Dios Ha Ajustado Perfectamente el Universo?

Article Highlights:

1. La existencia de la vida depende de una combinación excepcional de condiciones del universo.
2. La física de los quarks y la estabilidad de partículas son fundamentales para la formación de elementos.
3. El universo parece tener parámetros ajustados con precisión para permitir la vida, pero hay diversas interpretaciones sobre esta observación.

¿Cómo de raro es que estemos aquí? Si lo piensas, para que surgiera la vida han tenido que juntarse muchísimas cosas. Que existan protones, neutrones y electrones capaces de combinarse en toda una gama de átomos estables. Que aparezcan galaxias, estrellas y planetas. Que las estrellas vivan suficiente tiempo y estén lo bastante calientes para generar energía, pero a la vez que estallen para formar y diseminar los elementos más pesados.

Que algunos planetas estén situados a la distancia justa de sus estrellas para que no nos achichremos ni nos muramos de frío. Que esos mundos puedan retener una atmósfera y tengan una composición química adecuada para que surjamos. Todas estas cosas y muchas otras podrían no haber sucedido si las leyes físicas del universo fueran un poquito distintas. O al menos eso parece.

¿Significa eso que el cosmos está ajustado finamente para la vida? ¿Es una prueba de que un ente superior ha construido el universo o es todo un espejismo? Vamos a verlo. Somos capaces de averiguar estas sutilezas del universo porque modelamos el mundo que nos rodea con matemáticas. Si quieres dar los primeros pasos para hacerlo tú mismo, te recomiendo mucho Brilliant.

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Y ahora sí, veamos si el cosmos está tan hecho al milímetro. Empecemos por aquí. La masa del electrón. Una partícula ligerísima, 3000 cuatrillones de veces más liviana que una pelota de ping pong. Peso, mimos ca. Es lo que vemos en nuestros experimentos.

¿Pero podríamos preguntarnos por qué esa cifra no podría ser otra? Hay otros números dentro de la física que sí sabemos por qué valen lo que valen, o al menos por qué están en cierto rango. Por ejemplo, si me preguntas por qué todas las estrellas tienen una masa relativamente parecida, no hay estrellas del tamaño de galaxias ni tampoco de bolsillo. Yo te diría que hay una explicación. Si son demasiado grandes, las estrellas colapsan; demasiado pequeñas y directamente no prenden y se convierten en planetas.

¿Ahora, por qué la masa del electrón es esa y no 100,000 veces mayor o 9 trillones de veces menor? Eso es algo que ningún físico puede responderte. Es la que es. Es lo que se llama un parámetro libre. La medimos experimentalmente y la usamos para hacer nuestras cuentas. En toda la física elemental hay aproximadamente una treintena de esos parámetros libres. Fijan cosas como la masa de los quarks que componen los protones y neutrones, la intensidad de las distintas fuerzas fundamentales, cuánta materia hay en el universo o la aceleración de la expansión cósmica.

Muchos científicos piensan que si cambiásemos mínimamente uno de esos numeritos, nuestro universo no sería compatible para la vida. De alguna manera, su valor estaría ajustado con gran precisión. Para que pueda estar hoy aquí dándoos la tabarra, dejadme que os dé algunos ejemplos.

Si la interacción fuerte, la que mantiene pegados a protones y neutrones, hubiera sido un poco más o un poco menos intensa, la fusión del hidrógeno en helio, que hace que nuestro sol brille, se habría ido al traste. Como vimos en nuestro último vídeo, el primer paso de esa fusión consiste en que dos protones se junten en un inestable diprotón. A continuación, uno de esos protones debe convertirse en un neutrón para formar un ahora estable deuterón.

El diprotón es tan volátil que hay una ventana de tiempo muy pequeña para que se ejecute este segundo paso. Ahora bien, si la interacción fuerte fuera en torno a un 6 % más intensa, el diprotón sería estable, lo que haría que el paso al deuterón fuera mucho más fácil. Eso aceleraría las reacciones nucleares y haría que el hidrógeno se consumiera mucho más rápido, quizás de manera catastrófica. Las estrellas no podrían vivir lo suficiente para que surgiera la vida.

Por el contrario, si la interacción fuerte fuera apenas un 4 % más débil, el deuterón sería inestable. La cadena de reacciones de fusión nuclear se romperían y no se formaría helio y, por tanto, todo el resto de elementos químicos. Tendríamos un universo carente de complejidad y de vida.

Toquetear las masas de los quarks up y down, las partículas que forman los protones y los neutrones, también podría ser peliagudo. En nuestro universo, los protones son estables. No se pueden desintegrar en ninguna otra partícula. Por contra, los neutrones son inestables. Tardan unos 15 min en descomponerse en un protón, un electrón y un neutrino. Afortunadamente, eso solo ocurre cuando van a su bola. En el interior del núcleo atómico encuentran la estabilidad, lo que permite la existencia de todos los elementos químicos que vemos a nuestro alrededor.

Ahora bien, si el quark down fuera unas pocas veces más pesado, los neutrones podrían desintegrarse. Incluso dentro de los núcleos. No habría lugar seguro para ellos. Como consecuencia, solo habría un elemento: el hidrógeno, que no tiene neutrones. Una única reacción química: la unión de dos átomos de hidrógeno en una molécula. No parece que en un universo así pudiera surgir ningún tipo de vida.

Y si lo que aumentara unas cuantas veces fuera la masa del quark up, la cosa sería aún peor. Entonces serían los protones los que serían inestables dentro de los núcleos. Así que en vez de un tipo de átomo, tendríamos el cosmos lleno de neutrones que no hacen nada. Si no queremos que ocurra nada de esto, las masas de los quarks U y down no pueden tomar cualquier valor arbitrario. Solo hay cierto rango de valores permitidos.

Pero es que la cosa es aún peor. Resulta que, cambiando esas masas de otras maneras, también podemos hacer que el diprotón sea estable o el deuterón inestable, que el alcance de la interacción fuerte sea demasiado corto como para mantener los núcleos atómicos en una pieza, o que los protones del núcleo sean capaces de capturar un electrón y transformarse en neutrones, lo que haría que cualquier átomo se desintegre. Si imponemos restricciones para sortear todos estos peligros, la región de valores permitidos para las masas de los quarks es así de pequeñita.

De la infinidad de valores que en principio podrían haber tomado, solo un conjunto minúsculo daría lugar a un universo donde la vida es viable. Un ejemplo más: la planitud del universo. Cuando estudiamos la luz más antigua del universo, nos damos cuenta de que la geometría del universo es muy, muy euclídea. Es decir, que las reglas de la geometría que aprendemos en la escuela se mantienen en las grandes distancias.

Esto es demasiado afortunado. Dado que la materia y la energía curvan el espacio tiempo, la única manera de que la geometría siga siendo plana, como en el cole, es que el cosmos tenga una cantidad de ellas muy, muy precisa. Una densidad concreta, un cierto valor crítico. Ahí es donde parece que estamos. Nuestros datos nos dicen que la densidad actual difiere de la crítica en menos del 1 %.

El problema es que eso implica que la densidad del universo en sus primeros instantes tenía que tener un valor terriblemente concreto. Y es que la tendencia natural del espacio es curvarse. Si el cosmos en su inicio hubiera tenido una pequeñísima curvatura global, para hoy sería gigantesca, como una diminuta semilla que después de mucho tiempo se convierte en un árbol descomunal. Los cálculos muestran que si el cosmos hoy es tan euclídeo, en el pasado tuvo que ser enfermizamente euclídeo.

Para que veamos hoy el universo tan planito poco después del Big Bang, su densidad tenía que coincidir con la del valor crítico con una precisión de más de 60 decimales, si es que no son más. Ciertamente no parece una casualidad, y que sea así está bastante bien. Es mucho más sencillo entender el universo con una geometría euclídea que con una curva. También porque cualquier pequeña diferencia hubiera resultado fatal para nuestros intereses.

Sube un poco la densidad de materia en los primeros instantes del cosmos y su atracción gravitatoria habría detenido la expansión del universo, haciendo que volviera a colapsar antes de que la vida tuviera oportunidad de surgir. Bájala un poco y el universo se habría expandido demasiado rápido para que se formaran las estrellas y las galaxias.

En resumen, parece que el cosmos es como un pastel. Pásate de las proporciones, añade más de una cosa o menos de otra, que te va a quedar un pastel incomible, un cosmos invivible. Este es el famoso ajuste fino del universo. ¿Entonces, qué pasa? ¿Es esto una señal? ¿Hay una mano repostera ajustando los aspectos más sutiles de la realidad para permitir nuestra existencia?

Bueno, hay mucho que comentar aquí. ¿Para empezar, y si realmente no hubiera nada que ajustar? Ni siquiera estamos seguros de que todas estas constantes sean arbitrarias. Quizá toman el valor que toman por algún motivo que aún no comprendemos. Nuestras teorías científicas desde luego no son las definitivas. Aún hay muchos fenómenos que no comprendemos bien.

Puede ser que la física nueva que nos queda por entender explique el valor de esa treintena de numeritos que hoy nos desconciertan, del mismo modo que hoy podemos entender por qué las estrellas tienen la masa que tienen. Algo así sucede con el problema de la planitud. Era un completo misterio para la teoría vainilla del Big Bang. Pero cuando surgió la inflación cósmica, su DLC, su extensión por excelencia, la cosa cambió.

Y es que uno de los efectos de la inflación cósmica de la que os hablé en este vídeo es hacer que la densidad del universo sea igual a la crítica con una precisión increíble. Una cosa que parecía una auténtica casualidad que invitaba a pensar en un ajuste fino pasa a ser una consecuencia inevitable de una teoría más general. Aunque es cierto que muchos modelos inflacionarios traen consigo nuevos parámetros que pueden requerir cierto grado de ajuste, seguimos esperando esa teoría de gravedad cuántica que nos salve.

Pero existe otra posibilidad. Incluso si existen parámetros libres, puede ser que su ajuste no sea tan fino como pensamos. Una crítica habitual que hacen los detractores del ajuste fino es que en ocasiones se consideran las variaciones de las constantes por separado. Así, parece que tienen que tomar un valor muy concreto para que no haya un desastre.

Pero si permitimos que varias de ellas cambien al mismo tiempo, podríamos tener mucho más margen. Un ejemplo es el de la constante cosmológica. Como os contábamos en nuestro vídeo sobre la energía oscura, si fuera un poco mayor, la aceleración en el universo primitivo habría impedido la formación de las galaxias. Pero eso solo es verdad si mantenemos fijas las demás constantes.

La realidad es que la formación de estructuras depende de otros parámetros, como la amplitud de las inhomoogeneidades primordiales, las pequeñísimas concentraciones de materia y vacíos que existían en el origen del universo. Y si las inhomogeneidades hubieran sido mayores, las galaxias se hubieran formado antes, sin dar tiempo a que la aceleración del universo lo impidiera.

Ok, me he pasado con el azúcar en la tarta, pero puede que solo tenga que subir la cantidad de zumo de limón y listo, comestible. Una cosa compensa la otra, y dado que tenemos tantísimos parámetros con los que poder jugar, el número de combinaciones es elevadísimo.

Por ejemplo, ya hemos visto que en la estabilidad del diprotón y el deuterón influye tanto la intensidad de la interacción fuerte como las masas del quark up y down. Tal vez si modificáramos todos esos parámetros y otros al mismo tiempo, descubriríamos que los universos aptos para la vida no son tan raros.

Sin embargo, esto no está garantizado. De hecho, podríamos encontrarnos que el cosmos está aún más ajustado. Pensémoslo con una tarta. Si variamos la cantidad de azúcar de la receta, encontraremos que solo un rango pequeño nos da una tarta comible. Hay cierto ajuste fino en la tarta, pero jugando con el zumo de limón, podemos ampliar ese rango. Ahora hay más tartas que sí se pueden comer.

Pero ojo, al tocar el zumo hemos abierto la puerta a muchas más tartas intragables, empalagosas, insípidas, ácidas y saladas. Si ahora contamos cuántas son comibles respecto a las que no lo son, el porcentaje de tartas comibles puede que nos salga aún menor. Al considerar dos ingredientes, habría aumentado el ajuste fino.

Lo mismo pasa con el universo y sus tropecientos parámetros. Aunque jugar con varios nos permita encontrar más universos habitables, podrían ser una fracción aún más minúscula de todos los posibles.

Pero otro posible problema con el ajuste fino. Estamos completamente seguros que todas las condiciones que suelen imponerse son necesarias para que haya vida. Volvamos al interior de las estrellas. La estabilidad del diprotón parece un caso de ajuste fino de manual. Si el diprotón es estable, las estrellas queman su combustible demasiado rápido y no hay vida.

Caso cerrado, al menos en apariencia. Pero a veces las apariencias engañan. Resulta que las estrellas son sistemas con una gran capacidad de adaptación. Queman su combustible al ritmo necesario para contrarrestar su propia gravedad y evitar derrumbarse sobre sí mismas. Si las reacciones nucleares se acelerasen por culpa del diprotón, la presión haría que la estrella se expandiera, con lo que disminuiría su temperatura interior.

Eso moderaría la velocidad de reacción y las estrellas seguirían fusionando más o menos como hasta ahora. Y que el deuterio sea inestable tampoco tiene por qué ser el fin del mundo. Las estrellas, al no poder encender su reactor de fusión nuclear, no serían capaces de contrarrestar su propia gravedad y seguirían contrayéndose más y más hasta que sus propios electrones las frenaran. Se convertirían en una especie de enanas blancas calentitas. Emitirían radiación al espacio.

Las estrellas más longevas podrían brillar con una potencia similar a la del Sol durante unos 1000 millones de años. Y las más masivas colapsarían sobre sí mismas, generando densidades y temperaturas tan elevadas que podrían desencadenarse distintas reacciones de fusión nuclear, abasteciendo el universo de elementos pesados.

Una vez que hubiera trazas de carbono en las siguientes generaciones de estrellas, podría producirse el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno, una cadena de reacciones de fusión que también se da en el sol y que genera una parte pequeña de su energía. En ausencia de deuterio estable, este proceso podría convertirse en el principal que alimentara las estrellas y permitiera la vida.

Y fijaos que si quitamos las restricciones del diprotón y del deuterón, ese conjunto de valores que podían tomar las masas del quark up y down para ser compatibles con la vida ya no es tan pequeño. Vale, sigue habiendo muchos valores prohibidos, pero la casualidad ya no parece tan sensacional. Todo esto nos enseña que la naturaleza tiene vías alternativas para seguir su curso. Cuando se cierra una puerta, a veces puede abrirse una ventana.

Y es posible imaginarse casos extremos en los que la vida puede abrirse paso. Por ejemplo, hay autores que defienden la viabilidad de un universo sin interacción débil. ¡Boom! Un montón de parámetros fuera. Aunque tengo que decirlo, no todo el mundo está de acuerdo.

En resumen, puede ser que el ajuste no sea tan fino como pensábamos. Hay estudios que afirman que la mayoría de esos 30 numeritos podrían ser cientos o miles de veces mayores o menores, o incluso más en otros casos, y seguir siendo compatibles con la vida. De hecho, en un giro totalmente inesperado, puede ser que las condiciones de nuestro universo ni siquiera sean las óptimas.

Por ejemplo, si la gravedad fuera más débil, el universo se expandiría más despacio y la vida tendría más tiempo para surgir y evolucionar. Y si las inhomogeneidades primordiales hubieran sido unas 100 o 1000 veces mayores, eso habría producido galaxias más densas. La zona interior de esas galaxias quizás fuera inhabitable, pero en la periferia, la intensísima luz del conjunto de estrellas del cielo podría hacer que la mayoría de planetas fueran aptos para la vida, independientemente de su órbita.

Puede ser que no estemos en el mejor de los universos. Y por ahí quiero continuar. Aun suponiendo que todos los parámetros libres estén finamente ajustados, podría ser que todo eso fuera una coincidencia. Si el universo fuera distinto, no estaríamos aquí para verlo y quejarnos de que está finamente ajustado.

Pero fijaos que eso no nos exime de buscar una explicación. John Leslie tiene una metáfora muy buena. Imagina que en el pasado estuviste frente a un pelotón de fusilamiento formado por 20 soldados. Todos ellos dispararon.

Y si estás aquí para contarlo, es evidentemente porque las 20 balas fallaron su objetivo. Ese razonamiento antrópico sería perfectamente válido, pero no explica por qué fallaron. Que lo hicieran 20 militares entrenados es algo totalmente inesperado y necesitamos explicarlo. Y tal vez la respuesta esté en algo muy familiar.

Cuando lo único que conocíamos del universo era el sistema solar, la distancia entre el sol y la Tierra podía parecer un numerito más: la distancia justa a la que un planeta puede poseer agua líquida en su superficie y, por lo tanto, vida. Si la Tierra hubiera estado más lejos o más cerca del sol, este vídeo no existiría.

Qué casualidad, diría la gente de entonces, que de ocho planetas, esté uno en el lugar perfecto. Está claramente ajustado por los dioses. Sin embargo, con el tiempo hemos ido descubriendo que esos puntitos blancos que hay en el cielo son otros soles. Soles en los que también orbitan planetas. Y esos planetas, como les haya tocado en la lotería de la formación planetaria, pueden girar más cerca o más lejos de su estrella.

La distancia entre la Tierra y el Sol ya no es mágica. Simplemente, el universo tira los dados. Forma constantemente sistemas solares con diferentes configuraciones. Después de miles de millones de años de iteraciones en una estrella mediocre ubicada en una galaxia mediocre, uno de esos planetas se colocó en el sitio idóneo. No es un ajuste fino. Es solo probabilidad y montones de intentos.

Y puede que a nuestro universo le pase lo mismo. Sobre el mundo de la física flota la idea del multiverso. Como os contábamos en este vídeo, puede ser que no exista un solo universo. Nuestro universo sería uno entre una infinidad de ellos.

En cada uno de ellos, las leyes y las constantes físicas podrían ser diferentes. De este modo, ya no sería tan raro que existiera al menos uno en el que la vida fuera posible. Al igual que no cuestionamos la órbita de la Tierra, no cuestionaríamos que viviéramos en un universo compatible con la vida y hacernos preguntas sobre él.

Así, la idea del multiverso proporciona una base para los argumentos antrópicos. Hasta puede que haya más de un combo de valores que hayan dado lugar a la vida. Universos acogedores donde las constantes de la naturaleza no valgan lo mismo y cuyos habitantes se pregunten por qué valen lo que valen.

Volviendo a la metáfora del pelotón de fusilamiento, es como si en el mismo día se hubieran realizado innumerables ejecuciones, tal vez infinitas. Que en una de ellas hubieran fallado todos los disparos sería una mera consecuencia de la estadística. Ahora, puede ser que esta idea del multiverso os suene igual de esotérica que la idea de un dios creador. Muchos científicos tampoco las tienen todas consigo.

Pero esta propuesta tiene algo a favor. El multiverso no es una idea que los científicos crearon a medida para resolver esto del ajuste fino. Es una consecuencia natural de algunas teorías en concreto. Y como os contábamos en este vídeo, hoy en día pensamos que el universo atravesó un periodo de expansión bestial en el que se infló hasta multiplicar muchas veces su tamaño.

Es la inflación cósmica de la que os hemos hablado antes. Bien, pues resulta que, una vez permites que este mecanismo de inflación se active, es difícil de pararlo. A lo largo del espacio, genera de forma inevitable un número enorme de universos desconectados entre sí.

¿Es esta idea de inflación eterna algo real? Todavía no lo sabemos. ¿Está nuestro universo ajustado finamente para la vida, o en realidad el ajuste no es tan fino? Puede que una teoría general explique por qué todos los numeritos de nuestra teoría valen lo que valen. O simplemente es una de las infinitas posibilidades que se dan en un supuesto multiverso.

Lo único que puedo decir es que, menos mal que estamos aquí. Menos mal que no somos una nube aburrida de hidrógeno, una marabunta de neutrones o un montón de partículas separadas por la expansión del universo. Qué maravilla es estar aquí, hacernos preguntas y buscar tantísimas cosas que nos quedan por descubrir. Y ya sabes, si quieres más ciencia, solo tienes que suscribirte y muchas gracias por vernos.