Why our universe might exist on a knife-edge

So last year, on the Fourth of July, discovered the Higgs boson. The biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story.

Since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature,even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. First I’ll tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material,but is about a change of the very fabric of space-time

During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field and this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time,just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.

By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, That the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denserthan what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states,and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. Quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems.
If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water,then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.
Don’t you think it’s a big problem?
The intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.

So, I wonder, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. It is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.

After some studies we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation.The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself

So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time.
Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.

But the reason which makes maximum interest in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.

This story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new cluesto this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. We started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.

But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.

Guian Gaudice's speech, theoretical physicist.

https://www.ted.com/talks/gian_giudice_why_our_universe_might_exist_on_a_knife_edge

¿Por qué nuestro universo podría existir en el filo de un cuchillo?

El cuatro de julio del año pasado (2013) descubrieron el bosón de Higgs. La mayor sorpresa de ese día fue que no había ninguna gran sorpresa. En el ojo de un físico teórico, el bosón de Higgs es una explicación inteligente de cómo algunas partículas elementales ganan la masa, pero parece una solución bastante insatisfactoria e incompleta. Demasiadas preguntas quedan sin respuesta. El bosón de Higgs no comparte la belleza, la simetría, la elegancia del resto del mundo de las partículas elementales, por eso los físicos teóricos creen que no puede ser la historia completa. 
Ya que no se han encontrado ninguna evidencia de nuevos fenómenos, vamos a suponer que las partículas que conocemos hoy en día, como el bosón de Higgs, son las únicas partículas elementales en la naturaleza, incluso a energías mucho mayores que lo que hemos explorado hasta lejos y veremos hasta donde nos llevan las hipótesis.
Primero tenemos que saber de qué va el bosón de Higgs, para eso tenemos que volver a  la décima parte de una billonésima de segundo después de la Big Bang. Y de acuerdo con la teoría de Higgs, en ese instante, un acontecimiento dramático tuvo lugar en el universo. El espacio-tiempo se sometió a un cambio de fase. Era algo muy similar a la de transición de fase que se produce cuando el agua se convierte en hielo por debajo de cero grados. Pero en nuestro caso, la transición de fase no es un cambio en la forma en que las moléculas se disponen en el interior del material, sino que se trata de un cambio de la estructura misma del espacio-tiempo.
Durante esta fase de transición, el espacio vacío se llenó de una sustancia que ahora llamamos campo de Higgs. Y esta sustancia puede parecer invisible para nosotros, pero tiene una realidad física. Nos rodea todo el tiempo, al igual que el aire que respiramos en esta habitación. Y algunas partículas elementales interactúan con esta sustancia, la obtención de energía en el proceso. Y esta energía intrínseca es lo que llamamos la masa de una partícula, y al descubrir el bosón de Higgs, el LHC ha demostrado de manera concluyente que esta sustancia es real, ya que es la materia de los bosones de Higgs se hacen. Y esto, en pocas palabras, es la esencia de la historia de Higgs.
Mediante el estudio de la teoría de Higgs, los físicos teóricos descubrieron, no a través de un experimento, pero con el poder de las matemáticas, que el campo de Higgs no existe necesariamente sólo en la forma que observamos hoy. Al igual que la materia puede existir en forma líquida o sólida, por lo que el campo de Higgs, la sustancia que llena todo el espacio-tiempo, podría existir en dos estados. Además del estado de Higgs conocida, podría haber un segundo estado en el que el campo de Higgs es miles de millones y miles de millones de veces más denso que lo que observamos hoy en día, y la mera existencia de otro estado del campo de Higgs plantea un problema potencial. Esto se debe a que, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, que es posible tener transiciones entre dos estados, incluso en la presencia de una barrera de energía que separa los dos estados, y el fenómeno se llama, muy apropiadamente, túnel cuántico. A causa de túnel cuántico, podría desaparecer de esta habitación y reaparecer en la habitación de al lado, prácticamente penetrar la pared.  El túnel cuántico es un fenómeno real, y se ha observado en muchos sistemas.
Si existió el estado de Higgs ultra-denso, entonces, a causa de túnel cuántico, una burbuja de este estado podría aparecer de repente en un lugar determinado del universo en un momento determinado, y es análogo a lo que sucede cuando se hierve el agua. Burbujas de forma de vapor en el interior del agua, luego se expanden, convirtiendo el líquido en gas. De la misma manera, una burbuja del estado de Higgs ultra densa podría llegar a existir a causa de túnel cuántico. La burbuja entonces ampliar a la velocidad de la luz, que invade todo el espacio, y convirtiendo el campo de Higgs del estado familiarizado a un nuevo estado.
¿Esto es un gran problema no creen?

La intensidad del campo de Higgs es fundamental para la estructura de la materia. Si el campo de Higgs eran sólo un par de veces más intenso, veríamos átomos reduciendo, los neutrones en descomposición dentro de los núcleos atómicos, los núcleos de desintegración, y el hidrógeno sería el único elemento químico posible en el universo. Y el campo de Higgs, en el estado de Higgs ultra-denso, no es tan sólo un par de veces más intensos que en la actualidad, sino miles de millones de veces, y si el espacio-tiempo fueron ocupados por este estado de Higgs, toda la materia atómica colapsaría. No hay estructuras moleculares serían posibles, no hay vida.

Así que, me pregunto, ¿cuál es el destino del campo de Higgs en nuestro universo? El ingrediente crucial necesario para responder a esta pregunta es la masa del bosón de Higgs que es grande en unidades de física de partículas, ya que es igual al peso de una molécula entera de un constituyente de ADN.
Tras unos estudios se encontró con un resultado muy interesante. Esos cálculos mostraron que el valor medido de la masa del bosón de Higgs es muy especial. Tiene sólo el valor de la derecha para mantener el universo que cuelga en una situación inestable. El campo de Higgs está en una configuración oscilante que ha durado hasta ahora, pero que con el tiempo se derrumbará. Así que de acuerdo con estos cálculos, somos como los campistas que establecen accidentalmente su tienda de campaña en el borde de un acantilado. Y con el tiempo, el campo de Higgs se someterá a una transición de fase y la materia se colapsará sobre sí mismo. 
Es así como la humanidad va a desaparecer? No lo creo. Nuestro cálculo muestra que túnel cuántico del campo de Higgs no es probable que ocurra en los próximos 10 a los 100 años, y este es un tiempo muy largo. 

En unos cinco millones de años, nuestro Sol se convertirá en una bola gigante roja, tan grande como la órbita de la Tierra, y la Tierra en mil millones de años, si la energía oscura sigue alimentando la expansión del espacio al ritmo actual, ni siquiera seremos capaces de ver tan lejos como para vernos los dedos de los pies, porque todo lo que te rodea se expande a una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Por lo que es muy poco probable que estemos aquí para ver el derrumbamiento del campo de Higgs. 
Pero la razón por la que hay un interés máximo en la transición del campo de Higgs es porque hay que responder a la pregunta, ¿por qué es la masa del bosón de Higgs es tan especial? ¿Por qué es justo para mantener el universo en el borde de una transición de fase? 
Los físicos teóricos siempre se preguntan "por qué". Más de cómo funciona un fenómeno, están siempre interesados ​​en saber por qué un fenómeno trabaja en la forma en que funciona. Pensamos que estos "por qué" pueden dar pistas sobre los principios fundamentales de la naturaleza. Y, de hecho, una posible respuesta a la pregunta abre nuevos universos, literalmente. Se ha especulado que nuestro universo es sólo una burbuja en un multiverso con jabón hecho de una multitud de burbujas, y cada burbuja es un universo diferente con diferentes constantes fundamentales y diferentes leyes físicas. Y en este contexto, sólo se puede hablar de la probabilidad de encontrar un cierto valor de la masa del Higgs. A continuación, la clave del misterio podría estar en las propiedades estadísticas del multiverso. Sería algo así como lo que sucede con las dunas de arena en una playa. En principio, se podría imaginar que encontrar dunas de arena de cualquier ángulo de la pendiente en una playa, y, sin embargo, los ángulos de pendiente de las dunas de arena son típicamente alrededor de 30, 35 grados. Y la razón es simple: porque el viento se acumula la arena, la gravedad hace caer. Como resultado de ello, la gran mayoría de dunas de arena tienen ángulos de pendiente alrededor del valor crítico, cerca de colapsar. Y algo similar podría ocurrir por la masa del bosón de Higgs en el multiverso. En la mayoría de universos burbuja, la masa del Higgs podría ser alrededor del valor crítico, cerca de un colapso cósmico del campo de Higgs, debido a dos efectos que compiten, al igual que en el caso de la arena.

Esta historia no tiene un final, porque todavía no sabemos el final de la historia. Esto es ciencia en curso, y para resolver el misterio, necesitamos más datos, y es de esperar, el LHC pronto añadirá nuevas pistas para esta historia. Sólo un número, la masa del bosón de Higgs, y, sin embargo, fuera de este número que aprendemos mucho. Partimos de una hipótesis, que las partículas conocidas son todo lo que hay en el universo, incluso más allá del dominio explorado hasta ahora. A partir de este, hemos descubierto que el campo de Higgs que impregna el espacio-tiempo puede estar de pie en un borde de cuchillo, listo para el colapso cósmico, y nos dimos cuenta de que esto puede ser un indicio de que nuestro universo es sólo un grano de arena en una playa gigante, el multiverso. 

No sé si esta hipótesis es correcta. Así es como funciona la física: Una sola medición puede ponernos en el camino hacia una nueva comprensión del universo o nos puede enviar un callejón sin salida. Pero lo que resulta ser, hay una cosa que estoy seguro: El viaje estará lleno de sorpresas.

Extraído de la conferencia de Gian Gaudice, físico teórico

Para mejor comprensión pueden verlo en https://www.ted.com/talks/gian_giudice_why_our_universe_might_exist_on_a_knife_edge

   

¡Hola a todos!

¡Hola a todos! Primero tengo que decir es que las entradas estarán en inglés y español, pero mi inglés no es muy bueno, por eso me disculpo por si me confundo con algunas palabras.
En unos días subiré un audio presentando el blog.
¡Hasta pronto!



Hi everyone! Firstly I have to say the entries are going to be in english and spanish, but my english is not so good, so I'm sorry if I get confuse with some words. 
In a few days I´ll upload an audio introducing the blog.
See you!