Como físico, a menudo he pensado que uno de los aspectos más extraordinarios de nuestro universo es el descubrimiento de que tan solo cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza rigen las interacciones naturales entre todas las partículas de la materia. La mayoría de la gente sabe que estas fuerzas incluyen la gravedad, las fuerzas eléctrica y magnética (combinadas en la fuerza electromagnética) y las fuerzas nucleares (divididas en las llamadas fuerzas fuerte y débil).

En una serie de artículos, destacaré cada una de estas fuerzas y sus funciones únicas en la configuración del universo y en la posibilitación de la vida. Un análisis detallado de estas fuerzas, tanto individualmente como en relación entre sí, revela un nivel de diseño sencillamente asombroso. ¡Y desde luego no es necesario conocer la física de las fuerzas para apreciar sus efectos!

La trama se complica

Disfrutamos del calor del sol en un hermoso día de otoño, de las hojas rojas, naranjas y amarillas que adornan los árboles, o de la luz plateada de la luna en sus distintas fases. Estas, y casi todas las manifestaciones de la naturaleza física y la vida, forman un tapiz que sustenta y nutre nuestras almas. Sin embargo, la cosa se complica cuando examinamos las fuerzas subyacentes entre las partículas que, en conjunto, dan forma a todo lo que vemos y experimentamos.

Si pensamos en la gravedad, solemos relacionarla con el peso de algo: a mayor gravedad, mayor peso. Quizás hayamos visto vídeos de astronautas en la Luna, como si caminaran a cámara lenta o bajo el agua. Estos efectos se deben a que la gravedad en la superficie lunar es aproximadamente seis veces menor que la de la Tierra. ¿A qué se debe esto? Al parecer, no solo a la masa de la Luna, ya que su masa es aproximadamente 81 veces menor que la de la Tierra.

Sir Isaac Newton descubrió la relación correcta para la fuerza de gravedad: no solo es proporcional a las masas de los objetos que se atraen, sino que también es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. La Luna tiene aproximadamente el 27 % del tamaño (radio) de la Tierra, por lo que un astronauta en la superficie lunar se encuentra casi cuatro veces más cerca de su centro que si estuviera en la Tierra. En resumen, según la ley de gravitación universal de Newton, el peso del astronauta en la Luna es (1/81)/(0,27)² = 1/5,9 (aproximadamente un sexto) de su peso en la Tierra.

Más allá de Newton

La teoría de la relatividad general de Einstein amplía nuestra comprensión de la gravedad más allá de la teoría clásica de Newton y nos introduce a algunos de los efectos físicos más sorprendentes del universo. La relatividad general demuestra que la masa (e incluso el equivalente en masa de la energía) curva el espacio mismo, de modo que los rayos de luz que siguen la curvatura del espacio pueden desviarse de una línea recta e incluso experimentar el fenómeno de lente gravitacional.

Quizás aún más increíble sea el efecto de la gravedad sobre el tiempo. La teoría de Einstein muestra que el tiempo se ralentiza en un campo gravitacional más intenso, un efecto que se manifiesta en nuestros sistemas GPS y que debe compensarse para que los satélites de posicionamiento puedan rastrear con precisión nuestra posición al conducir.

Ahora, ampliemos nuestra perspectiva para considerar cómo la fuerza de la gravedad da forma a las estrellas, los planetas y el universo entero. Remontándonos al origen del espacio, el tiempo, la materia y la energía —el momento que los astrónomos denominan el Big Bang—, la evidencia muestra que el espacio y toda la materia y energía que contiene comenzaron a expandirse rápidamente a partir de un punto esencialmente matemático, conocido como singularidad.1

La causa del universo

Dejando a un lado la fascinante pregunta de qué pudo haber causado el inicio del universo, podemos imaginar que la fuerza de gravedad influyó notablemente en la tasa de expansión del universo tras el Big Bang. Toda la materia atrae gravitacionalmente a toda la demás, por lo que una gravedad más intensa se opondría con mayor vigor a la expansión, y una fuerza de gravedad más débil sería menos efectiva para frenarla. Cabe mencionar que la gravedad no existe independientemente de la presencia de materia, energía y espaciotiempo, por lo que no se la puede invocar como la causa del universo, ya que estos elementos surgieron junto con él.

Si la intensidad de la fuerza de gravedad determina la tasa de expansión del universo desde su inicio, ¿cómo se manifiesta esto en nuestras vidas? He aquí el efecto de la fuerza de gravedad: todas las estrellas y galaxias del universo se unieron finalmente mediante la coalescencia gravitacional de la materia primigenia que se formó en los primeros minutos tras el comienzo (un artículo posterior explorará con más detalle cómo otras fuerzas contribuyeron a este proceso). Una fuerza gravitacional ligeramente más débil habría permitido que toda la materia primigenia de los primeros minutos tras el Big Bang se dispersara demasiado como para que la gravedad la condensara en galaxias y estrellas. Una fuerza gravitacional ligeramente mayor habría aglomerado la materia de tal manera que el universo habría terminado siendo un caos de agujeros negros.

En cualquier caso, el universo sería inhóspito para la vida. Un análisis minucioso demuestra que, para que el universo hubiera formado estrellas y galaxias y pudiera albergar la vida tal como la conocemos, la fuerza de la gravedad tuvo que estar excepcionalmente equilibrada2, con una precisión de una parte en 10⁶⁰.

Para apreciar la precisión de este cálculo, imaginemos que alguien calculara que el universo no podría albergar vida si fuera tan solo un segundo más viejo o más joven de lo que es actualmente. Esto implicaría una diferencia de edad de una parte en 10¹⁷. ¡La precisión de la gravedad es diez millones de veces un billón de billones de billones de veces más delicada!

La fuerza electromagnética

Otro aspecto del valor necesario en la gravedad se observa al compararla con la intensidad de la fuerza electromagnética. Cada estrella mantiene su existencia en un equilibrio entre dos fuerzas: la gravedad que intenta colapsarla y la presión del gas que se opone a ese colapso.

«Como fuerza de la naturaleza, la gravedad es extremadamente débil. Los astrofísicos han calculado que esta debilidad extrema, comparada con la fuerza electromagnética (aproximadamente un billón de billones de billones de billones (1036) veces menor), es necesaria para que el equilibrio entre la gravedad y la presión haga brillar una estrella como nuestro Sol y sustente la vida en un planeta como la Tierra. Para lograr un equilibrio estelar estable, se requiere un ajuste preciso de la proporción entre la intensidad de estas fuerzas, con una relación de una parte en 1035»3

Centrando nuestra atención en los planetas

Sin duda sabemos que todos los planetas se forman y se mantienen unidos por la fuerza de la gravedad y, por supuesto, el peso de todo en la Tierra es proporcional a la intensidad de dicha fuerza. Quizás menos conocido es que nuestra atmósfera también se mantiene en su lugar por la fuerza de la gravedad, y que la intensidad de esta fuerza incluso afecta la composición atmosférica a largo plazo. Las moléculas de gas en la atmósfera de un planeta pueden escapar al espacio si su velocidad supera la llamada velocidad de escape del planeta. Una gravedad menor conlleva una menor velocidad de escape, lo que permite una mayor tasa de pérdida atmosférica.

Sin embargo, para determinar la habitabilidad de una atmósfera, debe existir un equilibrio entre las tasas de pérdida de gases favorables para la vida y aquellos que no lo son. Por ejemplo, consideremos el metano, el amoníaco y el vapor de agua, con pesos moleculares nominales de 16, 17 y 18, respectivamente. La velocidad promedio de una molécula atmosférica es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular, por lo que es más probable que el metano y el amoníaco escapen al espacio con el tiempo que el vapor de agua. Si la gravedad fuera ligeramente diferente, nuestra atmósfera podría experimentar una acumulación de estos gases nocivos con el tiempo, o una mayor pérdida de vapor de agua esencial.

El astrónomo Guillermo González investigó un interesante efecto de la gravedad superficial de un planeta en el desarrollo tecnológico. Sus hallazgos indican que un pequeño aumento en la fuerza de la gravedad dificultaría exponencialmente los vuelos espaciales, como se resume en un artículo anterior de este blog.

…a medida que aumenta la gravedad superficial de un planeta, la cantidad de combustible necesaria para lanzar un cohete al espacio aumenta a un ritmo exponencial hasta que se necesitaría tanto combustible que sería imposible que el cohete escapara de la gravedad del planeta.

Aunque este resultado se centró en la dificultad de lanzar viajes espaciales desde exoplanetas «supertierras», la conclusión también es relevante para un planeta determinado, si la fuerza fundamental de la gravedad aumentara por encima de su valor actual.

Ajuste de múltiples «parámetros»

Podría argumentarse que un cambio en la intensidad de la gravedad podría compensarse con cambios concomitantes en otros factores o fuerzas. Sin embargo, como describen los astrofísicos Geraint Lewis y Luke Barnes en su libro A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos [Un universo afortunado: La vida en un cosmos finamente ajustado], intentar compensar el efecto de cambiar un parámetro físico cambiando otros (ajustando múltiples parámetros a la vez) resulta problemático.⁴

La vida requiere que diversas constantes se relacionen entre sí de maneras inusuales y precisas… Claro, hay muchos parámetros. Pero también hay muchos requisitos para la vida. Añadir más parámetros abre más espacio, pero la mayor parte de este espacio está muerto.

Sin gravedad, la vida no existiría en nuestro universo, y cuanto más profundizamos en el estudio de los efectos de la gravedad, más evidencia encontramos de sus propiedades extraordinariamente precisas para sustentar la vida.

Notas

  1. Eric R. Hedin, “The Cosmological Singularity,” Dictionary of Christianity and Science: The Definitive Reference for the Intersection of Christian Faith and Contemporary Science, P. Copan, T. Longman III, C. L. Reese, and M. G. Strauss, eds., (Grand Rapids, MI: Zondervan, 2017), p. 115.↩︎
  2. Geraint F. Lewis and Luke A. Barnes, A Fortunate Universe: Life in a Finely-Tuned Cosmos (Cambridge: Cambridge University Press, 2016), p. 165.↩︎
  3. Eric Hedin, Canceled Science: What Some Atheists Don’t Want You to See, (Seattle: Discovery Institute Press, 2021), p. 95.↩︎
  4. Geraint F. Lewis and Luke A. Barnes, A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2016), pp. 255, 261.↩︎

Artículo publicado originalmente en inglés por Eric Hedin Ph.D. en Science and Culture

Crédito de la imagen destacada: Neil A. Armstrong, dominio público, via Wikimedia Commons.