Ajuste fino del universo para niños

El Ajuste Fino del Universo: ¿Por Qué Nuestro Universo es Perfecto para la Vida?

En la física, el concepto de ajuste fino se refiere a cuando ciertas características o "reglas" de algo deben tener un valor muy exacto para que un fenómeno ocurra.

En la cosmología, el ajuste fino del universo es la idea de que las condiciones que permiten la vida en el universo solo pueden existir si ciertas constantes fundamentales (que son como las reglas básicas de la naturaleza) tienen valores muy específicos. Si alguna de estas reglas fuera un poco diferente, el universo probablemente no sería adecuado para que se formara la materia, las galaxias, las estrellas, los diferentes elementos químicos o la vida tal como la conocemos.

Por ejemplo, la vida no podría desarrollarse si la energía oscura (una fuerza misteriosa que hace que el universo se expanda más rápido) fuera demasiado alta. Esto evitaría que la gravedad juntara la materia para formar grandes estructuras como las galaxias. El hecho de que el valor de la energía oscura que observamos sea tan increíblemente pequeño, comparado con lo que los científicos esperaban, es un ejemplo de este ajuste fino.

Algunos piensan que esta idea de ajuste fino muestra lo difícil que es para la ciencia entender a la vez lo muy pequeño (como las partículas) y lo muy grande (como el universo entero). Hay teorías, como la del Multiverso, que sugieren que existen muchos universos, cada uno con reglas diferentes. En ese caso, nosotros simplemente vivimos en uno de los universos donde las reglas permiten la vida. Sin embargo, otros científicos creen que el ajuste fino podría ser una ilusión, y que quizás no haya tantas reglas independientes como pensamos.

La idea del ajuste fino del universo se usa a menudo para hablar del principio antrópico, que dice que el universo debe ser compatible con la vida porque nosotros estamos aquí para observarlo.

¿Cómo se descubrió la idea del ajuste fino?

Primeras ideas sobre el ajuste fino

En 1913, un químico llamado Lawrence Joseph Henderson escribió un libro llamado The Fitness of the Environment (La idoneidad del ambiente). Fue uno de los primeros en explorar la idea del ajuste fino. Henderson habló de lo importante que es el agua y el ambiente para los seres vivos, explicando que la vida en la Tierra depende de condiciones muy específicas, especialmente de las propiedades del agua.

Más tarde, en 1961, el físico Robert H. Dicke dijo que algunas fuerzas de la física, como la gravedad y el electromagnetismo, deben ser muy precisas para que la vida exista en cualquier parte del universo. Fred Hoyle también apoyó esta idea en su libro de 1984, Intelligent Universe (Universo inteligente). Él comparó la posibilidad de que una proteína se forme por casualidad con la de que muchos hombres ciegos resuelvan un cubo de Rubik al mismo tiempo.

John Gribbin y Martin Rees escribieron un libro en 1989, Cosmic Coincidences (Coincidencias cósmicas), donde explicaron y defendieron el argumento del ajuste fino. Ellos dijeron que las condiciones en nuestro universo parecen ser muy adecuadas para la vida, pero se preguntaron si el universo fue realmente "hecho a medida" para nosotros.

¿Qué significa que el universo esté "ajustado"?

La idea principal es que si cambiáramos un poco algunas de las reglas básicas del universo, este sería radicalmente diferente. Como dijo Stephen Hawking, las leyes de la ciencia tienen muchos números fundamentales (como la carga eléctrica de un electrón o la relación entre las masas de un protón y un electrón). Lo sorprendente es que los valores de estos números parecen haber sido ajustados con mucha precisión para que la vida pudiera desarrollarse.

Por ejemplo, si la fuerza nuclear fuerte (una de las fuerzas que mantiene unidos los átomos) fuera solo un 2% más fuerte, el hidrógeno se fusionaría de una manera diferente. Esto cambiaría drásticamente cómo funcionan las estrellas y probablemente impediría la existencia de vida como la nuestra. El hidrógeno se consumiría muy rápido después del Big Bang. Sin embargo, otros físicos dicen que si el aumento de la fuerza fuera menor al 50%, las estrellas aún podrían funcionar.

Los científicos aún no saben cuántas reglas físicas independientes existen. El modelo actual de la física tiene 25 reglas que se pueden ajustar libremente, más una regla adicional para la constante cosmológica. Sin embargo, los físicos creen que debe haber una teoría más grande que las unifique, como la teoría de cuerdas. En algunas de estas teorías, el número real de reglas independientes podría ser muy pequeño, incluso una sola.

Ejemplos de ajuste fino en el universo

El ajuste de las reglas del universo

Las características de nuestro universo dependen de unas quince reglas físicas que, por ahora, se consideran independientes. Con supercomputadoras, los astrofísicos han simulado cómo se desarrollaría el universo si estas reglas fueran diferentes. Han creado muchísimos "universos de juguete". Muchas de estas simulaciones muestran que casi todos los universos resultantes serían "estériles", es decir, no podrían albergar vida. Solo un ajuste muy preciso de estas reglas permitiría un universo estable y con vida como el nuestro.

Los que apoyan el principio antrópico no creen que esto sea una simple "casualidad feliz", porque sería muy improbable que 15 reglas independientes se ajustaran perfectamente por azar.

Sin embargo, otras simulaciones, como el programa MonkeyGod de Victor J. Stenger, han dado resultados diferentes. Al variar varias reglas físicas al mismo tiempo, este programa encontró que el 61% de los universos simulados podrían tener estrellas con la duración y composición necesarias para la vida. Stenger dice que la diferencia se debe a que las simulaciones que concluyen un ajuste fino suelen variar solo una regla a la vez, manteniendo las otras fijas, lo que no permite compensaciones.

A continuación, se analizan algunos ejemplos de reglas del universo que plantean preguntas sobre su ajuste fino.

Densidad del universo y velocidad de expansión

Los científicos han demostrado que la expansión del universo no es ni demasiado rápida ni demasiado lenta. Si el universo fuera menos denso, la expansión habría ganado a la gravedad, y no se habrían formado galaxias, estrellas ni planetas. Si fuera más denso, se habría colapsado demasiado rápido para que la vida se desarrollara. La densidad de nuestro universo es muy cercana a la "densidad crítica", que permite una expansión adecuada y una vida del universo lo suficientemente larga para que aparezca la vida.

El problema es que si la densidad del universo fuera muy diferente de la densidad crítica, ese valor no sería estable y se alejaría rápidamente. Esto significa que, al principio del Big Bang, la densidad debió estar en un rango extremadamente pequeño alrededor del valor crítico para que, miles de millones de años después, todavía esté cerca de él.

Este rango es tan pequeño que un científico calculó que es como la probabilidad de que un arquero ciego, desde la Tierra, le dé a un objetivo de 1 cm² situado en el otro extremo del universo con una sola flecha.

La mayoría de los científicos creen que este problema se resuelve con la inflación cósmica, un período de expansión rapidísima que ocurrió justo después del Big Bang. Este período hizo que el universo fuera casi plano, y un universo plano tiene una densidad igual a la densidad crítica. Por eso, si el modelo de inflación cósmica es correcto, es natural que la densidad del universo fuera casi perfecta al principio. Este modelo es ampliamente aceptado por la comunidad científica.

Las masas del neutrón y del protón

La masa de un neutrón es un poco mayor que la de un protón. Esto hace que los neutrones libres se desintegren rápidamente en protones, mientras que los protones son muy estables. Si fuera al revés (si el protón fuera más pesado), el protón se desintegraría en un neutrón, y las reacciones que forman los elementos químicos no podrían ocurrir. El universo solo tendría un tipo de materia muy densa, y la vida no podría desarrollarse.

Además, los neutrones dentro de un núcleo atómico son estables. Para que esto ocurra, la diferencia de masa entre un neutrón y un protón debe estar en un rango específico. El valor real de esta diferencia está dentro de ese rango, lo que permite la existencia de los elementos químicos que forman la vida.

La aparición de elementos pesados en el universo

El 98% de la materia visible del universo está hecha de hidrógeno y helio. Todos los demás elementos (como el carbono, el hierro y el oxígeno, que son esenciales para la vida) solo representan el 2% restante. Según la teoría del Big Bang, solo se formaron hidrógeno y helio al principio. Los demás elementos se formaron en las estrellas a lo largo de miles de millones de años. Por eso, se dice que somos "polvo de estrellas".

Los que apoyan el principio antrópico dicen que el hecho de que los seres vivos estén hechos de la materia más rara del universo sugiere que este fue el propósito del universo.

En 1961, Robert Dicke señaló que la vida compleja necesita carbono, y que su existencia parece ser el resultado de varias "coincidencias" afortunadas. El carbono no se pudo producir durante el Big Bang, sino que tuvo que formarse dentro de las estrellas. Sin embargo, incluso dentro de las estrellas, el carbono es difícil de sintetizar. Se necesita que tres núcleos de helio choquen al mismo tiempo. La energía de estos tres núcleos es mayor que la de un núcleo de carbono, lo que hace que su formación sea difícil.

Pero se descubrió que existe un "estado excitado" del núcleo de carbono que tiene una energía total igual a la de tres núcleos de helio. Esta "coincidencia" permite la producción de elementos más pesados que el helio en las estrellas, y por lo tanto, la vida. Fred Hoyle predijo la existencia de este estado en 1953, y fue descubierto poco después.

No todos los científicos están de acuerdo con esta interpretación. Algunos experimentos sugieren que fenómenos similares a las estrellas de nuestro universo podrían ocurrir en muchos otros universos, incluso si las reglas físicas fueran diferentes.

El ajuste de las fuerzas fundamentales de nuestro universo

Hay cuatro fuerzas fundamentales en nuestro universo: la fuerza gravitacional, la fuerza fuerte, la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Algunos científicos creen que si estas fuerzas hubieran sido diferentes, el universo no sería compatible con la vida.

Relación de las fuerzas electromagnética y gravitacional

Según algunos autores, la relación entre la fuerza electromagnética y la gravitacional es muy precisa. Si la fuerza gravitatoria fuera menos fuerte, no habría estrellas lo suficientemente grandes, y su vida sería demasiado corta o irregular para que la vida apareciera. Si fuera más fuerte, no habría estrellas lo suficientemente pequeñas, y no se producirían los elementos pesados esenciales para la vida.

Otras fuerzas

• Si la fuerza nuclear fuerte fuera un poco más débil, muchos elementos serían radiactivos y no aptos para la vida. Las estrellas tendrían una vida muy corta o se colapsarían inmediatamente.
• Si la fuerza nuclear fuerte fuera un poco más fuerte, no habría hidrógeno, ya que se habría consumido todo al principio del universo. Las estrellas no podrían funcionar como lo hacen.
• Si las fuerzas nucleares y electromagnéticas no tuvieran sus valores actuales, no se producirían los elementos necesarios para la vida, como el berilio, el carbono y el oxígeno.

Carbono y oxígeno

Un ejemplo importante es el "estado de Hoyle" del carbono-12. Si el nivel de energía de este estado fuera un poco más bajo o más alto, no habría suficiente carbono para la vida. Para explicar la abundancia de carbono, este estado debe ser aún más preciso. Un cálculo similar muestra que la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética deben ser muy precisas para que se produzcan tanto el carbono como el oxígeno.

Fred Hoyle concluyó que: "Alguna inteligencia superior debe haber diseñado las propiedades del átomo de carbono... Una interpretación de sentido común de los hechos sugiere que una superinteligencia ha jugado con la física, así como con la química y la biología, y que no hay fuerzas ciegas de las que valga la pena hablar en la naturaleza."

Sin embargo, el físico Paul Davies criticó el argumento de Hoyle. Él dijo que muchos parámetros clave de la física no están tan limitados por la biología. Por ejemplo, el carbono es estable en un rango amplio de fuerzas electromagnéticas. La vida podría existir, aunque de forma diferente, incluso si el carbono fuera menos abundante o si se formara de otras maneras.

Otros ejemplos de ajuste fino

Martin Rees describe el ajuste fino del universo con seis reglas físicas sin unidades:

• N: La relación entre la fuerza del electromagnetismo y la fuerza de la gravedad para un par de protones es de aproximadamente 10³⁶. Si fuera mucho más pequeña, el universo sería pequeño y de corta duración.
• Epsilon (ε): Mide la eficiencia de la fusión de hidrógeno a helio en las estrellas, y es 0.007. Si fuera 0.006, solo existiría hidrógeno, y la química compleja sería imposible. Si fuera más de 0.008, no habría hidrógeno, ya que todo se habría fusionado después del Big Bang.
• Omega (Ω): Mide la importancia relativa de la gravedad y la energía de expansión en el universo. Es la relación de la densidad de masa del universo a la "densidad crítica" y es aproximadamente 1. Si la gravedad fuera demasiado fuerte, el universo se habría colapsado antes de que la vida pudiera evolucionar. Si fuera demasiado débil, no se habrían formado estrellas.
• Lambda (λ): La constante cosmológica, que describe la densidad de la energía oscura. Es extremadamente pequeña, alrededor de 10⁻¹²². Si no fuera tan pequeña, las estrellas y otras estructuras astronómicas no podrían formarse.
• Q: La relación de la energía gravitacional necesaria para separar una gran galaxia con el equivalente de energía de su masa, es de alrededor de 10⁻⁵. Si fuera demasiado pequeña, no se formarían estrellas. Si fuera demasiado grande, las estrellas no sobrevivirían porque el universo sería demasiado violento.
• D: El número de dimensiones espaciales en el espacio-tiempo es 3. Rees afirma que la vida no podría existir si hubiera 2 o 4 dimensiones espaciales, o si hubiera más de una dimensión temporal.

Posibles explicaciones científicas

Algunas explicaciones para el ajuste fino son de tipo naturalista. Primero, como se mencionó, el ajuste fino podría ser una ilusión. No se sabe el número real de reglas físicas independientes, y tampoco se conocen las leyes que rigen cómo se "eligen" estas reglas en diferentes universos.

A medida que la cosmología moderna avanzaba, se propusieron varias ideas que no suponen un orden oculto. Una de ellas es la del multiverso, donde se postula que las reglas físicas fundamentales tienen valores diferentes en distintas "versiones" de la realidad. Según esta idea, nosotros vivimos en el universo que tiene las reglas adecuadas para la vida.

Multiverso

Un concepto artístico del multiverso.

La hipótesis del multiverso sugiere que existen muchos universos con diferentes reglas físicas, y algunos de ellos son adecuados para la vida inteligente. Como somos seres inteligentes, no es sorprendente que nos encontremos en un universo que permite la vida, si es que existe un multiverso. Por lo tanto, se cree que la hipótesis del multiverso explica por qué existimos a pesar del ajuste preciso que se necesita.

Alan Guth cree que los modelos cosmológicos de "inflación eterna" predicen la existencia de multiversos, lo que daría una explicación científica al principio antrópico.

La idea del multiverso ha generado mucha investigación y es de interés para los físicos de partículas, porque las teorías que intentan unificar todas las fuerzas (teorías del todo) a menudo sugieren la existencia de muchos universos con reglas físicas muy variadas. Hasta ahora, no hay pruebas directas de la existencia de un multiverso, pero algunas versiones de la teoría hacen predicciones que los investigadores esperan verificar pronto.

Los críticos del multiverso argumentan que no hay pruebas independientes de que existan otros universos. Algunos dicen que inferir un multiverso a partir del ajuste fino es un error lógico.

Cosmología de arriba hacia abajo

Stephen Hawking, junto con Thomas Hertog, propusieron que las condiciones iniciales del universo eran una mezcla de muchas condiciones posibles, y que solo una pequeña parte de ellas llevó a las condiciones que vemos hoy. Según su teoría, es inevitable que encontremos las reglas físicas "ajustadas" de nuestro universo, ya que el universo actual "selecciona" solo aquellas historias pasadas que llevaron a las condiciones presentes.

Selección natural cosmológica

Diseño extraterrestre

Otra idea es que el universo pudo haber sido diseñado por seres inteligentes de fuera de nuestro universo. Algunos creen que esto resolvería la pregunta de cómo podría existir un diseñador capaz de ajustar el universo. El cosmólogo Alan Guth cree que los humanos, con el tiempo, podrían generar nuevos universos. Esto implica que entidades inteligentes anteriores podrían haber generado nuestro universo. Sin embargo, esto plantea la pregunta de dónde vino ese universo, lo que lleva a una cadena interminable de preguntas.

La teoría de John Gribbin sugiere que el universo pudo haber sido creado deliberadamente por una civilización avanzada en otra parte del Multiverso, y que esa civilización pudo haber causado el Big Bang.

Debates sobre el ajuste fino

El físico Paul Davies ha dicho que "la tentación de creer que el Universo es el producto de algún tipo de diseño... es abrumadora" y que "ahora hay un amplio acuerdo entre los físicos y los cosmólogos de que el universo está, en muchos aspectos, 'ajustado' para la vida". Sin embargo, él mismo rechaza la idea de un diseño inteligente y dice que "si hay un significado último para la existencia, la respuesta se encuentra dentro de la naturaleza, no más allá de ella. De hecho, el universo podría ser un ajuste, pero si es así, se ha ajustado a sí mismo".

Davies también señala que el razonamiento del principio antrópico no distingue entre universos donde la vida es apenas posible y universos donde la vida florece fácilmente.

Respecto a la energía oscura, Leonard Susskind dice: "El gran misterio no es por qué hay energía oscura. El gran misterio es por qué hay tan poca... El hecho de que estemos justo al borde de la existencia, [que] si la energía oscura fuera mucho más grande, no estaríamos aquí, ese es el misterio". Una cantidad ligeramente mayor de energía oscura habría hecho que el espacio se expandiera tan rápido que las galaxias no se formarían. A pesar de eso, Susskind no ve necesariamente que el universo esté bien ajustado, sugiriendo que algunas partes del "megaverso" en el que vivimos podrían ser, por casualidad, adecuadas para la vida, mientras que otras no.

Steven Weinberg no está de acuerdo con el argumento del ajuste fino del ciclo del carbono. Reconoce que no tiene una explicación para la pequeñez de la constante cosmológica (aparte de un multiverso), pero advierte que "todavía es demasiado pronto para decir si hay algún principio fundamental que pueda explicar por qué la constante cosmológica debe ser así de pequeña".

El físico Victor Stenger se opuso al ajuste fino, especialmente cuando se usa para apoyar ideas religiosas. Una de sus críticas fue la "suposición totalmente injustificada de que solo la vida basada en el carbono es posible".

La validez de los ejemplos de ajuste fino a veces se cuestiona porque se considera que es una forma de ver las cosas desde una perspectiva humana (antropomorfismo) aplicada a las reglas físicas. Los críticos también sugieren que la afirmación de un universo ajustado y el principio antrópico son esencialmente tautologías (afirmaciones que son verdaderas por definición).

El argumento del universo ajustado también ha sido criticado como un "argumento por falta de imaginación", ya que no considera otras formas de vida posibles. Los críticos sugieren que la vida podría basarse en otros elementos químicos, no solo en el carbono. Stenger argumentó: "No tenemos ninguna razón para creer que nuestro tipo de vida basada en el carbono es todo lo que es posible. Además, la cosmología moderna teoriza que múltiples universos pueden existir con diferentes constantes y leyes de la física. Por lo tanto, no es sorprendente que vivamos en la que más nos conviene. El universo no está afinado a la vida; la vida está afinada al universo".

Además, los críticos argumentan que los humanos se adaptaron al universo a través de la evolución, en lugar de que el universo se adaptara a los humanos. También lo ven como un ejemplo de la idea de que los seres humanos son el propósito del universo, lo cual es una visión centrada en el ser humano (antropocentrismo).

Cálculo de probabilidades

El matemático Klaas Landsman criticó que el argumento del ajuste fino asume que las "constantes" físicas son igualmente variables, pero "la ciencia no está lo suficientemente avanzada como para decidir entre el azar y la necesidad en relación con las leyes de la naturaleza y el comienzo del Universo".

El físico de partículas Victor J. Stenger señaló que el ajuste fino solo puede obtener su "rango estrecho" variando una única constante y manteniendo todas las demás fijas. Pero si se permite que todas las constantes varíen libremente, el número de configuraciones que permiten los requisitos básicos para la vida compleja termina siendo más alto. Por ejemplo, un universo sin la fuerza nuclear débil podría ser posible.

Hipótesis fallida

El físico Robert L. Park también ha criticado la interpretación de que el universo fue diseñado: "Si el universo fue diseñado para la vida, debe decirse que es un diseño sorprendentemente ineficiente. Hay vastas extensiones del universo en las que la vida tal como la conocemos es claramente imposible... ¿Afinado para la vida? Tendría más sentido preguntar por qué [un diseñador] diseñó un universo tan inhóspito para la vida."

Victor J. Stenger argumenta que la idea de un diseñador como explicación para el ajuste fino del universo es una hipótesis fallida porque "el universo y la vida se ven exactamente como se espera que se vean si no hay [un diseñador]".

Parámetros para la vida

El cosmólogo Sean M. Carroll criticó que el ajuste fino asume que la vida solo puede formarse en las condiciones que conocemos (basada en el carbono) y omite otras formas de vida posibles (como las formadas por silicio, boro, arsénico, azufre, etc.). "Ciertamente es cierto que si cambias los parámetros de la naturaleza, nuestras condiciones locales que observamos a nuestro alrededor cambiarían mucho. Lo concedo rápidamente. No concedo por lo tanto la vida no podría existir. Comenzaré a conceder eso una vez que alguien me diga las condiciones bajo las cuales puede existir la vida. ¿Cuál es la definición de vida, por ejemplo? ... Lamentablemente, simplemente no sabemos si la vida podría existir si las condiciones de nuestro universo fueran muy diferentes porque solo vemos el universo que vemos."

Falacia del ajuste fino

Victor J. Stenger sostiene que "el argumento de ajuste fino y otros argumentos recientes de diseño inteligente son versiones modernas del razonamiento de Dios de los vacíos, donde se considera necesario un [diseñador] siempre que la ciencia no haya explicado por completo algún fenómeno". Stenger sostiene que la ciencia puede proporcionar una explicación si se formula una Teoría de Todo, que se dice que puede revelar conexiones entre las constantes físicas. Un cambio en una constante física puede ser compensado por un cambio en otra, lo que sugiere que el ajuste fino aparente del universo es una falacia porque, al formular la hipótesis del ajuste fino aparente, es erróneo variar un parámetro físico mientras se mantienen los otros constantes.

En The Fallacy of Fine-Tuning, Stenger criticó las formulaciones del argumento del ajuste fino para la existencia de un diseñador basándose en sus investigaciones. Reconoce que el multiverso es la explicación más sencilla del ajuste fino. Stenger señaló que solo puede obtenerse su "rango estrecho" variando una única constante y manteniendo todas las demás fijas, pero cuando si se permite que todas las constantes varíen libremente, el número de configuraciones que permiten los requisitos básicos para la vida compleja termina siendo más alto.

En la cultura popular

La teoría del charco (Puddle theory) es un término creado por Douglas Adams para burlarse de los argumentos de que el universo está hecho para el hombre. Como se dice en su libro The Salmon of Doubt (El salmón de la duda): "Imagínese un charco que se levanta una mañana y piensa: «Este es un mundo interesante en el que me encuentro, un agujero interesante en el que me encuentro, me encaja bastante bien, ¿no es así? De hecho, me queda asombrosamente bien, ¡debe haber sido hecho para tenerme en él!» Esta es una idea tan poderosa que a medida que el sol sale en el cielo y el aire se calienta y que, gradualmente, el charco se hace cada vez más pequeño, sigue aferrándose frenéticamente a la idea de que todo va a estar bien, porque este mundo estaba destinado a tenerlo en él, fue creado para tenerlo en él; así que en el momento en que desaparece lo atrapa por sorpresa. Creo que esto puede ser algo a lo que tenemos que estar atentos."

El argumento del ajuste fino también fue mencionado por el personaje de Sheldon Cooper en la serie El joven Sheldon.

Galería de imágenes

• 

  Un concepto artístico del multiverso.

Véase también

En inglés: Fine-tuned universe Facts for Kids

• Abiogénesis
• Ajuste fino
• Hipótesis de la Tierra especial
• Teleología
• Destino final del Universo
• Problema del horizonte
• Principio antrópico
• Fred Hoyle
• Problemas no resueltos de la física