'Vivimos en un universo que es perfecto para nosotros': un estudio propone una prueba para el Principio Antrópico

El Principio Antrópico, que afirma que el universo en el que vivimos está adaptado para albergar vida, fue propuesto por primera vez por Brandon Carter en 1973. Desde entonces, ha suscitado un importante debate.

Ahora, un artículo publicado en el Revista de cosmología y física de astropartículasescrito por Nemanja Kaloper, física del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California, Davis, y Alexander Westphal, profesor del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), describe por primera vez una forma de probar experimentalmente esto suposición.

El principio antrópico (PA) se puede formular de diferentes maneras. Estos van desde una simple descripción de los hechos (“si lo estamos observando aquí, el universo evolucionó con las condiciones necesarias para el surgimiento de vida inteligente”, conocida como AP débil) hasta algo un poco más radical: “el universo tenía evolucionar de una manera que condujo a nuestra existencia».

Esta interpretación más fuerte, llamada AP fuerte, a menudo se aventura en territorio metafísico, sugiriendo una especie de «diseño» y yendo más allá del ámbito de la investigación científica en el universo.

El problema con la AP, según muchos científicos, es que no es particularmente útil como herramienta científica porque no genera predicciones comprobables y cuantificables que puedan ampliar nuestro conocimiento y someter el principio a escrutinio. Sin esto, sigue siendo más una conjetura filosófica que una hipótesis científica.

Sin embargo, la AP sugiere que para que nuestro universo se desarrolle como un lugar hospitalario para la vida basada en el carbono, debe haber comenzado con un conjunto de condiciones iniciales bastante específicas. Esto lo inferimos observando, por ejemplo, los valores de ciertas constantes utilizadas en las ecuaciones que describen el universo (como la constante gravitacional, la carga del electrón y la constante de Planck), que deben ser «perfectas». De lo contrario, tendríamos un universo muy diferente y, lo más importante, inhóspito.

Al establecer las condiciones iniciales precisas implícitas en la AP y calcular, basándose en los modelos físicos actuales, cómo habría evolucionado el universo hasta su estado actual, podríamos comparar el resultado con las observaciones astronómicas reales. Cualquier discrepancia entre la teoría y la realidad proporcionaría una medida de la validez del AP.

El nuevo trabajo de Nemanja Kaloper y Alexander Westphal ofrece algunas predicciones específicas que podrían encontrar confirmación observacional en los próximos años.

Para comprender su propuesta es necesario esbozar algunos elementos clave en la investigación cosmológica:

inflación cósmica

En los primeros momentos de su existencia, el universo experimentó un período de rápida expansión: en sólo 10^-36 segundos, creció desde un tamaño infinitesimal (casi cero) a una escala macroscópica (algunas teorías lo describen como el tamaño de una uva o un balón de fútbol). Después de esto, la expansión se desaceleró y continuó a tasas similares a las que observamos hoy.

La física durante esta fase inicial fue muy inusual, dominada por fenómenos cuánticos (que gobiernan lo infinitamente pequeño) que influyeron en la evolución posterior, permitiendo la formación de estructuras (galaxias, estrellas, etc.) que vemos hoy. Aunque todavía no se ha encontrado evidencia directa de la inflación cósmica, se trata de una teoría sólida con confirmaciones observacionales previstas en los próximos años.

materia oscura

Probablemente hayas oído hablar de ello: las observaciones experimentales nos dicen que una porción significativa del universo (alrededor de cinco sextos de su materia) está compuesta de algo que no podemos observar directamente. La llamamos materia oscura, pero se desconoce su verdadera naturaleza. Se han propuesto muchas hipótesis, todas ellas a la espera de confirmación experimental, que se espera en un futuro próximo.

Axiones

Uno de los candidatos a la materia oscura es el axión. Estas partículas (o, más probablemente, toda una clase de partículas) son extremadamente ligeras (mucho más ligeras que el electrón, por ejemplo). Los axiones se propusieron inicialmente para explicar un fenómeno cuántico conocido como violación de la simetría CP, que implica la interacción nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales (las otras son la gravedad, el electromagnetismo y la interacción nuclear fuerte).

Sin embargo, los investigadores notaron que ciertas características de los axiones, que se cree que se formaron en gran abundancia durante la inflación cósmica, se alinean con las esperadas para la materia oscura, como sus interacciones mínimas tanto con ellos mismos como con la materia ordinaria. Las observaciones de los agujeros negros podrían confirmar su existencia en los próximos años.

Probar el AP implica combinar estos tres elementos.

«Es posible que el satélite LiteBIRD descubra ondas de gravedad primordiales cercanas a los límites actuales, que corresponden a la inflación a gran escala», explica Kaloper. «La mayoría de los cosmólogos sentirían que esto confirma la inflación a gran escala». LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) es un experimento que la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) planea lanzar en 2032.

«También es posible que descubramos signos de axiones ultraligeros al examinar los agujeros negros supermasivos en el universo. Los axiones afectan la relación entre espín y masa de los agujeros negros, y esto se pudo observar», continúa Kaloper. Muchos experimentos ya están estudiando los agujeros negros, y más comenzarán a funcionar en un futuro próximo.

«Finalmente», añade Kaloper, «es posible que futuras búsquedas directas de materia oscura descubran que la materia oscura no está formada predominantemente por axiones ultraligeros. En cuyo caso, pensaríamos que el principio antrópico falla».

Sin embargo, este resultado no está garantizado.

«Por otro lado, si las búsquedas directas de materia oscura descubren que la materia oscura es, de hecho, un axión ultraligero», continúa Kaloper, «entonces creo que estaríamos de acuerdo en que el principio antrópico pasó esta prueba; de hecho, esto podría suceder». «.

«Me parece especialmente interesante que ambas opciones puedan probarse experimentalmente en un futuro no muy lejano», concluye Kaloper.

«Y que, hasta donde mi colaborador y yo sabemos, nuestro ejemplo específico es el primer caso en el que el principio antrópico podría en realidad no pasar la prueba, en lugar de simplemente declarar que no se aplica.

«La cuestión es que la presencia de inflación a gran escala y axiones ultraligeros con masas m > 10^-19 eV implicaría que la materia oscura «debe» ser un axión: para las condiciones iniciales típicas, terminaríamos con demasiada materia oscura y necesitaríamos desesperadamente el principio antrópico para limitarla.

«Para descubrir que el axión no es materia oscura, inferiríamos que las condiciones iniciales no sólo eran improbables (lo que puede solucionarse antrópicamente) sino extremadamente improbables, lo que en realidad ni siquiera cae dentro del dominio del razonamiento antrópico».

Por lo tanto, tendremos que esperar unos años más, tal vez incluso más, para reunir toda la evidencia necesaria para falsificar o confirmar el principio antrópico. ¿Pero qué pasa si resulta incapaz de pasar la prueba?

«Sin cambiar ninguna de las otras premisas (universalidad de la gravedad, inflación temprana y fenómenos superradiantes), el fracaso de nuestra formulación simple de los antrópicos sugeriría que reglas diferentes gobiernan las condiciones iniciales», explica Kaloper.

«O las diferentes condiciones iniciales no son igualmente probables, algunas de ellas sesgadas por nuevas dinámicas aún no comprendidas, o que algunas condiciones iniciales son completamente imposibles. Alternativamente, la verdadera teoría de la cosmología podría ser más complicada de lo que pensábamos».

«También se podrían imaginar escenarios más dramáticos, pero al menos por ahora me parecen pura fantasía», concluye Kaloper.