¿Un universo sin luz?

Hmm, esta es una pregunta difícil porque hay tantos factores que intervienen en hacer posible la vida que es difícil estar realmente seguro de qué cambios podríamos hacer en la física que todavía permitirían la vida. Demonios, es bastante difícil incluso llegar a una definición hermética de lo que constituye 'vida' en primer lugar.

Pero aún más pertinente, existe el problema de que si modificas una parte de la física, no hay garantía de que funcione de la misma manera. La realidad no sigue cortésmente un conjunto de reglas que establecemos, simplemente hace lo que hace: las teorías científicas son solo modelos ad-hoc que hemos encontrado que parecen hacer un buen trabajo al predecir lo que será. . Entonces, si cambio un modelo que describe cómo funciona un aspecto de la naturaleza, no siempre está claro cómo cambiará un modelo diferente que describa un aspecto diferente de la naturaleza, porque las teorías científicas no explican la naturaleza , la modelan . La única forma de responder definitivamente a la pregunta de cómo se vería el universo si modificáramos nuestra física es si ya tuviéramos una teoría que modelara perfectamente la naturaleza, quelamentablemente no tenemos .

Habiendo dicho todo eso, tomaré una puñalada del marco del electromagnetismo clásico. Mi idea aquí sería establecer la permeabilidad del espacio libre,$\mu_0$, a$0$. Lectura de las ecuaciones de Maxwell que gobiernan el magnetismo

De esto podemos ver que si$\mu_0=0$, el campo magnético es cero en todas partes (asumiendo las condiciones de frontera estándar que desaparecen). Pero si el campo magnético es siempre cero, no puede haber ondas electromagnéticas que se propaguen, ya que éstas son provocadas por el acoplamiento entre los campos eléctrico y magnético. Por lo tanto, ¡no hay luz en este universo! Ahora, todavía es posible transmitir información a larga distancia moviendo partículas cargadas y midiendo cómo cambia el campo eléctrico, pero esto no es práctico ya que la mayoría de la materia está muy cerca de ser eléctricamente neutra (de hecho, esto también es posible en nuestro propio universo, pero es tan poco práctico que ninguna forma de vida lo usa para 'ver').

Como dije antes, es difícil saber exactamente cómo afectará esto a la física, pero en su mayor parte no debería cambiar demasiado las cosas ya que la fuerza eléctrica tiende a dominar las fuerzas magnéticas en la mayoría de los problemas. Algunas excepciones notables:

• Quizás lo más profundo es que esto arruina por completo la relatividad porque las fuerzas a través del campo eléctrico ahora pueden propagarse instantáneamente. Básicamente, esto tiene el efecto de desacoplar el espacio-tiempo y convertir el tiempo en una coordenada absoluta, lo que hace que la mecánica newtoniana sea mucho más precisa.
• La física del plasma, especialmente dentro de la astrofísica, se verá muy diferente. Los movimientos de la mayoría de los plasmas astrofísicos están gobernados por fuerzas magnéticas, porque el blindaje de Debye los hace más o menos eléctricamente neutros.
• Será imposible generar electricidad a través de la inducción; las únicas formas serían métodos electrostáticos como baterías y generadores Van de Graaff.

• En el marco de la mecánica cuántica, sin relatividad significa que no hay giro, lo que tendría algunos efectos bastante significativos en la estructura atómica. El principio de exclusión de Pauli no requiere la derivación de la relatividad, por lo que los electrones aún se apilarían en orbitales y aún habría diferentes elementos, lo cual es bueno. Sin embargo, se apilarían más rápidamente ya que ya no pueden emparejarse con electrones de espín opuesto. Entonces, este mundo todavía tendría una química capaz de construir elementos complejos, pero esos elementos actuarían de manera muy diferente a la nuestra*.

• También relacionado con la falta de giro en la mecánica cuántica: sus científicos alienígenas no observarán la estructura fina o hiperfina de los átomos, y los superconductores no serán una cosa.

Estoy ignorando los problemas que produce la falta de relatividad cuando se trata de describir la creación y aniquilación de partículas, es decir, cuando QFT y las otras fuerzas fundamentales comienzan a entrar en la mezcla. Esto se debe principalmente a que no sé lo suficiente de las matemáticas detrás de QFT para dar una respuesta segura, pero también a mi conversación anterior sobre cómo puede no estar claro cómo los cambios en los modelos físicos afectarían a otros modelos dentro de ese universo.

*EDITAR : en realidad, estaba un poco descuidado aquí: no necesita la relatividad para mostrar que la paridad de una función de onda es un valor conservado. Sin embargo, lo necesita para probar el teorema de las estadísticas de espín, que dice que los estados de paridad mixta no ocurren para las partículas y que la paridad está vinculada al espín de la partícula. para asegurarme de que su química funcione, simplemente haría un postulado de que las partículas solo pueden tener funciones de onda simétricas o antisimétricas.

OK, aquí está mi propia respuesta.

Hay básicamente tres opciones con las que trabajar:

1. Elimine el campo electromagnético y reemplácelo con algo completamente diferente.
2. Elimine el campo electromagnético e intente ajustar las otras fuerzas para compensarlo de una manera que no vuelva a introducir otro tipo de luz (por ejemplo, piones sin masa ).
3. Altera el campo electromagnético para que los fotones libres no puedan propagarse.

He pasado algún tiempo contemplando las opciones 1 y 2, y siempre parecen descarrilarse con bastante rapidez, volviéndose lo suficientemente complicadas como para construir un universo completamente nuevo desde cero. La respuesta de El duderino está en el ámbito de la opción 3, al igual que mi siguiente alternativa:

Para restringir la propagación de fotones, en lugar de alterar las propiedades del espacio como en la respuesta de el duderino, podemos hacer que el fotón decaiga en distancias relativamente cortas. Para que los fotones se desintegren, necesitarán experimentar el tiempo, lo que significa que necesitan masa, pero no necesariamente mucha masa. Dar masa a los fotones también restringe el rango de la fuerza EM estática, reemplazando el potencial de Coulomb habitual con un potencial de Yukawa generalizado con decaimiento exponencial, al igual que la fuerza nuclear residual transportada por piones masivos.

$U(r) = -g^2\frac{e^{-\alpha m r}}{r}$

dónde$g$es la fuerza de acoplamiento constante,$\alpha$es un factor de escala para obtener las unidades correctas, y$m$es la masa del bosón de calibre y determina la tasa de caída del campo. Como$m$se aproxima a cero, esto se simplifica al potencial normal de Coulomb, por lo que si$m$permanece muy pequeño, podemos retener la estructura atómica y química con solo perturbaciones menores, y posiblemente incluso retener algunos efectos EM macroscópicos (o no, según elijamos).

Sin embargo, dar masa a los fotones es solo una condición necesaria, no suficiente, para el decaimiento de corto alcance de los fotones libres. También necesitamos algo para que se descompongan en. La primera opción obvia para probar es hacer que los fotones se descompongan en pares de electrones y positrones, por lo que el universo termina lleno de un gas de positronio como forma dominante de materia, en lugar de hidrógeno. Esa podría ser una buena vía para explorar de forma independiente, pero significa que la masa del fotón debe ser de al menos 1,022 MeV, lo que a su vez limita su rango a escalas nucleares. ¡Eso definitivamente arruinaría la química! A continuación, podríamos tener la tentación de preguntar si los fotones podrían desintegrarse en neutrinos y, lamentablemente, la respuesta es "no". La razón es que los neutrinos no tienen carga eléctrica, solo isospín débil, por lo que no se acoplan al campo electromagnético y no pueden participar en la producción, descomposición o absorción del bosón electromagnético.

Entonces, vamos a tener que agregar un campo de fermiones completamente nuevo para permitir una ruta para el decaimiento de fotones. Afortunadamente, considerando y rechazando tanto la desintegración de electrones como la desintegración de neutrinos como candidatos adecuados, ¡hay un todo evidente en el inventario de partículas de nuestro universo que resuelve muy bien el problema!

Tenga en cuenta que los electrones tienen carga eléctrica e isospin débil, por lo que interactúan tanto electromagnéticamente como débilmente. Los neutrinos solo tienen un isospín débil, por lo que solo interactúan débilmente. Pero, ¿dónde están las partículas con solo carga y sin isospín débil?

Si agregamos tales partículas y les damos una masa muy baja, eso resuelve la mayoría de nuestros problemas. Al ser de baja masa, no se unirán a los átomos, por lo que los electrones no se molestan para continuar apoyando la química. Al tener carga, soportarán la descomposición de fotones...

...pero, podemos tener un nuevo problema: puede que hayamos desestabilizado el electrón. Si hay una partícula débil de isospín de baja masa (el neutrino) y una partícula cargada de baja masa (lo nuevo, llamémosla electrino ) , entonces quizás los electrones puedan descomponerse en un par de electrón-neutrino y electrino, repartiendo sus cargos entre ellos.

Afortunadamente, sin embargo, otras dos leyes de conservación vienen al rescate: ¡la conservación del espín (es decir, el momento angular) y la conservación del número de leptones! Si también se conserva la "electronidad" (como parece ser en el régimen de baja energía, módulo cualquier proceso que termine explicando la asimetría materia/antimateria), entonces un electrón podría producir un neutrino electrónico o un electrino, pero no ambos. Y dar a nuestras nuevas partículas un espín medio entero (es decir, convertirlas en fermiones) al igual que otros leptones significa que una partícula madre debe tener espín 0 o espín 1, lo cual no es un electrón .

La introducción de un nuevo campo cargado de baja masa cambiará la forma en que funciona la polarización del vacío e introducirá un debilitamiento adicional del campo electromagnético en distancias muy grandes, pero de todos modos será difícil separarlo del decaimiento exponencial inducido por la masa del fotón. .

En este punto, asegurarse de que los fotones no sean útiles para la visión es solo una cuestión de ajustar las proporciones de masa del fotón y el electrino para mantener la vida media del fotón realmente baja, limitando así su rango. Desafortunadamente, las matemáticas que gobiernan las tasas de desintegración de los bosones de este tipo (los análogos más cercanos serían las desintegraciones de los bosones W y Z) están muy por encima de mi cabeza, por lo que tengo que ponerme un poco manos a la obra con los valores exactos, pero hasta ahora, parece que este enfoque de simplemente agregar una ruta de descomposición para los fotones debería funcionar.