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Prerequisitos Para la Vida en el Universo ( Parte III )

Las credenciales del autor le capacitan para explicar en esta serie de artículos un tema algo complicado. Los orígenes del Universo, el Principio Antrópico y la posibilidad de un Creador cuya inteligencia se manifiesta en el universo conocido son los temas que le ocupa.
Una advertencia. Estos artículos no son sencillos. La presentación es amplia y los conceptos por momentos abstractos. Pero el lector/a que persista hasta el final del quinto artículo, se verá premiado/a con una nueva comprensión de las palabras del poeta hebreo de hace treinte siglos: "Los cielos cuentan la gloria de Dios..."

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IV.

Para Newton, la materia había sido hecha de “Partículas móviles, duras e impenetrables, de tales tamaños y figuras, y con tales otras propiedades” como mejor servían los fines deseables.[1] La dureza fue crucial: las “partículas primitivas” tenían que ser “tan duras para que nunca se desgastasen o se rompiesen en trozos” o “las características de las cosas que dependen de ellas cambiarían. El agua y la Tierra, compuestas de partículas viejas y gastadas y fragmentos de partículas, no serían de la misma naturaleza y textura que ahora, y el agua y la Tierra habrían estado compuestas de partículas enteras en el principio.”[2]
 
En parte se había equivocado. Los átomos pueden ser rotos (ionizados) al encender una cerilla. Y no se puede relacionar las partículas duras e inmutables de Newton con las entidades subatómicas, ya que las entidades subatómicas de un tipo a menudo se convierten en otro tipo. Se cree ahora que hasta el protón puede desintegrarse, y esto es positivo porque los factores en cuestión  son probablemente los responsables para la forma en que la materia salió del Big Bang en cualquier cantidad en vez de aniquilarse con la antimateria y así producir un universo de luz. La historia va así: Los bosones super-pesados pueden transformar los quarks en leptonos para que, por ejemplo, los protones, hechos de quarks, no sean eternos. A temperaturas actuales los super-pesados se crean raramente, y la desintegración de protones son poco usuales también; pero al principio del Big Bang los super-pesados eran comunes, y sus desintegraciones producían números desiguales de quarks (para formar protones) y antiquarks (que forman los antiprotones).
 
Pero hay que notar que:

(i) los detalles de la historia son poco claros: por eso hasta la “señal” de la desigualdad- si se producirían más quarks o más antiquarks- se puede determinar hasta ahora sólo a través del principio verbal que con certeza diremos que el resultado es “materia”, y no “antimateria”;[3]
 
(ii) las leyes de conservación de carga y paridad de carga, tienen que fallar, implicando que tiene que haber dos “generaciones” de quarks y leptones además de los de nuestro mundo cotidiano;[4]
 
(iii) hacía falta no sólo un universo en expansión, sino también, probablemente, una expansión muy rápida que proveyera la inflación[5]. Y que,
 
(iv) algo tenía que garantizar que el exceso de protones sobre antiprotones tuviera un paralelo precisamente igual en un exceso de electrones sobre positrones, para evitar un desequilibrio de carga. Un desequilibrio de carga haría difíciles de conseguir las condensaciones de materia si el universo estuviera “abierto”; y en un universo “cerrado” o finito, el caso sería peor, ya que las líneas de la fuerza se rebobinarían múltiples veces, formando un campo eléctrico infinito.[6]
 
(v) Y además de todo eso, no se podría producir ni demasiado, ni demasiado poco en cuanto a materia. En bruto, el exceso real era de un protón por cada cien millones de pares de protones y antiprotones. Demasiados protones, y el universo se colapsaría rápidamente, dado que la velocidad de expansión reflejaba  el número de fotones por protón; o se convertiría en una colección de estrellas de neutrones y agujeros negros; o por lo menos, habría helio por todas partes en vez de hidrógeno. Demasiado pocos, y habría una expansión demasiado rápida, unida a presiones de radiación que impidieran la condensación de protogalaxias y estrellas: cualquier sistema unido masivo que pudiera formarse a pesar de la expansión, encerraría la radiación que paraba la fragmentación en cuerpos más pequeños, en cuya existencia depende la vida.[7]
 

Además, la desintegración de protones tiene que ser lenta. Las vidas de protones de 10E+16 años, alrededor de 10E+6  veces la edad actual del universo, significaría (según M. Goldhaber) que hasta las desintegraciones que ocurren dentro de nuestros cuerpos nos matarían con sus radiaciones.[8]
 
 
Todo esto implica que las masa de los bosones superpesados tiene que estar dentro de límites curiosamente estrechos: por ejemplo, tienen que ser por lo menos cien millones de veces más pesados que los protones si los protones van a ser lo suficiente estables.[9] Otra vez, una constante eléctrica de más de l/85 resultaría en demasiadas desintegraciones de protones, impidiendo la existencia de las estrellas longevas y estables (1/180 es un límite inferior sugerido por los GTUs)[10] Y si niveles altos de radiación son letales, entonces 1/85 sería demasiado alto ya que entonces la estabilidad de los organismos vivos sería más frágil que la de las estrellas.
 
El que Newton en parte se haya equivocado, no debe esconder el hecho de que casi acertó al escribir que “los cambios en las cosas corporales” son simplemente “nuevas asociaciones y movimientos de partículas permanentes”.[11]  El protón promedio vivirá más que 10E+31 años. Además, las partículas sí que aparecen en tipos inmutables: una molécula de ADN transmite datos equivalentes a diez mil páginas porque las partículas atómicas (y por eso los átomos que constituyen) aparecen en tipos invariables. Hasta en los años 70, Wheeler podía escribir que “la identidad milagrosa de las partículas del mismo tipo debe ser considerado como el misterio central de la física”. La geometría riemanniana era, dijo, útil en la física sólo por su sugerencia – la cual “expone a la destrucción en cientos de áreas” –de una simetría sin la cual “los electrones traídos a través de diferentes rutas al mismo átomo de hierro en el centro de la Tierra, tendrían distintas propiedades”. Un fallo en la simetría significaría  que “el átomo de hierro – y el centro de la Tierra- colapsarían”, porque ahora fallaría también el principio Pauli.[12] Como explicó V.F. Weisskopf, este principio “en gran parte reemplaza el concepto clásico de la impenetrabilidad y de la dureza”; al mantener separadas todas las partículas del mismo tipo, se previene el colapso atómico. Pero, añadió, sería interesante saber por qué los electrones y otras partículas de materia (fermiones) son de tipos específicos: “Se puede decir muy poco sobre la razón por la que el electrón tiene las propiedades que observamos”, y las cosas son especialmente difíciles por la manera en que la Naturaleza  “nos ha provisto un segundo tipo de electrón, el muón,” que aparentemente “es diferente del electrón normal tan sólo por su masa.[13]
 
En el principio Pauli, el “estiramiento” del átomo a través del mantenimiento de los electrones en una jerarquía de órbita es muy afortunado. Si los electrones tomaran cualquier órbita, entonces, (i) los golpes termales les cambiarían las órbitas, destruyendo las propiedades fijas que forman la base del código genético y el hecho feliz de que los átomos de diferentes tipos se comportan de diferentes maneras, y (ii) los átomos colapsarían rápidamente, cayendo hacia dentro en forma de espiral, radiando violentamente. Ahora, la naturaleza “partícula-onda” de las partículas atómicas nos podría ayudar a comprender el principio. Si consideramos las ondas de sonido: el aire en los tubos de un órgano vibra a una cierta frecuencia o a simples múltiples de ella. Sin embargo, vemos que los bosones tienen también esta naturaleza partícula-onda pero no están restringidos por el principio Pauli. Si los electrones se portaran como los bosones, entonces todos podrían ocupar la órbita más baja posible, y no existiría la química.
 
El electrón que está en la órbita más baja, ¿cómo evita ser absorbido por el núcleo atómico de carga opuesta? La teoría cuántica responde que la Incertidumbre Heisenberg, que relaciona la posición y el movimiento, hace que el electrón aumente la velocidad al acercarse al núcleo. Esto [ junto con: (a) el no colapso de estrellas blancas enanas y de neutrones, apoyadas por la “agitación Heisenberg”,
(b) el efecto cuántico del túnel por barreras de fuerza, lo cual hace arder más rápidamente las estrellas y es la base de la radioactividad, (c) las creaciones cuánticas de partículas que existen por medio de energía “prestada” hasta que la fórmula de Heisenberg, que relaciona la energía y el tiempo, exija un ajuste de cuentas, (d) el hecho de que las “características flagrantes como un agujero negro”[14] en una caja gigantesca pueden ser simplemente una cuestión de cuál es el resultado de los dados cuánticos]  todo esto, hace que sea poco probable que la Incertidumbre Heisenberg sea meramente el resultado del hecho de que los seres conscientes no pueden descubrir los detalles de los eventos. La Incertidumbre sí que existe en el mundo, y es tan rara como afortunada. A los electrones, gracias a Dios, ¡no los absorben eternamente los núcleos!
 
Otro aspecto sobre la dureza tiene que ver con los sólidos. Como dijo G. Wald,[15] “si el protón no tuviera una masa mayor a la del electrón, toda la materia sería líquida” porque “todos los movimientos referentes a estas partículas serían mutuas, y nada se quedaría en su sitio.” Es gracias a que sus núcleos pesados están encarcelados dentro de nubes de electrones ligeros, nubes que interaccionan de forma complicada, que los átomos individuales tengan posiciones fijas.
 
F.D. Kahn señaló también que las moléculas de agua, los anillos de bencina, el ADN, etcétera, tienen estructuras que “persisten debido a la gran diferencia entre la masa de un electrón y la masa de un núcleo atómico.[16] Lo que está en cuestión es “la existencia de la química (y también de los químicos) ya que la química necesita átomos “que estén llenos de espacios abiertos con núcleos centrales bien definidos”[17]  Esto involucra también la comparativa debilidad del electromagnetismo, al igual que el hecho de que los electrones nosienten la fuerza mayor nuclear, la cual es cientos de veces más poderosa. (Kahn añadió que tales reflexiones  hacen dudosa la posibilidad  de la vida no química que se basaría en la fuerza mayor en vez de en los electrones y en el electromagnetismo. Los protones y los neutrones, las partículas principales gobernadas por las fuerzas mayores, tienen masas virtualmente iguales  para que “no se pueda precisar sus ubicaciones”.)
 
T. Regge argumentó que “las cadenas largas de moléculas que hagan posibles los fenómenos biológicos” podrían ser amenazadas por “muy pequeñas variaciones” en la diferencia de las masas de los protones y los electrones.[18]
 
Igual de importante es el hecho de que los electrones y los protones tienen cargas opuestas pero numéricamente iguales. Si no fuera así,  el consiguiente desequilibrio de carga sería igual de desastroso como el que se citó antes. Wald comentó que “ si el universo empezó con hidrógeno cargado, podría expandir, pero probablemente nada más”. (R.A. Lyttleton y H. Bondi habían soñado en 1.959, con que las cargas de los protones y de los electrones se diferenciaban por dos partes en un billón de billones, y que esta pequeña diferencia ¡explicaba la expansión cósmica!) Lo que es en realidad una carga igual, le parecía especialmente misteriosa porque el protón tenía “más o menos 1.840 veces la masa en reposo del electrón”. Había otras parejas de partículas con cargas opuestas, el protón y el antiprotón, por ejemplo, cuyas cargas eran exactamente iguales, pero aquellas “pueden ser generadas desde fotones como parejas de antipartículas” (que no tienen carga), así que en este caso la igualdad era simplemente “un aspecto de conservación de carga”. Aquí no había semejante explicación. Es verdad que esto puede ser explicado al decir que los protones consistían en quarks que llevaban cargas de uno o dos tercios de la del electrón; y esto se puede entender como la posibilidad de que los quarks pueden transformarse en leptones
(la clase a la que pertenecen los electrones). Pero, dijo Wald, eso conlleva la necesidad de una explicación a otro nivel, ya que las cargas en los varios tipos de quarks ahora tendrían que ser “o iguales, o sub-multiples sencillas unas de las otras” con una exactitud enorme.[19]
 
Wald escribía antes de las teorías tan osadas de los 80, las cuales pueden proveer más claridad en este área. Pero como dije antes, los teístas no deberían oponerse demasiado a la idea de los principios fundamentales que dictan éste o aquel fenómeno afortunado; porque aunque estos principios son relativamente sencillos, siguen siendo increíblemente detallados y están muy lejos de ser lógicamente inevitables. Hasta la GTU moderna más sencilla, gracias a H. Georgi y S. Glashow (ahora considerada subdesarrollada), comprende veinticuatro campos de fuerza.[20] Hoy en día hay muchísimas más teorías mucho más complicadas que compiten por la atención del físico. Y las declaraciones de haber sacado ésta u otra cantidad “de principios básicos”, normalmente ignoran el hecho de que alguna otra cantidad, a menudo la masa de una partícula “mensajera” portadora de fuerza, tuvo que ser metida anteriormente a mano.
 
Rozental[21]  calcula que una diferencia de carga electrón-protón de más de una parte en diez billones significaría que ningún cuerpo sólido podría pesar más de un gramo. (Y otra vez, dice,[22] si se reduce la carga del electrón por más de dos tercios, hasta las temperaturas bajas del espacio interestelar destruirían todos los átomos neutros.)
 
Barrow y Tipler comentan que en cualquier caso, la diferencia entre las cosas materiales y las ondas sólo es importante gracias a la pequeñez de la constante electromagnética. Tiene que ser una fracción (es más o menos l/137) para asegurar “la distinción entre la materia y la radiación”, por razones centradas en la forma en que los electrones pasan esa misma fracción de sus vidas en forma de ondas. Si la fracción hubiera sido más grande, los átomos habrían sido impermanentes.[23]
 
Pero, ¿no sería posible que algún tipo de biología se basara en las ondas en vez de en la materia?  Más precisamente, ¿no se podría basar en bosones (como los que forman los rayos de luz) en vez de en fermiones (los electrones, los protones, los neutrones, etc.)?  Desafortunadamente, a los patrones que tejen los bosones les faltan las propiedades que parecen esenciales. Tienden a pasar los unos a través de los otros, y no podrían proveer los ladrillos inmutables, los cuales vienen en distintas formas, que son capaces de una ubicación exacta, y con los que los mensajes genéticos, por ejemplo, podrían ser construidos. (Las ondas de luz interaccionan como las olas del océano. Es verdad que, en un sentido complicado, están compuestas de partículas, y éstas pueden interraccionar, pero cuando lo hacen, sólo es en la forma que se conoce gracias a la luz láser. Se apresuran a suprimir sus individualidades, construyendo patrones de acción en masa.)
 
Finalmente, las partículas duraderas sólo existen debido a las propiedades topológicas y métricas del espacio. Por ejemplo, parece ser tridimensional, lo cual no es una inevitabilidad lógica. Las actualmente populares teorías Kaluza-Klein sugieren que de hecho tiene por lo menos diez dimensiones, siete de las cuales son invisibles porque cada una se volvió estrechamente enrollada y compacta. La verdadera dificultad es entender cómo las otras podrían quedarse sueltas en vista de la inmensa densidad enérgica de un “vacío” hinchado de fluctuaciones cuánticas: véase el tratamiento del problema de la llanura.
 
Si hubiera más de tres dimensiones espaciales presentes en forma no compacta, los átomos o partículas elementales podrían ser imposibles. (a) Las discusiones de los físicos sobre solitones, sugieren que las partículas podrían ser nudos que persisten en el tiempo, porque el espacio tridimensional es el único tipo en el que los verdaderos nudos pueden atarse.[24] (b) Muchos han desarrollado el argumento de P. Ehrenfest[25] de que tanto la estabilidad de los átomos y de las órbitas planetarias, como la complejidad de los organismos vivos, y la capacidad de las ondas de propagarse sin distorsiones ( crucial, quizás, en los sistemas nerviosos y en otros sitios), todos están disponibles sólo en tres dimensiones. (c) Wheeler ha sugerido que sólo el espacio tridimensional es lo suficiente complicado como para ser “interesante” y a la vez lo suficiente sencillo como para escapar la total desintegración por los efectos cuánticos, efectos que se burlan del concepto de que un punto puede tener “un vecino cercano”.[26]
 
En realidad, a veces se afirma que el espacio podría tener una “dimensionalidad fraccional”. Los fractales, curvas de una complejidad infinita, llenan parcialmente el espacio de las altas dimensiones, en el cual serpentean, asumiendo su dimensionalidad. Si nuestro espacio hubiera sido (o es) de alguna dimensionalidad como 2,99999998 o 3,0000000l entonces hay muchas posibilidades para la afinación.
 
Si la topología del espacio fuera variable (y algunos han sugerido que varía a cada Gran Apretón [Big Squeeze] de un universo perpetuamente oscilatorio), entonces la paridad de las leyes de conservación también podrían variar: en su ausencia, sabe Dios qué clase de vida sería posible.[27]  Otra vez, Davies y S.D. Unwin afirman que la topología “no trivial” del espacio podría ayudar a explicar por qué la constante cosmológica está tan cerca de cero. Campos escalares torcidos harían que la constante tomara diferentes valores en diferentes regiones. Todo lo que nuestros telescopios pueden alcanzar está posiblemente dentro de una de esas regiones. En regiones donde la constante coge valores mensurables que no sean cero, no podrían existir observadores[28]
 
A.D. Linde razona que la vida depende de que el espacio tenga la firma métrica correcta, habiendo demostrado A.D. Sakharov que fue imposible que saliera del Big Bang con otra. La realidad podría ser partida en dos dominios con diferentes firmas. La firma observada es +++- (lo cual significa que en vez del d^2= x^2 + y^2 del teorema de  Pitágora, tenemos d^2 = x^2 + y^2 + z^2- (ct)^2, donde t es tiempo y c la velocidad de la luz). La firma ++++ , por ejemplo, implicaría que “la vida sería imposible debido a la ausencia de estados semejantes a partículas”.[29]
 
También habría que mencionar la idea actual de que el espacio que habitamos es solamente metaestable, como un lápiz que se balancea verticalmente: se llena de un campo que podría (con la variabilidad de un fenómeno cuántico) bajar en forma de túnel a un valor más bajo. La burbuja resultante de espacio estable expandiría a la velocidad de la luz, destruyendo cualquier observador al chocar con ellos. Si el quark superior tiene una masa tan grande como 125 GeV, entonces tenemos suerte de que nuestro mundo haya durado tanto.[30]
 
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Traducido por Darío Fox
© Mente Abierta 20

John Leslie
Este artículo ha sido publicado en Newton and the New Direction in Science, ed. G.V. Coyne, M. Heller, y J. Aycinski (Vatican City: Specola Vaticana, 1988). John Leslie estudió filosofía y psicología en la Universidad de Oxford antes de venir a la Universidad de Guelph en Ontario en 1968, donde actualmente sirve como catedrático de filosofía. Ha ejercido como secretario de la Asociación Filosófica Canadiense y ha recibido los siguientes becas y/o galardones: Canada Council Research Grant, Social Sciences and Humanities Research Council Fellowship, Forster Fellowship, y Visiting Fellowship at the Australian National University. Reconocido como el experto más destacado en el principio antrópico, John Leslie ha escrito Value and Existence (El valor y la existencia) y varios artículos sobre este tema en boletines y antologías tal como Scientific Explanation and Understanding, Current Issues in Teleology, Origin and Early History of the Universe, American Philosophical Quarterly, Philosophy, y Mind.

Traducido por Darío Fox
© Mente Abierta 2004

NOTAS

[1] Query 31.
 
[2] Ibid.
 
[3] Barrow and Tipler, páginas 403-7; o G.G. Ross, páginas 304-22 de Quantum Gravity, 2.
 
[4] Demaret et Barbier, pág. 489.

[6] Demaret et Barbier, Rev. des Quest. Sci. 152, pág. 199; S. Weinberg, The First Three Minutes, second edition,  (Londres: 1983), pág. 87.
 
[7] Carr and Rees, pág. 610; Demaret et Barbier, páginas 478-80, 500; D.V. Nanopoulos, Physics Letters, 91B páginas 67-71; Davies, "The Anthropic Principle," páginas 24-5; Barrow and Tipler, pág. 418.
 
[8] Pagels.
 
[9] Weinberg, pág. 157
 
[10] Barrow and Tipler, páginas 358-9.
 
[11] Query 31.
 
[12] Gravitation (San Francisco: 1973), autores C.W. Misner, K.S. Thorne y J.A. Wheeler, pág. 1215, y Problems in the Foundations of Physics (Amsterdam: 1979), ed. G. Toraldo di Francia,  pág. 441.
 
[13] CERN bulletin 65-26, 2 de julio 1.965,  páginas 2-3,12.
 
[14] R.Penrose en Quantum Gravity 2,  pág. 267.
 
[15] Cosmochemical Evolution and the Origins of Life (Dordrecht: 1974), eds. J. Oro, S.L. Miller, C. Ponnamperuma, R.S. Young,  páginas 7,24
 
[16] The Emerging Universe (Charlottesville: 1972), eds. W.C. Saslaw and K.C. Jacobs, pág. 79.
 
[17] Barrow and Tipler, pág. 297.
 
[18] Atti del Convegno Mendeleeviano, Acad. del. Sci. de Torino (1971),  pág. 398.
 
[19] Cosmochemical Evolution,  páginas 23-4.
 
[20] Davies, Superforce,  pág. 131.
 
[21] On Numerical Values, pág. l4.
 
[22] Uspekhi,  pág. 298.
 
[23] pág. 298.
 
[24] Atkins,  páginas86-7; C.Rebbi, Scientific American, 240 No. 2 (1979)  páginas 76-91; Z. Parsa,  American J. Of Physics 47 (1979),  páginas 56-62.
 
[25] Proc. of the Amsterdam Academy 20 (1917), pág. 200; for discussion of many other authors see Barrow and Tipler, páginas 258-276.
 
[26] Gravitation, pág. 1205.
 
[27] Barrow and Tipler, páginas 248-9 y pág. 283, n. 95.
 
[28] Proc.Roy.Soc.London 1377 (1981), páginas 147-9.
 
[29] Reports on Progress in Physics 47 (1984), pág. 974.
 
[30] M. Turner y F. Wilczek, Nature 298 (1982), pág. 633; Wilczek en la pág. 27 de The Very Early Universe, citando un estudio de R. Flores y  M. Sher.

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