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Prerequisitos Para la Vida en el Universo ( Parte IV )

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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V.

“La necesidad metafísica ciega”, dijo Newton, “no podría producir ninguna variedad de cosas”.[1] Quizás se podría encontrar en la “vis inertiae” de la materia, pero Dios había provisto para la materia “ciertos principios activos” también: las fuerzas de “la gravitación, el magnetismo, y la electricidad”, y probablemente “otras que alcanzaran a tan diminutas distancias como para, hasta ahora, evitar ser observadas.” Tales hechos, como el de “la cohesión de dos canicas pulidas in vacuo” sugerían que las partículas “se atraen mutuamente por medio de alguna fuerza, la cual en contacto inmediato es excesivamente fuerte, y a distancias pequeñas produce reacciones químicas”. “Las más pequeñas partículas de materia pueden adherirse por medio de las más fuertes atracciones, y así constituyen partículas más grandes de características más débiles; y muchas de éstas pueden adherirse y así constituir partículas de características aun más débiles, a continuación”. Y “como en el álgebra, donde las cantidades afirmativas desaparecen y cesan, allí empiezan las negativas; así en la mecánica, donde cesa la atracción, allí debe seguir una característica repulsiva”.[2]
 
¡Qué intuición más buena! La naturaleza se gobierna por medio de, por lo menos, dos fuerzas principales (la mayor y la menor nuclear) además de la gravitación y del electromagnetismo. Todas son esenciales para la vida que se basa en el calor, la luz, los átomos, las estrellas y la química.[3]  Son muy distintas en alcance y en potencia, siendo la más fuerte la fuerza mayor nuclear de muy corto alcance. Y una fuerza que parece ser la misma, puede atraer a una distancia, y a otra, repeler.
 
Aquí citamos unos detalles.[4] 

(i) Los electrones son “filtrados” por nubes de positrones “virtuales”, entidades de corta vida conjuradas de la nada como fluctuaciones cuánticas. Esto impide el crecimiento sin límite de la influencia del electrón al acercarse otras partículas - tal crecimiento sería inmensamente destructivo, lo cual se esperaba de una partícula tan puntiaguda. Los quarks del núcleo atómico, por otro lado, mantienen sus identidades particulares gracias a la “antifiltración” por medio de gluones que “extienden” la fuerza de color interquark para que desaparezca a corto alcance (al igual que la gravitación en el centro de la Tierra ya que tira igualmente desde todas las direcciones).
 
(ii) La fuerza nuclear mayor, probablemente la fuerza de color con aspecto complejo, repele a distancias extremadamente cortas, atrae a distancias más largas. Al repeler,  impide que los protones y los neutrones de un átomo complejo colapsen, pero al atraer, los une fuertemente, dándole al átomo un centro perfectamente colocado (con los beneficios que se mencionaron anteriormente). Y a distancias aun más grandes, (pero muy cortas) la fuerza disminuye a cero: las partículas mensajeras que lo llevan no pueden viajar más ya que tienen que devolver la “energía” que cogieron para existir. Si la fuerza fuera de largo alcance, el universo colapsaría rápidamente.
 
(iii) El electromagnetismo, en contraste, se transmite por medio de partículas de masa cero en reposo, fotones. Como no tienen que devolver la energía prestada, los fotones pueden viajar indefinidamente, pero esto no invita al desastre, porque la materia en masa tiende a no ejercer ninguna fuerza eléctrica: las cargas positivas son canceladas por las negativas, así que no se produce ningún campo capaz de o colapsar o explotar el cosmos.
 
(iv) Así que el universo a gran escala se gobierna por medio de la fuerza más débil de la gravitación. Los sistemas planetarios y galácticos se mantienen en contra de su fuerza a través de la rotación a la que Newton se refería, o (como en algunas galaxias) simplemente por medio de movimientos al azar.
 

El resultado: Un baile altamente complejo de partículas de materia. Se gobierna por medio de principios misteriosos tal como la Conservación Baryon (no relacionada con ningun campo de fuerza obvio como lo es la Conservación de Carga del electromagnetismo, sin embargo, sin ella, el universo desaparecería en una bola de fuego de radiaciones gamma”[5]). Además, un sistema complicado de controles y equilibrios mantiene todo en un movimiento continuo durante millones de años: por ejemplo el equilibrio en los núcleos atómicos  entre la atracción de la fuerza mayor, y la repulsión electromagnética que casi vuela cualquier átomo con dos o más protones. Este equilibrio, junto con el principio Pauli, la masa pequeña del electrón, y el hecho de que los electrones no sienten la fuerza mayor, permite la existencia de unos cien apreciables distintos ladrillos constructores de átomos cuyos electrones los hacen más útiles que las esferas sólidas que la física primitiva había imaginado (como comentó A. Szent-Gyorgyi, "Le será bastante difícil construir cualquier mecanismo utilizando canicas”).
 
Tanto en los núcleos atómicos como en átomos enteros, tales controles y equilibrios resultan en “colinas” de campos de fuerzas que son difíciles de penetrar, para las partículas que quieren entrar o salir. Esto significa una gran estabilidad. Pero las colinas pueden ser penetradas, por ejemplo en las poderosas colisiones dentro de las estrellas, y así pueden arder las estrellas. Además, los átomos son complicadamente “pegajosos”.  El núcleo de carga positiva de un átomo puede atraer los electrones de otro; así los dos van acercándose el uno al otro hasta que sus nubes de electrones se repelan mutuamente a  la fuerza. Esto constituye la unión débil de van der Waals, la que mantiene los líquidos en forma de líquido. Pero los átomos luego pueden intercambiar un electrón, compartir un par de electrones, o involucrarse en unas interacciones complicadas entre unos electrones y otros, o entre unos electrones y unos protones (que a lo mejor incluye también otros átomos, como en las uniones de hidrógenos.) Muchas otras uniones tanto físicas como químicas pueden así ampliarse. Las débiles forman la base de reacciones fácilmente reversibles. La vida explota estas reacciones con la fotosíntesis, con los movimientos de los músculos (uniones de hidrógeno formadas rápidamente y luego deshechas), con la confección o combustión del combustible celular FTA (las uniones de fosfatos siendo rápidamente hechas y deshechas), o con la introducción de nueva materia en las células. Esta última unión es semejante a la llama de una vela; sus formas persisten a pesar de que sus átomos estén siendo constantemente reemplazados. Así es como los hombres duran más que sus zapatos.
 
En una mayor escala, encontramos una estabilidad del tipo al que se refería F. Dyson,24 llamando “pegas” al fluir de la energía. (a) La “pega termonuclear” de Dyson puede ser la siguiente más impresionante: permitía que nuestro sol apoyara la evolución de la vida durante un tiempo que Kelvin consideraba imposiblemente más largo que la vida de cualquier estrella. (Al calentarse, los movimientos caloríficos de sus partículas luchan en contra de más compresión por gravitación. La estrella sigue esparcida, y sus procesos de fusión disminuyen.) (b) Sin embargo, cuando empezamos a entender el Problema de la Llanura (Flatness Problem), nos impresiona aún más la “pega del tamaño”: el hecho de que las galaxias y el cosmos son lo suficiente grandes para evitar el colapso gravitacional inmediato u otros desarrollos que excluyen la vida.
 
El que tales asuntos sean tan impresionantes es el resultado de la sencillez de sus leyes básicas. (En “Do we live in the simplest possible interesting world?”[¿Vivimos en el mundo interesante más sencillo posible?],[6] E.J. Squires argumenta que son posiblemente las leyes más sencillas las que permiten algo tan complicado como la química.) De todas formas, aunque podamos ver esto como “tales principios que podrían servir en hombres pensativos como la creencia en una Deidad”,[7] ¿no sería mejor quizá una reacción contraria? “En un sólido mezclado”, dice Wheeler,[8] “Hay cientos de uniones distintas, pero todas tienen su origen en algo tan maravillosamente sencillo como un sistema de masa de cargas negativas y positivas, que se mueven según las leyes de la mecánica cuántica”. En vez de ser evidencia de la ingenuidad divina en seleccionar esas leyes, ¿no es más bien una muestra de que las estructuras complejas son el resultado seguro dondequiera que haya leyes? Véase la rapidez con que las llamas, los cristales, y las burbujas, agitados por los vientos, se reproducen. Lea a M. Eigen y R. Winkler: además de repetir el punto de Darwin de que los organismos complejos pueden evolucionar de organismos sencillos por medio de la selección natural, demuestran cómo se han originado los más sencillos.[9] Sus ejemplos incluyen “patrones disipados” establecidos por medio de flujos de energía, y los “planeadores” (que oscilan y viajan pero siguen estables) evolucionados en el juego de J.H. Conway que se juega con abalorios que se reproducen o mueren en obediencia a tres reglas cortas.
 
Este tipo de reacción parece que no aprecia la complejidad casi increíble de los seres vivientes: La “sencilla” célula tiene una estructura microscópica casi tan compleja como la del hombre entero al ser visto tan sólo con el ojo. También podríamos cuestionar la idea de que tiene que haber un ambiente en el que la selección natural puede proceder sin problemas. Tomar el mundo de la vida como algo no sorprendente podría parecer una obsesión con lo cuantitativo, que a la vez ignora lo cualitativo. Pero los hombres razonablesdiscuten estos puntos. Por eso, este trabajo ha enfatizado que las consideraciones cuantitativas constituyen una fuerte contribución al moderno Argumento para el Diseño. Cambios pequeños en los fundamentos constantes habrían hecho muy poco probable la evolución de la vida. Observe otra vez la cifra de una parte en 10E+100, que representa la exactitud del ajuste de la gravitación frente a la fuerza menor para evitar el colapso total o explosión del cosmos. Recuerde también la afirmación de que un cambio en el equilibrio entre la gravitación y el electromagnetismo de una parte en 10E+40 habría hecho que las estrellas ardiesen o demasiado rápido o demasiado lento para los propósitos de la vida. Piense en los otros muchos argumentos que he presentado.
 
Es verdad que pocas afirmaciones citan números tan altos como 10E+100; pero muchas veces hay una compensación en que son afirmaciones firmemente establecidas. Y el esquema que he presentado no ha podido incluir todo. Por ejemplo, no he mencionado la rapidez con que el cosmos habría colapsado si los neutrinos de electrones, a menudo considerados de poca masa, hubieran pesado hasta una centésima parte de lo que pesa el electrón.[10] (El Big Bang produjo unos billones de ellos para cada protón.) Tampoco mencioné el cálculo de P.W. Atkins [11] de que un aumento de 1% en la fuerza del electromagnetismo habría doblado el número de años necesarios para la evolución de la vida inteligente, llegando así a ser 10E+62 años. Atkins comenta que si los átomos estuvieran más estrechamente unidos, sólo “estímulos como explosiones nucleares” podrían producir cambios en las estructuras vivientes hechas de ellos.
 
Note que el argumento en estas líneas no tiene porqué acudir a la necesidad de la capa de ozono que nos protege de los rayos ultravioletas; ni al que dice que el hielo flota para formar una capa protectora encima de las charcas; o al que habla de la necesidad del calcio, del cloro, del magnesio, del potasio, del fósforo, del sodio y del azufre (elementos mineralesesenciales para los organismos reales en nuestro planeta). Tampoco hay que dar por sentado que la falta de carbono como la base de las cadenas complejas y de las propiedades especiales del agua, eliminaría por completo la posibilidad de la vida en nuestro universo (aunque Wald84  y otros presentan un argumento fuerte a su favor). Al contrario, el tema central aquí, es el que propone Rozental: que los cambios pequeños en las constantes fundamentales – la potencia de las fuerzas, las masas, el constante Planck, etc. – resultarían en una ausencia total de “núcleos, átomos, estrellas y galaxias” : “no resultarían en cambios insignificantes cuantitativos en lo físico, sino que resultaría en la destrucción total de sus fundamentos.”[12] Se supone que esto implicaría la ausencia no sólo de observadores hechos de carbono y agua, sino de absolutamente todos los observadores. No habría ni fuego, ni cristales, ni burbujas agitadas por el viento; y aunque hubiera cosas que se reproducen, como el fuego, eso estaría muy lejos de lo que llamamos la vida.
 
Y ¿si hay vida que no se basa en la química, (eso es en el electromagnetismo) sino en la fuerza mayor nuclear o en la gravitación? ¿Podría florecer sin la afinación divina? Ni el agua ni el carbono pueden existir en una estrella de neutrones; su calor, su gravitación, y su magnetismo podrían destruir sus estructuras en una cuatrillonésima de segundo; pero, ¿no podría funcionar tan rápidamente la fuerza mayor nuclear para que esto no importase? Una civilización entera de una estrella neutrón podría durar “sólo una billonésima de segundo” mientras que la evolución de la vida inteligente en la tierra tardó sólo “una trigésima de segundo” [13] ¿O no podría ser que “la vida gravitacional” (las estrellas individuales toman el papel de átomos individuales o de moléculas en la vida terrestre”) evolucionase después de “billones de billones de años, no solamente de los billones de años que hacen falta para la vida basada en las fuerzas electromagnéticas?” [14]
 
 Mi respuesta a esta clase de suposición es que creer en Dios es comparativamente sencillo; (i) que ni la “vida nuclear” ni la “vida gravitacional” podría tener elementos tan precisamente colocados como los electrones cuya posición exacta es imprescindible para nuestro código genético (véase las citas anteriores de Kahn, etc.); y (ii) que no existirían los cielos llenos de estrellas de la vida gravitacional ni las estrellas de la vida nuclear fuerte si se hubieran cambiado los constantes básicos. Un cambio insignificante, y el cosmos se colapsa en una milésima de segundo o se desintegra tan rápidamente que pronto no existe nada más que gases demasiado diluidos para ser gravitacionalmente unidos. Otro cambio, y casi no existe el exceso de la materia sobre la antimateria: el universo es prácticamente tan sólo de luz. Otro, y los primeros trillones de años son demasiado calientes para formarse las estrellas, y después de eso, todo está demasiado diluido. Otro, y el Big Bang sólo produce agujeros negros.
 
No hace falta afirmar que de todos los posibles universos sólo en una pequeña fracción existiría la vida. Sólo necesitamos mirar a los universos de “el área local” de las posibilidades, los que, como el nuestro, tengan las mismas leyes básicas pero con una diferencia en la potencia de sus fuerzas, en las masas de partículas, en las velocidades de expansiones, etc. Puede ser de ayuda una metáfora. Una avispa en la pared está rodeada de una área bastante grande que no tiene ningún insecto. Se dispara sólo una bala. Le da a la avispa. ¿Un experto la disparó, probablemente? Para solucionarlo, no consideramos si en áreas distantes de la pared hubo insectos. Localmente, hay sólo un insecto.
 
En la cosmología, nuestra avispa es una pequeña “ventana” dentro de la cual las constantes varias tenían que estar para que la vida evolucionara. El área local es una área (o volumen) de posibilidades, que se pueden medir con la ayuda de ejes que dan posible valores para esas constantes. Y dar con la ventana puede ser impresionante, aún cuando el área puede tener una o dos otras ventanas pequeñas.  (Un estudio pionero de Rozental, I. Novikov y A. Polnarey explica esto.) A través de ejes que demuestran varias fuerzas de gravitación y de electromagnetismo, descubren una pequeña ventana con posibles condiciones que permitan la vida, además de una ventana pequeña en la cual existen las fuerzasnecesarias.[15] Pero más investigaciones podrían revelar que la segunda ventana es ilusoria. Porque cuando citamos diez razones por las que pensamos que una fuerza o masa u otra constante tiene que quedar entre límites estrechos para que la vida evolucione, no estamos evitando el error al dar diez razones para una conclusión. Más bien, estamos citando diez bases para decir que si se cambia una constante o el equilibrio entre una constante y otras, el resultado será el desastre o en un lugar o en otro.49)
 
Observe que mientras que los cambios de una parte en cien (o en un trillón) podrían arruinar las posibilidades para la vida, las fuerzas de la naturaleza tienen potencias tan variadas que la más fuerte es un trillón de trillones de un cuadrillón de veces más fuerte que la más débil; y hay que acordarse de que nadie ha calculado sus fuerzas “desde la teoría” sin meter a escondidas, por ejemplo, las masas observadas de sus partículas mensajeras. Las masas de las partículas, además, varían dentro de límites más o menos igual de anchos: l eV o mucho menos es posible sólo para los neutrinos mientras que los monopolos magnéticos pueden pesar 10E+25 veces más. ¿Son previsibles? Algunos han sugerido razones que obligan a los fotones a tener una masa de cero, así quitando todo peligro de que éstos colapsen rápidamente el universo (son tan comunes como los neutrinos, habiendo unos 109 por cada protón). También hay una tendencia a que las partículas de “más alta generación” tengan masas más altas y más juntas. Pero al igual que con las potencias de las fuerzas, nadie puede decir que justamente esta combinación de masas fuera inevitable. Y como se sugería en cuanto a los monopolos, una historia generalmente aceptada dice que las fuerzas eran originalmente iguales, meros aspectos de una “fuerza unificadora”, y de que sólo hubo un tipo de partícula: al enfriarse el universo, se rompió esta “simetría”, y entonces las masas y las potencias de las fuerzas empezaron a asumir valores imprevisibles. Compare la forma en que la materia magnética, al enfriarse por debajo de su punto Curie, rompe la simetría electromagnética, y a continuación aparece un campo magnético, un campo vector cuya dirección (detectado por medio de agujas de brújula) no se puede calcular de antemano.
 
Es verdad que las fuerzas y las masas pueden ser controladas por medio de las fuerzas de los campos escalares (caracterizados sólo por intensidad, no por dirección y por eso difíciles de detectar si tienen las mismas intensidades a lo largo del universo visible). Pero la fuerza del tales campos fueron probablemente en sí un asunto de suerte.[16]
 
Sin embargo, esto sugiere que cualquier “afinación” puede ser explicada sin incluir la elección creativa de Dios. Quizás las potencias de las fuerzas y las masas de partículas aptas para la vida sean justamente lo que iba a ocurrir en algún lado dentro de cualquier Realidad lo suficiente grande. Semejante realidad podría ser partida en muchísimos dominios grandísimos. (S.Weinberg los compara a los dominios de cristales de hielos que se forman cuando el agua se congela,[17] siendo todos posiblemente dominios en los cuales las simetrías se habían roto de formas incompatibles con la vida.)
 
Las mismas palabras de Newton sugieren esta posibilidad.

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Traducido por Darío Fox
© Mente Abierta 2004

NOTAS

[1] General Scholium.
 
[2] Query 31.
 
[3] Davies, The Forces of Nature, páginas229-30; Rozental, Uspekhi, pág. 301.

[4] Tomado en parte de clásicos como V.F. Weisskopf, Knowledge and Wonder (Nueva York: 1962) y H.F. Blum, Time's Arrow and Evolution (Princeton: 1968).
 
[5] Davies, The Forces of Nature, pág. 160.
 
[6] European J. of Physics, 2 páginas 55-7.
 
[7] Primera carta a Bentley.
 
[8] Gravitation, pág. 1206.

[9] Laws of the Game (Nueva York: 1981), trad. por R. and R. Kimber.
 
[10] Davies, "The Anthropic Principle," pág. 15.
 
[11] The Creation, páginas 10-12.
 
[12] Uspekhi, pág. 296.
 
[13] D. Goldsmith y T. Owen, The Search for Life in the Universe (Menlo Park: 1980), páginas 220-1.
 
[14] Ibid., páginas 221-2.

[15] Izvest. Akad. Nauk Estonskoi SSR Fiz. Matemat. 31 (1982) páginas 284-9.
 
[16] Varios autores hablan de esto en Los Alamos Science 11 (1984), y Phil. Trans. Roy. Soc. London A 310 (1983); véase especialmente C.H. Llewellyn Smith en las páginas 253-9. Véase también G. 't Hooft, Scientific American 242 No. 6 (1980), páginas 104-38; S. Weinberg, Physica Scripta 21 (1980), páginas 773-781; W. Willis, New Scientist 100 (1983), páginas 9-12; M.J.G. Veltman, Scientific American 255 (1986), páginas 76-84.
 
[17] The First Three Minutes,  pág. 140.

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