NeoFronteras

Reportaje sobre las distintas teorías e hipótesis propuestas acerca del multiverso y el principio antrópico.

La cantidad de cosas que podemos imaginar es muy superior a las cosas que realmente existen. No solamente podemos concebir animales mitológicos como el unicornio, cuyo cuerno es mágico, sino mundos paralelos o incluso universos alternativos. Podemos imaginar estos universos e incluso imaginar para ellos sus propias leyes de la Física que sólo se aplicarían en esos otros universos.
Si se pueden concebir toda una serie de universos exóticos, entonces surge la gran pregunta: ¿por qué el Universo, nuestro universo, es como es?, ¿por qué la carga del electrón es la que es?, ¿por qué la velocidad de la luz vale lo que vale?, ¿por qué el protón pesa lo que pesa?
Nuestro universo depende de esta serie de parámetros y de muchos otros. La nucleosíntesis primordial, la formación de estrellas, la evolución de las galaxias, la aparición de la química compleja o de la misma vida dependen del valor de esos parámetros.
En general, el valor de muchos de esos parámetros no se puede deducir a partir de otros o, por lo menos, no sabemos cómo. Deseamos, eso sí, que la Física, conocida o por conocer, se desprenda elegantemente de principios fundamentales, que no haga falta que nosotros introduzcamos desde fuera valores ad hoc o parámetros medidos, sino que los valores de éstos sean los que son porque no les queda más remedio que ser así debido a algo más fundamental. De otro modo no hacemos mucha Física Teórica, sino física descriptiva. Pero la situación actual es que simplemente debemos de creer, por ejemplo, que la carga o masa del electrón es la que es y ya está.
Pero es justo aquí donde tenemos el problema. La vida, tal y como la conocemos es muy sensible a cambios en estos parámetros fundamentales. Si cambiamos la masa del protón, aunque sea sólo un poquito, las reacciones nucleares de fusión conocidas no se pueden dar, no hay elementos, no hay química y no hay vida.
Encima el principio copernicano nos dice que no debemos considerarnos especiales; y especiales en este caso significa, prácticamente, constituir un auténtico milagro, una posibilidad remota entre todas las posibles combinaciones que darían lugar casi siempre a un universo estéril. Aunque una solución al dilema es no dar una importancia especial a la presencia de vida.
En este punto, uno puede introducir argumentos metafísicos para salvar el escollo, o puede sugerir que, en realidad, lo que hay es un multiverso compuesto por una infinidad de universos. La inmensa mayoría estarían deshabitados y unos pocos permitirían la existencia de vida (como hay muchos esto es siempre posible aunque sea con una probabilidad remota). Nosotros estamos aquí porque la sintonía fina de esos parámetros ha hecho que la vida sea posible. Esto sería una solución antrópica al problema.
Como vemos, el principio antrópico se puede utilizar para explicar por qué las leyes de la Física son las que son. Según este argumento, si fueran diferentes no habría aquí nadie para planearse preguntas. Pero el principio antrópico es un argumento claramente circular que no explica nada.
Cuando nos ponemos a elucubrar sobre otros universos tenemos un problema epistemológico fundamental, y es que no podemos hacer ciencia sobre ellos. Por definición no podemos entrar en contacto con ellos, hacer medidas, experimentos y comprobar su Física. Es decir, no podemos aplicar el método científico. Si el lector sostiene que hay un universo compuesto por gominolas no habrá nadie que le pueda rebatir científicamente la teoría.
Esta solución es la favorita de los teóricos de cuerdas, pues ellos tienen un problema inmenso en su modelo, ya que propone la existencia de una cantidad tremenda de estados de vacío distintos, y una solución a ese problema consiste en colocar cada uno de ellos en un universo diferente.

Pero, ¿realmente es la vida tan sensible a esos pequeños cambios en los parámetros del Universo? Resulta que, según estudios recientes, no necesariamente es así. El desastre ocurre cuando cambiamos uno de los parámetros pero dejamos los demás tal cual.
Alejandro Jenkins y Gilad Pérez exponen, para ilustrar esto mismo, una analogía en un artículo recientemente publicado en Scientific American. Si tenemos un automóvil que sólo se mueva en latitud sin poderse mover en longitud lo más normal es que tengamos un accidente, a no ser que nos movamos en una cuadrícula perfecta. Si nos podemos mover tanto en latitud como en longitud tendremos suficiente libertad como para evitar el desastre.
Estos físicos han investigado la Física de universos alternativos con diferentes conjuntos de leyes físicas.

Universo sin fuerza débil

Pérez y sus colaboradores imaginaron cómo sería un universo sin fuerza nuclear débil. Hay posibilidades peores que eliminar esta fuerza. Sin fuerza nuclear fuerte no podemos mantener a los quarks unidos o formar núcleos atómicos; sin electromagnetismo no tenemos ni luz, ni átomos ni química; y sin gravedad no tenemos estrellas, galaxias o planetas.
A primera vista uno pensaría que en un universo sin fuerza nuclear débil el desastre también estaría garantizado, pues esta fuerza permite la transformación de protones en neutrones (con emisión de neutrinos) y, por tanto, la creación de los elementos tal y como los conocemos. Incluso la nucleosíntesis primordial depende de la fuerza nuclear débil y no se produciría hidrógeno o helio, que constituyen el combustible termonuclear de las estrellas. Además, en el interior del Sol cuatro protones se transforman en un núcleo de helio que tiene dos neutrones en su núcleo, produciéndose energía en el proceso. Sería similar con el resto de los elementos hasta el hierro. Sin esta fuerza no habría nada de esa nucleosíntesis.
Sin embargo, el equipo de Pérez descubrió que sí es posible un universo habitable sin fuerza nuclear débil. Para ello habría que compensar esta carencia con un mecanismo que permitiera la obtención de los elementos. Tal mecanismo sería una mayor presencia de antimateria en el universo primitivo. De este modo se crearía más deuterio (isótopo pesado del hidrógeno con un protón y un neutrón) en lugar de hidrógeno elemental.
Este isótopo junto al hidrógeno normal permitiría reacciones de fusión que produjeran helio 3 (cuyo núcleo tiene dos protones y un neutrón) en el interior de las estrellas, estrella que serían más débiles y frías que las que conocemos, pero que crearían elementos más pesados que darían lugar a planetas. Planetas que tendrían que orbitar más cerca de sus estrellas (un equivalente a la Tierra tendría que orbitar seis veces más cerca de su Sol) si quisiéramos hallar agua líquida sobre su superficie. Además, la longevidad de estas estrellas sería lo suficientemente larga como para permitir la evolución de la vida.
En ese universo no habría supernovas de tipo II, pues no habría manera de obtener el fogonazo de neutrinos necesario para su explosión, pero sí habría supernovas de tipo I para esparcir nuevos elementos en el espacio. La tabla periódica de los elementos estaría restringida hasta llegar al hierro, pero aunque no habría elementos más pesados, éstos no son necesarios para la vida tal y como la conocemos.
Pero la ausencia de elementos pesados (algunos radiactivos como el uranio y el torio) sí tendría implicaciones en la tectónica de placas, Sin radiactividad no habría fuente de calor interna en los planetas de tipo terrestre que se prolongara en el tiempo y, por tanto, no habría tectónica.
Parece que la fuerza nuclear débil no es necesaria, pero entonces nos podemos plantear por qué está presente en nuestro universo. Lo más normal es que no estuviera o ésta fuera tan débil que virtualmente no existiera, situación que incluso parece encajar mejor en un modelo estándar de partículas “mejorado”.

Universo sigma menos

Pero la intensidad de la fuerza nuclear débil no es el único parámetro con el que jugar en el modelo estándar de partículas. En 2008 el grupo de Jenkins estudió una posibilidad más exótica si cabe. Si cambiamos lo suficiente la intensidad de interacción entre los quarks o cambiamos sus masas no se pueden obtener núcleos de carbono estables (u otros núcleos) que permitan la vida. Pero si cambiamos ambos a la vez se obtienen combinaciones que sí dan lugar a universos con vida.
Si, por ejemplo, se ajustan las masas de los quarks up y down para que el protón sea más pesado que el neutrón (y no al revés como en realidad sucede), la nucleosíntesis primordial produce principalmente deuterio y tritio (que en este caso sería estable y no radiactivo) y a partir de ellos el resto de los elementos gracias a la fusión nuclear del interior de las estrellas.
También habría planetas, algunos de ellos con agua líquida que permitiría la existencia de vida. Aunque esa agua sería agua pesada la bioquímica sería muy parecida.
También se puede imaginar un universo en el que el quark extraño es más ligero, mientras que el quark down es más pesado. En este mundo tendríamos protones y partículas Σ^– para formar núcleos atómicos. Aunque es un universo radicalmente distinto al nuestro, es posible la existencia y generación de elementos con una química que permita la aparición de vida. Sin embargo, si las masas de estos tres quarks son muy similares tal cosa no parece posible y obtenemos un universo letal para la vida.

Problema con la constante cosmológica

Por desgracia, este tipo de ideas no parecen funcionar para el caso de la constante cosmológica. Ésta depende de la energía del vacío que, según la Mecánica Cuántica, es muy alta. Es tan alta que el Universo se habría expandido a un ritmo tan endiablado que no se tendrían que haber formado estrellas o galaxias. Parece que hay algún mecanismo que compensa esa energía con un precisión tan alta (hasta la cifra decimal número 100) como para que el resultado final sea una constante cosmológica prácticamente nula (no exactamente cero si consideramos que la energía oscura es lo que queda de esa energía del vacío). Estos investigadores no han logrado encontrar un cambio en otro parámetro que pueda compensar variaciones en éste.

Así que al final puede que sea necesaria la idea de una multitud de universos que forman parte de un multiverso. La inflación cósmica que se dio al principio del Big Bang parece sugerirlo. Se cree que nuestro universo surgió de una pequeña región de falso vacío que se expandió muy rápidamente (la inflación cósmica), luego ha estado expandiéndose mucho más lentamente. Nosotros sólo vemos una parte de ese enorme universo: el universo visible o la burbuja de Hubble (Hubble bubble). Esto se debe a la velocidad finita de la luz.
Pero otras regiones de ese falso vacío también pueden haber experimentado esa inflación cósmica. Estas regiones deben de haber dado lugar a otros «bolsillos» que hayan generado otros universos igualmente gigantescos con sus propias leyes de la Física. El espacio entre bolsillos se expandiría a tal velocidad que el contacto entre estos universos sería imposible.
Así que estaríamos de nuevo ante una situación para la cual podemos proponer el principio antrópico.

Selección darwiniana de universos

No tan rápido. Lee Smolin diseñó hace tiempo un sistema para crear universos propicios para la vida de manera “natural”. Para ello utilizó argumentos prestados de la teoría darwiniana y así eliminar diseñadores o casualidades tan tremendas que violen el principio copernicano.
De entre todos esos universos que hemos mencionado antes los habría que permitirían la formación estelar y otros no. Aquellos que dieran lugar estrellas y, por tanto, a agujeros negros, podrían crear universos bebé a partir de la singularidad de su interior (sistema propuestos por otros teóricos como Hawking para crear universos “hijos”). Estos universos bebés sufrirían a su vez inflación y así sucesivamente en un proceso multigeneracional de producción de nuevos universos. Cada universo tendría su propio conjunto de leyes físicas (sus propias mutaciones), pero habría una selección de universos entre aquellos con facilidad para reproducirse. Los universos incapaces de generar evolución estelar morirían sin descendencia.
Los universos que mejor se reproducirían serían entonces, por definición, aquellos que tienen las leyes físicas más adecuadas para la formación de estrellas, y por tanto de seres vivos. Nuestro universo es como es, según esta idea, porque es el resultado de un proceso de selección.

Principio entrópico

La hipótesis de Smolin no es la única que la fértil imaginación de los físicos teórica ha generado para resolver el problema de por qué nuestro universo es como es. Este mismo mes, Raphael Bousso y Roni Harnik (de la universidad de Berkeley y Stanford respectivamente) cuelgan en arXiv un artículo al respecto.
Según ellos algunas propiedades del Universo se pueden obtener o derivar a partir de la idea de complejidad. Quizás la búsqueda de combinaciones de parámetros que den lugar a elementos, que a su vez den lugar a una química orgánica rica que de lugar a la vida, esté influyendo demasiado en nuestro modo de estudiar este problema. Bajo su punto de vista el aumento de entropía en cualquier parte del Universo es una consecuencia de la complejidad que hay allí y un argumento mejor que la presencia de vida basada en “unidades de carbono conscientes”.
Mediante el uso de este argumento de aumento de la entropía, Bousso y Harnik logran obtener las propiedades de un universo promedio en el cual la complejidad aumenta hasta que alcanza un nivel en el que hay vida y testigos que lo observan.
Según sus razonamientos y deducciones es posible llegar a una serie de predicciones: unos observadores arbitrarios se encuentran a sí mismos en un universo plano, éste universo está dominado por el vacío y rodeado por un baño de cuantos relativistas que no sería ni muy diluido ni muy concentrado y que aparentaría ser un fondo térmico. Además, las longitudes de onda características de esos cuantos son del orden de la raíz cuarta de la energía del vacío.
Como podemos ver se parece mucho a nuestro propio universo. Éste es plano, está dominado por el vacío y sus procesos de producción de entropía han generado recientemente un baño de radiación: la radiación infrarroja emitida por polvo galáctico calentado por las estrellas. Esta radiación está marginalmente diluida, es relativista y tiene una longitud de onda del orden de 100 micras.
Hay que hacer notar que es impresionante que tales predicciones se puedan deducir de un principio general tan simple. Aunque no está claro si se puede llevar esta hipótesis mucho más allá.
Tampoco nos libramos del razonamiento circular del principio antrópico, pues podemos pensar que el Universo es como es porque si fuera diferente la complejidad necesaria para observarlo no estaría presente.
¿Habría que reemplazar el principio antrópico por el principio entrópico? La idea es como mínimo atractiva dado lo poderosa que parece ser, y quizás termine por aceptarse aunque no tenga mucha utilidad. Si al menos se carga el principio antrópico para sustituirlo por otro habrá merecido la pena, aunque sea a costa de sustituirlo por algo demasiado parecido.

Aunque da igual lo que podamos justificar, pues podemos imaginar infinitos universos: con y sin entropía, sin relatividad, no causales, no cuánticos, sin inercia, con varias dimensiones de tiempo, llenos de gominolas… Al final siempre habrá algo que no podamos explicar del Universo, sobre su origen o sobre la manera que tiene de ser. Ni siquiera la invención de una Prefísica generadora de todas las Físicas posibles sería suficiente y ni siquiera se podría demostrar científicamente.
Pero todo esto no es sino entretenimientos de unos seres que representan al Universo pensándose a sí mismo, como usted, querido lector.

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Fuentes y referencias:
Scientific American (número de enero).
Foto cabecera: Ohio University.
Artículo de Gilad Perez.
Artículo de Jenkins
Reportaje de Smolin sobre selección cosmológica.
Artículo original de Smolin.
Artículo de Bousso y Harnik.