientras las propiedades cuánticas no han sido medidas, se considera que la partícula mantiene sus propiedades en estados superpuestos con todas sus posibilidades permisibles según su función de onda. Esto no se limita a propiedades como posición-momento o energía-tiempo; también incluye otras propiedades como el espín, la polarización, entre otras. Cualquier partícula cuántica permanece en ese estado incierto de superposición.

Este principio es lo que habilita el surgimiento de ciertos fenómenos como la interferencia y el entrelazamiento cuántico, que son fundamentales en tecnologías emergentes como la computación cuántica y la criptografía cuántica.

El principio de incertidumbre emerge del formalismo matemático empleado para abordar el estudio de la naturaleza cuántica y ondulatoria de la materia. Tal Principio se puede derivar y entender completamente a través del formalismo de operadores y espacios de Hilbert en mecánica cuántica, sin necesidad de recurrir a otros principios de la física.

¿De dónde proviene, últimamente, la superposición de estados cuánticos? ¿Por qué las propiedades a nivel cuántico permanecen superpuestas? En principio esto ocurre porque los fenómenos a nivel cuántico tienen permitido esa posibilidad, grado de libertad que se pierde a medida que las fuerzas naturales consolidan los estados macroscópicos.

La superposición puede estar ocurriendo porque esa libertad, de estados superpuestos, le otorga mayor flexibilidad y estabilidad al sistema cuántico. La miriada, el maremagma, de fenómenos que ocurren a pequeña escala colapsaría en un caos bajo condiciones deterministas por las ingentes demandas de energía-tiempo destinadas a la coordinación de estados cuánticos.

Pero la incógnita persiste! Puede estar ocurriendo que a pequeña escala se vuelve relevante no sólo la granulometría fina de la masa (y la energía) sino también la cuantización del espacio-tiempo. Así como hay cuantos de acción expresados por la constante de Planck, pueden existir cuantos de espacio-tiempo, todavía no medidos ni teorizados, que dejarían a los fenómenos con propiedades indeterminadas. Así de extraña podría ser la naturaleza del tejido cuánticos.

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