Físicos creen posible validar el principio antrópico en cosmología

Físicos describen por primera vez una forma de comprobar experimentalmente que cualquier teoría válida sobre el universo tiene que ser consistente con la existencia del ser humano.

Esta suposición es la base del principio antrópico, propuesto por primera vez por Brandon Carter en 1973, y que ha suscitado un importante debate desde entonces.

El principio antrópico (PA) puede formularse de diferentes maneras. Estas 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"- (llamada PA debíl), hasta algo un poco más radical: "el universo tuvo que evolucionar de una manera que condujo a nuestra existencia".

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

El problema con el PA, 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.

El PA, sin embargo, sugiere que para que nuestro universo se desarrollara 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 que implica el PA y calcular, con base 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 principio antrópico.

Ahora, un artículo publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, escrito por Nemanja Kaloper, física de la Universidad de California en Davis, y Alexander Westphal, profesor del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), ofrece predicciones específicas que podrían encontrar confirmación observacional en los próximos años, informa Eureka Alert.

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

En los primeros momentos de su existencia, el universo atravesó un período de rápida expansión: en apenas 10 elevado a 36 segundos, pasó de un tamaño infinitesimal (casi cero) a una escala macroscópica (algunas teorías lo describen como del tamaño de una uva o de un balón de fútbol). Después de esto, la expansión se ralentizó, continuando a tasas similares a las que observamos hoy.

La física durante esta fase temprana 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 han encontrado pruebas directas de la inflación cósmica, es una teoría sólida con confirmaciones observacionales previstas en los próximos años.

Las observaciones experimentales nos dicen que una parte significativa del universo (alrededor de cinco sextos de su materia) está compuesta de algo que no podemos observar directamente. Lo llamamos materia oscura, pero su verdadera naturaleza sigue siendo desconocida. Se han propuesto muchas hipótesis, todas a la espera de confirmación experimental, que se espera en un futuro próximo.

Uno de los candidatos a 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 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- coinciden con las esperadas para la materia oscura, como sus interacciones mínimas tanto consigo mismos como con la materia ordinaria. Las observaciones de agujeros negros podrían confirmar su existencia en los próximos años. Probar el principio antrópico implica combinar estos tres elementos.

"Es posible que el satélite LiteBIRD descubra ondas de gravedad primordiales cercanas a los límites actuales, que coinciden con la inflación a gran escala", explica Kaloper. "La mayoría de los cosmólogos creerían que esto confirma la inflación a gran escala". LiteBIRD es un experimento que la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) planea lanzar en 2032.

"También es posible que descubramos señales de axiones ultraligeros al estudiar los agujeros negros supermasivos del universo. Los axiones afectan la relación espín-masa de los agujeros negros, y esto podría observarse", continúa Kaloper. Muchos experimentos ya están estudiando los agujeros negros, y se espera que más comiencen a operar en el futuro cercano.

"Finalmente", agrega Kaloper, "es posible que futuras búsquedas directas de materia oscura descubran que la materia oscura no está compuesta predominantemente de axiones ultraligeros. En cuyo caso, pensaríamos que el principio antrópico falla". Sin embargo, este resultado no está garantizado.

"Por otra parte, 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 de hecho pasó esta prueba; de hecho, esto podría suceder".

"Me parece particularmente 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 realmente fallar la prueba, en lugar de simplemente declarar que no se aplica".

"El punto es que la presencia de inflación a gran escala y axiones ultraligeros con masas m > 10 elevado a 19 eV implicaría que la materia oscura 'debe' ser un axión: para condiciones iniciales típicas, terminaríamos con demasiada materia oscura, y necesitariamos el principio antrópico para restringirlo.

"Para descubrir que el axión no es materia oscura, inferiríamos que las condiciones iniciales no sólo eran improbables (lo que se puede fijar 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 todas las pruebas necesarias para refutar 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 la antrópica sugeriría que diferentes reglas gobiernan las condiciones iniciales", explica.

"O bien las diferentes condiciones iniciales no son igualmente probables, algunas están sesgadas por nuevas dinámicas aún no entendidas, o bien algunas condiciones iniciales son completamente imposibles. Alternativamente, la teoría real de la cosmología podría ser más complicada de lo que pensábamos".