AJUSTE FINO
Ninguna otra generación ha sido
testigo de tantos descubrimientos acerca del Universo. Ninguna otra generación
ha presenciado la medición del Cosmos. Para las generaciones anteriores, el
Universo permanecía como un misterio profundo. Pero nosotros estamos vivos para
poder ver varios de sus misterios resueltos. No sólo podemos medir ciertos
aspectos del Universo, sino que en estas mediciones estamos descubriendo
algunas de sus características principales. La Astronomía nos ha provisto de
nuevas herramientas para sondear la personalidad del Cosmos.
Es asombroso que el Universo provea los bloques constructivos
correctos y los procesos naturales correctos para la vida.
Para que la vida sea posible, más
de cuarenta elementos diferentes deben tener la capacidad de unirse para formar
moléculas. La unión molecular depende de dos factores: la magnitud de la fuerza
de electromagnetismo y la relación de la masa del electrón a la masa del
protón. Si la fuerza electromagnética fuera significativamente mayor, los
átomos atraerían a los electrones tan fuertemente que no sería posible
compartir ningún electrón con otros átomos. Pero si la fuerza electromagnética
fuera significativamente menor, los átomos no retendrían ningún electrón y, nuevamente,
no ocurriría la compartición de electrones entre átomos que permite que existan
las moléculas. Si han de existir más de sólo unos pocos tipos de moléculas, la
fuerza electromagnética debe estar ajustada aún con más precisión. El tamaño y
la estabilidad de las órbitas de los electrones alrededor de los núcleos de los
átomos dependen de la relación de la masa del electrón con la masa del protón.
A menos que esta relación esté ajustada estrictamente, las uniones químicas
esenciales para la química de la vida nunca podrían tener lugar.
Las moléculas de la vida no
pueden construirse a menos que estén disponibles cantidades suficientes de los
elementos esenciales para la vida. Esto significa que deben poder formarse
átomos de distintos tamaños. Para que esto ocurra, debe existir un estricto
equilibrio para cada una de las constantes de la Física que gobiernan la fuerza
nuclear fuerte y débil, la gravedad, y también para los estados de energía de
base del núcleo (niveles de energía cuánticos que son importantes para la
formación de elementos a partir de protones y neutrones) para varios elementos
clave. En el caso de la fuerza nuclear fuerte (la fuerza que gobierna el grado
en que los protones y neutrones se unen entre sí en los núcleos atómicos) el
equilibrio es fácil de ver. Si esta fuerza fuera demasiado débil, los protones
y los neutrones no se mantendrían unidos. En ese caso, existiría un solo
elemento en el Universo, hidrógeno, porque el átomo de hidrógeno tiene sólo un
protón y ningún neutrón en su núcleo. Por otro lado, si la fuerza nuclear
fuerte fuera de una intensidad ligeramente mayor que la que observamos en el
Cosmos, los protones y los neutrones tendrían tal afinidad los unos por los
otros que ninguno quedaría solo. Todos se encontrarían unidos a muchos otros
protones y neutrones. En tal Universo no habría nada de hidrógeno, sino sólo
elementos pesados. La química de la vida es imposible sin hidrógeno, pero
también es imposible si el hidrógeno es el único elemento.
Si la fuerza nuclear fuerte fuera
tan sólo un 2% más débil o un 0,3% más fuerte de lo que es en la actualidad, la
vida sería imposible en cualquier tiempo y lugar dentro del Universo. Estamos
considerando solamente la vida como la conocemos? No,
estamos hablando de cualquier tipo de química de la vida concebible en toda la
extensión del cosmos. Esta condición debe ser cumplida universalmente. En el
caso de la fuerza nuclear débil (la fuerza que gobierna, entre otras cosas, la
velocidad de la descomposición radioactiva), si fuera mucho más fuerte de la
que observamos, la materia en el Universo sería convertida rápidamente en
elementos pesados. Pero si fuera mucho más débil, la materia en el Universo
permanecería en la forma de los elementos más livianos exclusivamente. De una u
otra forma, los elementos esenciales para la química de la vida (como el
carbono, el oxígeno, el nitrógeno o el fósforo) no existirían o existirían en
cantidades muy por debajo de las que se requieren para que se puedan formar
todas las sustancias químicas esenciales para la vida. Más aún, a menos que la
fuerza nuclear débil estuviera ajustada con enorme precisión, aquellos
elementos esenciales para la vida que son producidos sólo en el núcleo de las
estrellas supergigantes nunca escaparían de las fronteras de esos núcleos (las
explosiones de supernovas se volverían imposibles).
El valor de la fuerza de la
gravedad determina cómo arderán los hornos nucleares en los núcleos de las
estrellas. Si la fuerza gravitatoria fuera mayor, las estrellas serían tan
calientes que se consumirían en forma relativamente rápida; demasiado
rápidamente y demasiado erráticamente para la vida. Además, un planeta capaz de
sustentar vida debe ser apoyado por una estrella que sea estable y de
combustión prolongada a la vez. Sin embargo, si la
fuerza gravitatoria fuera menor, las estrellas nunca se volverían lo
suficientemente calientes como para poner en marcha la fusión nuclear. En tal
Universo no se produciría ningún elemento más pesado que el hidrógeno y el helio.A fines de la década de 1970 y a principios de la
década de 1980, Fred Hoyle descubrió que era necesario un ajuste increíblemente
fino de los estados de energías de base del núcleo para el helio, el berilio,
el carbono y el oxígeno para que exista cualquier tipo de vida. Los estados de
energía de base para estos elementos no pueden ser mayores o menores respecto
de cada uno de ellos en más de un 4% sin producir un Universo con cantidades
insuficientes de oxígeno y carbono para la vida. Hoyle concluyó, basándose en
este cuádruple ajuste fino, que "un superintelecto ha estado ‘jugando’ con
la Física, además de la Química y la Biología."
En los primeros instantes de la
creación, el universo contenía alrededor de diez mil millones y un nucleones
por cada diez mil millones de antinucleones. Los diez mil millones de
antinucleones aniquilaron los diez mil millones de nucleones, generando una
cantidad enorme de energía. Todas las galaxias y estrellas que constituyen el
Universo de hoy fueron formadas a partir de los nucleones que sobraron. Si el
exceso inicial de nucleones sobre los antinucleones hubiera sido algo menor, no
habría habido suficiente materia para que se formen las galaxias, las estrellas
y los elementos pesados. Si el exceso hubiera sido algo mayor, las galaxias se
hubieran formado, pero se habrían condensado y habrían atrapado la radiación
tan eficientemente que ninguna de ellas se habría fragmentado para formar las
estrellas y los planetas.
El neutrón es un 0,138% más
masivo que el protón. Debido a esta masa adicional, los neutrones requieren
apenas algo más de energía para formarse que los protones. Así que, al
enfriarse el Universo tras del Big Bang, produjo más protones que neutrones,
unas siete veces más.Si el neutrón fuera sólo un 0,1%
más masivo, quedarían tan pocos neutrones del enfriamiento del Big Bang que no
habría suficiente cantidad como para formar los núcleos de todos los elementos
pesados esenciales para la vida. Esta masa adicional del neutrón respecto del
protón también determina la velocidad a la que los neutrones se descomponen en
protones y los protones en neutrones. Si el neutrón fuera un 0,1% menos masivo,
se acumularían tantos protones para formar neutrones que todas las estrellas
del Universo se habrían colapsado rápidamente, formando estrellas de neutrones
o agujeros negros. En consecuencia, para que la vida fuera posible en el
Universo, la masa del neutrón debe tener un ajuste fino mejor que el 0,1%.
Hay otro proceso de
descomposición que involucra protones que debe tener un ajuste fino para que
exista la vida. Se cree que los protones se descomponen para formar mesones (un
tipo de partícula fundamental), aunque la velocidad de descomposición es tan
lenta que los experimentos aún no han registrado un solo evento de
descomposición (el tiempo de descomposición promedio para un único protón
supera los 4 • 1032 años). No obstante, los teóricos están
convencidos de que los protones deben descomponerse para formar mesones, y a
una velocidad bastante cercana a los límites experimentales actuales. Si los
protones se descompusieran más lentamente para formar mesones, el Universo hoy
no tendría una cantidad suficiente de nucleones para formar las galaxias,
estrellas y planetas. Esto se debe a que los factores que determinan esta
velocidad de descomposición también determinan la proporción entre nucleones y
antinucleones en el momento del Big Bang. Por lo tanto, si la velocidad de
descomposición fuera menor, la cantidad de nucleones habría sido ajustada
demasiado estrechamente por la cantidad de antinucleones, lo cual, después del
aniquilamiento, habría dejado demasiados pocos nucleones.
Sin embargo, si la velocidad de
descomposición de los protones para convertirse en mesones hubiera sido mayor,
además del problema de una proporción demasiado grande entre nucleones y antinucleones,
también habría el problema adicional desde el punto de vista de mantener la
vida. Debido a la tremenda cantidad de energía que se libera en este proceso de
descomposición específico, la velocidad de descomposición destruiría o dañaría
la vida. Por lo tanto, la velocidad de descomposición no puede ser mayor que la
actual.No sólo debe tener el Universo un ajuste fino para tener suficientes
nucleones, sino que debe existir un número exacto de electrones. A menos que la
cantidad de electrones sea equivalente a la cantidad de protones con una
precisión de una parte en 1037, las fuerzas electromagnéticas en el
Universo habrían superado las fuerzas gravitatorias de tal forma que las
galaxias, estrellas y planetas jamás se hubieran formado.
Cualquiera sea el nivel en el que
examinemos los bloques constructivos de la vida (electrones, nucleones, átomos
o moléculas), la Física del Universo debe tener un ajuste fino meticuloso. El
Universo debe estar construido exactamente para crear los electrones necesarios.
Debe ser modelado exquisitamente para producir los protones y los neutrones
requeridos. Debe ser fabricado cuidadosamente a fin de obtener los átomos
necesarios. A menos que esté diseñado hábilmente, los átomos no podrán ser
ensamblados en moléculas lo suficientemente complejas. Un equilibrio tan
preciso de todos estos factores está realmente más allá de nuestras capacidades
de comprensión. No obstante, con la medición del Universo se vuelven aparentes
hechos aún más asombrosos.
El primer parámetro del Universo
que fue medido fue la velocidad de su expansión. Al comparar esta velocidad con
la Física de formación de las galaxias y las estrellas, los astrofísicos
encontraron algo extraordinario. Si el Universo se expandiera demasiado rápido,
la materia se dispersaría tan eficientemente que nada de ella se aglomeraría
suficientemente como para formar galaxias. Si no se forma ninguna galaxia, no
se forma ninguna estrella. Si no se forma ninguna estrella, no se forma ningún
planeta. Si no se forma ningún planeta, no hay lugar para la vida. Por otro
lado, si el Universo se expandiera demasiado lentamente, la materia se
aglomeraría tan eficientemente que toda ella, de hecho todo el Universo,
colapsaría para formar una masa muy densa antes que ninguna estrella del tipo
solar se pudiera formar. Lo que es aún más asombroso es lo ajustada que debe
estar esa velocidad de expansión para que exista la vida. No puede diferir de
la velocidad real en más de una parte en 1055.
El modelo del Big Bang
inflacionario para el Universo ofrece una explicación física de por qué el
Universo está inmerso en un equilibrio tan exacto en su velocidad de expansión.
A medida que las cuatro fuerzas fundamentales de la Física (las fuerzas de
gravedad, la nuclear fuerte, la nuclear débil y la electromagnética) se
separaron una de otra durante la primera fracción de segundo después del Big
Bang, es posible tener un breve instante de hiperinflación (que dure sólo 10–34
segundos) que prácticamente garantiza que el Universo se expandirá más tarde a
la velocidad que permita que exista la vida. Por supuesto, lo que hace eso es
intercambiar un equilibrio exquisito (la velocidad de expansión del cosmos) por
otro (los valores de un conjunto de varias constantes de la Física).
Además de requerir un ajuste fino
de las fuerzas y de las constantes de la Física, la existencia de la vida exige
aún más. Exige que las partículas fundamentales, la energía y las dimensiones
del espacio-tiempo del Universo permitan que el efecto túnel cuántico y la
Relatividad Especial operen exactamente como lo hacen. El efecto túnel cuántico
debe funcionar ni más ni menos eficientemente que lo que observamos para que la
hemoglobina transporte la cantidad correcta de oxígeno a las células de todas
las especies de vertebrados y la mayoría de las especies de invertebrados. De
la misma forma, las correcciones relativísticas, ni demasiado grandes ni
demasiado pequeñas, son esenciales para que el cobre y el vanadio cumplan sus
papeles críticos en el funcionamiento del sistema nervioso y en el desarrollo
de los huesos de todos los animales superiores.
El segundo parámetro del Universo
que fue medido fue su edad. La vida no podría ocurrir más temprano en el
Universo de lo que lo hizo sobre la Tierra. Ni tampoco podría ocurrir mucho más
tarde. A medida que el Universo envejece, las estrellas como el Sol, ubicada en
la parte correcta de la galaxia para la vida y en una fase de combustión
nuclear estable, se vuelven más y más excepcionales. Si el Universo fuera sólo
unos pocos miles de millones de años más antiguo, tales estrellas ya no
existirían.
Un tercer parámetro es la
entropía, la degradación de la energía. El Universo posee una cantidad extrema
de entropía específica. Este alto nivel de entropía es esencial para la vida.
Sin este nivel, los sistemas tan pequeños como las estrellas y los planetas
nunca se formarían. Pero si bien la entropía del Universo es extremadamente
alta, no podría ser mayor. Si fuera mayor, los sistemas tan grandes como las
galaxias nunca se formarían. Las estrellas y los planetas no pueden formarse
sin las galaxias.
Un cuarto parámetro es la
relación entre la constante de la fuerza electromagnética y la constante de la
fuerza gravitatoria. Si la fuerza electromagnética relativa a la fuerza de
gravedad fuera incrementada en sólo una parte en 1040, sólo se formarían estrellas pequeñas. Y si fuera disminuida en sólo
una parte en 1040, sólo se formarían estrellas grandes. Pero para
que la vida sea posible en el Universo deben existir tanto las estrellas
grandes como las pequeñas. Las estrellas grandes deben existir porque sólo en
sus hornos termonucleares se producen la mayoría de los elementos esenciales
para la vida. Las estrellas pequeñas, como el Sol, deben existir porque sólo
las estrellas pequeñas arden durante el tiempo suficiente y en la forma
suficientemente estable como para sostener un planeta con vida.
A finales de la década de 1980 y
a principios de la década de 1990, otras características fueron medidas con
éxito. Cada una de ellas también indicaron un ajuste
fino cuidadoso para soportar la vida. Actualmente los investigadores han
descubierto veintiséis características que deben tomar valores definidos muy
estrechamente para que exista la vida de cualquier tipo. La lista de las
características de ajuste fino para el Universo sigue creciendo. Cuanto más
precisa y extensamente los astrónomos miden el Universo, más ajuste fino
descubren en él. Por ejemplo, tal vez la mejor máquina construida jamás por el
hombre sea un flamante detector de ondas de gravedad diseñado por físicos del
California Institute of Technology para hacer mediciones con una precisión de
una parte en 1023. En comparación, tres diferentes características
del Universo deben tener un ajuste fino mejor que una parte en 1037
para que exista vida de cualquier tipo.
Estos son los parámetros del
Universo que tienen que tener valores que caen dentro de rangos definidos
estrechamente para que exista vida de cualquier tipo.
1.
constante de la fuerza nuclear fuerte
si fuese mayor: no se formaría hidrógeno; los núcleos atómicos para la
mayoría de los elementos esenciales para la vida serían inestables
si menor: no habría elementos fuera del hidrógeno
2.
constante de la fuerza nuclear débil
si mayor: demasiado hidrógeno se convertiría en helio en el Big Bang;
por lo tanto, se haría demasiado material de elementos pesados por la
combustión de las estrellas; no habría expulsión de elementos pesados de las
estrellas
si menor: demasiado poco helio sería producido por el Big Bang; por lo tanto,
se haría demasiado poco material de elementos pesados por la combustión de las
estrellas; no habría expulsión de elementos pesados de las estrellas
3.
constante de la fuerza gravitatoria
si mayor: las estrellas serían demasiado calientes y se consumirían
demasiado rápido e irregularmente
si menor: las estrellas serían demasiado frías como para encender la
fusión nuclear; por lo tanto, ninguna producción de elementos pesados
4.
constante de la fuerza electromagnética
si mayor: insuficientes uniones químicas; los elementos más pesados que
el boro serían demasiado inestables para la fisión
si menor: insuficientes uniones químicas
5.
relación entre la constante de la fuerza
electromagnética y la constante de la fuerza gravitatoria
si mayor: no habría estrellas menores; por lo tanto, duraciones de vida
estelares breves
si menor: no habría estrellas mayores que 0,8 masas solares; por lo
tanto, no habría producción de elementos pesados
6.
relación entre la masa del electrón y la masa
del protón
si mayor: insuficientes uniones químicas
si menor: insuficientes uniones químicas
7.
relación entre la cantidad de protones y la
cantidad de electrones
si mayor: el electromagnetismo predominaría sobre la gravedad,
impidiendo la formación de galaxias, estrellas y planetas
si menor: el electromagnetismo predominaría sobre la gravedad,
impidiendo la formación de galaxias, estrellas y planetas
8.
velocidad de expansión del Universo
si mayor: no se formarían las galaxias
si menor: el Universo se colapsaría antes que se formaran las estrellas
9.
nivel de entropía del Universo
si menor: no se formarían las proto-galaxias
si mayor: no habría condensación de estrellas dentro de las
proto-galaxias
10.
densidad de masa del Universo
si mayor: demasiado deuterio a partir del Big Bang; por lo tanto, las
estrellas se consumirían demasiado rápido
si menor: una cantidad insuficiente de helio a partir del Big Bang; por
lo tanto, se formarían demasiados pocos elementos pesados
11.
velocidad de la luz
si mayor: las estrellas serían demasiado luminosas
si menor: las estrellas no serían lo suficientemente luminosas
12.
edad del Universo
si mayor: no habría estrellas del tipo del Sol en una fase de combustión
estable en la parte correcta de la galaxia
si menor: las estrellas del tipo del Sol en una fase de combustión
estable todavía no se habrían formado
13.
uniformidad inicial de la radiación
si más uniforme: las estrellas, los racimos de estrellas y las galaxias
no se habrían formado
si menos uniforme: en el Universo actual solo habría agujeros negros y
espacio vacío
14.
constante de estructura fina (un número que
describe la separación de estructura fina de las líneas espectrales)
si mayor: el ADN no podría funcionar; no habría estrellas mayores que
0,7 masas solares
si menor: el ADN no podría funcionar; no habría estrellas menores que
1,8 masas solares
15.
distancia media entre galaxias
si mayor: se infundiría una cantidad insuficiente de gas en nuestra
galaxia como para sustentar la formación de estrellas a lo largo de un tiempo
adecuado.
si menor: la órbita del Sol se perturbaría demasiado radicalmente
16.
distancia media entre estrellas
si mayor: la densidad de elementos pesados sería demasiado escasa como
para que se formen planetas rocosos
si menor: las órbitas planetarias serían demasiado inestables
17.
velocidad de descomposición del protón
si mayor: la vida sería exterminada por la liberación de radiación
si menor: el Universo contendría una cantidad insuficiente de materia
para la vida
18.
relación entre los niveles de energía nuclear de
carbono12 (C12) y oxígeno16 (O16)
si mayor: insuficiente cantidad de oxígeno
si menor: insuficiente cantidad de carbono
19.
nivel de energía de base del helio4
(He4)
si mayor: insuficiente cantidad de carbono y oxígeno
si menor: insuficiente cantidad de carbono y oxígeno
20.
velocidad de descomposición del berilio8
(Be8)
si más lenta: la fusión de elementos pesados generaría explosiones
catastróficas en todas las estrellas
si más rápida: no se producirían ningún elemento más pesado que el
berilio; por lo tanto, no sería posible la química de la vida
21.
exceso de la masa del neutrón sobre la masa del
protón
si mayor: la descomposición de neutrones arrojaría demasiados pocos
neutrones como para la formación de los elementos pesados esenciales para la
vida
si menor: la descomposición de neutrones haría que todas las estrellas
colapsen rápidamente para convertirse en estrellas de neutrones o agujeros
negros.
22.
exceso inicial de nucleones sobre antinucleones
si mayor: demasiada radiación para la formación de planetas
si menor: insuficiente materia para la formación de galaxias o estrellas
23.
polaridad de la molécula de agua
si mayor: el calor de la fusión y de la vaporización sería demasiado
grande para que exista la vida
si menor: el calor de la fusión y de la vaporización sería demasiado pequeño
para la existencia de la vida; el agua líquida se volvería un disolvente muy
pobre para que funcione la química de la vida; el hielo no flotaría, lo cual
conduciría a un congelamiento descontrolado
24.
supernovas
si demasiado cercanas: la radiación exterminaría la vida sobre el
planeta
si demasiado lejanas: demasiado pocas cenizas de elementos pesados para
la formación de planetas rocosos
si demasiado frecuentes: la vida en el planeta se exterminaría
si demasiado infrecuentes: demasiado pocas cenizas de elementos pesados
para la formación de planetas rocosos
si demasiado tardías: la vida en el planeta sería exterminada por la
radiación
si demasiado tempranas: demasiado pocas cenizas de elementos pesados
para la formación de planetas rocosos
25.
binarias enanas blancas
si demasiado pocas: demasiado poco flúor para que funcione la química de
la vida
si demasiadas: alteración de las órbitas planetarias por la densidad
estelar; la vida en el planeta sería exterminada
si demasiado tempranas: insuficiente cantidad de elementos pesados para
la producción eficiente de flúor
si demasiado tardías: el flúor es demasiado tardío para la incorporación
al proto-planeta
26.
relación entre la materia exótica y la materia
ordinaria
si menor: no se formarían las galaxias
si mayor: el Universo colapsaría antes que se pudieran formar estrellas
del tipo del sol
La densidad de masa del Universo,
con toda su enormidad, parece estar centrada en las necesidades de los humanos.
¿Cómo? La densidad de masa determina cuán eficientemente opera la fusión
nuclear en el Cosmos. La densidad de masa que medimos se traduce en unos cien
mil trillones de estrellas para el Universo observable. Si la densidad de masa
fuera demasiado grande se formaría demasiado deuterio (un isótopo de hidrógeno
con un protón y un neutrón en el núcleo) en los primeros minutos de la
existencia del Universo. Este deuterio adicional haría que las estrellas ardan
en forma demasiado rápida y errática como para que alguna de ellas pudiera
soportar un planeta con vida. Por otro lado, si la densidad de masa fuera
demasiado pequeña, se formaría tan poco deuterio y helio en los primeros
minutos que los elementos más pesados necesarios para la vida nunca se
formarían en las estrellas. Esto significa que las
aproximadamente cien mil trillones de estrellas que observamos en el Universo,
ni más ni menos, son necesarias para que sea posible esa maravilla que nos
rodea y que tal vez no sepamos apreciar: LA VIDA
© 2000 Javier de Lucas