Desde que Paul Dirac escribió por primera vez sobre el tema de las coincidencias cósmicas en 1937, muchos físicos se han maravillado de los valores específicos de las constantes naturales, como G, la constante en la ley de la gravedad (6.673 × 10-11 N m2 kg-2) – Un número extremadamente bajo. Este es un valor empírico medido cuidadosamente en laboratorios bajo condiciones controladas; No se deriva de ecuaciones. Uno podría imaginarlo tomando un valor diferente.

Pero está equilibrado entre dos catástrofes. Si fueran más fuertes, las estrellas arderían más y la fotosíntesis sería imposible, y la vida, si pudiera existir bajo la gravedad, tendría que refugiarse bajo tierra. Si la gravedad fuera más débil, surgirían problemas opuestos: las estrellas serían incapaces de iniciar la fusión y formar elementos pesados, y se quemarían lentamente por convección emitiendo luz rojiza. Le diríamos adiós a un sol con la luz blanca-amarilla perfecta para la fotosíntesis.

Increíbles coincidencias

En su breve libro Children of Light [Hijos de la luz] (2018), Michael Denton exploró las sorprendentes coincidencias entre el espectro solar, las abundancias elementales y la atmósfera de la Tierra que permiten no solo algo de vida, sino también organismos grandes y complejos como los seres humanos. Su libro anterior, The Wonder of Water [La maravilla del agua](2017), describió coincidencias adicionales con respecto a los variados roles del agua en la tierra. Las bendiciones que obtenemos de la luz y el agua dependen exquisitamente de los valores de las constantes físicas. Estas constantes hacen que las leyes de la naturaleza funcionen.

Las constantes también deben estar finamente ajustadas entre sí. Por ejemplo, la constante de gravedad para las estrellas estables está vinculada a la constante del electromagnetismo, que es aproximadamente 1040 veces mayor. El requisito de que ambas constantes deben ser «correctas» limita aún más las posibilidades. Hablando del equilibrio entre las estrellas radiantes y las estrellas convectivas, Guillermo González y Jay Richards dijeron:

Esta línea divisoria es tan precisa, un equilibrio tambaleante entre la gravedad y el electromagnetismo. Si se cambiara de una forma u otra, las estrellas de la secuencia principal serían todas azules o rojas (convección que da como resultado estrellas rojas). De cualquier manera, las estrellas en la secuencia principal con la temperatura y luminosidad de la superficie del Sol] serían raras o inexistentes.

(The Privileged Planet, p. 204)

Las constantes gravitacionales y electromagnéticas que afectan a las estrellas también están vinculadas a las fuerzas nucleares: la fuerza débil y la fuerza fuerte. Jugar con los valores de estas constantes no abre más posibilidades; los reduce drásticamente. Martin Rees y John Gribbin comentaron:

Si modificamos el valor de una de las constantes fundamentales, algo siempre sale mal, lo que lleva a un universo que es inhóspito para la vida tal como la conocemos. Cuando ajustamos una segunda constante en un intento de solucionar el (los) problema (s), el resultado, en general, es crear tres problemas nuevos para cada uno que «resolvemos». Las condiciones en nuestro universo realmente parecen ser especialmente adecuadas para formas de vida como nosotros, y quizás para cualquier forma de química orgánica.

(Citado en The Privileged Planet, pp. 206-207)

Otro libro notable sobre el ajuste fino es el de Geraint Lewis y Luke A. Barnes: A Fortunate Universe: Life in a Finely-tuned Cosmos [Un universo afortunado: la vida en un cosmos afinado] (Cambridge, 2016). En este libro (p. 110), y también en The Privileged Planet (p. 207), los diagramas muestran la región de las estrellas estables entre los posibles valores de las constantes electromagnéticas y gravitacionales. La región ocupada por los valores reales que medimos que permiten nuestro universo habitable representa un pequeño punto en el gráfico. Lewis y Barnes muestran espacios de parámetros adicionales donde las zona de habitabilidad son aún más pequeñas.

¿Pueden las constantes variar?

Varias constantes físicas se pueden relacionar con un número adimensional llamado constante de estructura fina, también llamada constante de acoplamiento electromagnético, representada por la letra griega alfa (α). Este valor, curiosamente medido para ser casi exactamente 1/137 (NIST), relaciona la carga elemental, la constante magnética, la velocidad de la luz y la constante de Planck. En resumen, relaciona el electromagnetismo con la mecánica cuántica.

Un artículo reciente en la revista de acceso abierto AAAS Science Advances, de Michael R. Wilczynska y otros 16, utilizando un espectrógrafo en el Very Large Telescope (VLT) en Chile, intentó medir el valor de α en los confines lejanos del cosmos. (indicado por quásares con desplazamiento al rojo alto) y compárelo con el valor terrestre, llamado α0. Comienzan afirmando que la pregunta de ajuste motivó su investigación.

¿Qué aspectos fundamentales del universo dan origen a las leyes de la naturaleza? ¿Las leyes están finamente ajustadas desde el principio, son inmutables en el tiempo y en el espacio, o varían en el espacio o en el tiempo de manera que nuestro parche local del universo sea particularmente adecuado para nuestra propia existencia? Caracterizamos las leyes de la Naturaleza utilizando los valores numéricos de las constantes fundamentales, para las cuales se puede acceder a mediciones cada vez más precisas y siempre distantes utilizando espectros de absorción cuásar. [Énfasis añadido.]

El tema de las constantes variables podría dividirse en dos preguntas: ¿alguna de las constantes varía de un lugar a otro en el universo, o varían con el tiempo desde el nacimiento del universo hasta ahora? El valor terrestre, α0, es una medida de «aquí y ahora». Es comprensible que a los científicos les gustaría saber la respuesta. Los interesados ​​en los detalles pueden seguir las referencias en el documento de acceso abierto.

La búsqueda para determinar si la constante de estructura fina desnuda, α, es una constante en el espacio y el tiempo ha recibido ímpetu al reconocer que podría haber dimensiones adicionales del espacio o que nuestras constantes están determinadas parcial o totalmente por la ruptura de la simetría a energías ultraaltas en el universo muy temprano. Las primeras propuestas de variación temporal en α de Stanyukovich (1), Teller (2) y Gamow (3) fueron motivadas por las grandes coincidencias observadas por Dirac (4, 5), pero fueron rápidamente descartadas por las observaciones (6). Esto ha llevado a una extensa literatura sobre constantes variables que se revisa en (7-11).

También hay nuevos problemas interesantes que han sido sobre el ajuste extremo de las correcciones cuánticas en las teorías con variación de α por Donoghue (12) y Marsh (13). En consecuencia, se han formulado teorías de gravedad y electromagnetismo autoconsistentes, que incorporan la estructura “constante” de estructura fina como un campo escalar autogravitante con dinámicas autoconsistentes que se acoplan a la geometría del espacio-tiempo (14-20) y extendido a la teoría de Weinberg-Salam en (21, 22). Generalizan las ecuaciones y la relatividad general de Maxwell de la forma en que la teoría de la gravedad de Jordan-Brans-Dicke (23, 24) extiende la relatividad general para incluir variaciones espaciales o temporales de la constante gravitacional newtoniana, G, actualizándola para convertirla en un campo escalar. Esto permite que se coordinen diferentes restricciones sobre un α (z) cambiante en diferentes desplazamientos al rojo, z; reemplaza el enfoque tradicional (25) para restringir la variación de α simplemente permitiendo que α se convierta en una variable en las leyes físicas para α constante. Se pueden encontrar más discusiones sobre las variaciones espaciales de α a modelos cosmológicos no homogéneos en (26, 27).

Seguramente hay valor en salir y medir cosas en lugar de especular. Entonces, ¿qué fue lo que encontraron? Las respuestas en física rara vez son precisas. Por lo general, las mediciones empíricas deben tener en cuenta el grado de error, y existe mucho potencial de error en mediciones como estas. Después de todo, los astrónomos no están tomando mediciones in situ en los quásares, sino aquí en la Tierra, donde la luz tuvo que atravesar miles de millones de años luz de influencias externas, como polvo, gas, lentes gravitacionales, distorsión atmosférica y otras cosas. Además, las mediciones son sensibles a los modelos utilizados y las teorías detrás de ellos. Los físicos intentan dar cuenta de todas las fuentes de error conocidas y potenciales, pero son solo humanos. Podría haber un error en los supuestos y procedimientos utilizados. Un valor atípico puede distorsionar un promedio. Aquí está su respuesta:

Las observaciones en z = 7: 1 sondean la física del universo con solo 0,8 mil millones de años. Estas son las mediciones directas más distantes de α hasta la fecha y las primeras mediciones con un espectrógrafo de infrarrojo cercano. Se emplea un nuevo método de análisis de IA. Cuatro mediciones del espectrógrafo x-shooter en el Very Large Telescope (VLT) restringen los cambios en relación con el valor terrestre (α0). La fuerza electromagnética media ponderada en esta ubicación en el universo se desvía del valor terrestre en Δα / α = (αz – α0) / α0 = (−2: 18 ± 7:27) × 10−5, consistente con ningún cambio temporal. Combinando estas mediciones con los datos existentes, encontramos que se prefiere una variación espacial sobre un modelo sin variación en el nivel 3: 9σ.

Para los no especialistas, esto significa que la constante de estructura fina no parece cambiar con el tiempo, pero puede variar ligeramente de un lugar a otro. Eso es al menos según el instrumento utilizado, y los modelos (y supuestos) utilizados para interpretar sus mediciones y el error humano.

Aquí está el problema

El problema con la creencia en constantes variables es que todas las leyes de la naturaleza necesitan cooperar con el cambio. Quizás se pueda imaginar un conjunto de leyes autoconsistentes con una α ligeramente diferente en otro momento o lugar, pero el universo se estrellará y arderá a menos que todo se mantenga unido de una manera consistente con la existencia de estrellas, planetas y personas. González y Richards citan a la astrónoma Virginia Trimble, quien comentó con respecto a los debates sobre el ajuste fino:

Los esfuerzos para evitar un problema cambiando varias de las restricciones a la vez generalmente producen algún otro problema. Así, aparentemente vivimos en un universo bastante delicado y equilibrado, desde el punto de vista de la permisibilidad de la vida química.

(The Privileged Planet, p. 206)

La versión de video de The Privileged Planet muestra una máquina de creación de universos con diales para cada conjunto constante de manera apropiada para la habitabilidad. Se producen consecuencias desastrosas cuando cualquier dial se gira un poco más alto o más bajo. ¿Alguien sería lo suficientemente insensato como para girar varios diales simultáneamente en busca de universos alternativos que sean habitables? El enfoque más parsimonioso parece ser tomar el ajuste que realmente observamos como un hecho, y tratar sus implicaciones filosóficas y teológicas de la manera más imparcial y directa posible.

Foto: Pilares de la Creación, Nebulosa del Águila, por la NASA, ESA / Hubble y el Equipo de Herencia del Hubble.

Artículo originalmente publicado en inglés por Evolution News & Science Today