En física, la noción de ajuste fino  se refiere a la situación en la que un cierto número de parámetros deben tener un valor muy preciso para poder explicar tal o cual fenómeno observado.

En cosmología, el ajuste fino del universo o universo [bien]afinado es la proposición de que las condiciones que permiten la vida en el universo solo pueden ocurrir cuando ciertas constantes fundamentales se encuentran en un rango muy estrecho de valores, de modo que si alguna de esas constantes fuera ligeramente diferente, el universo probablemente no sería propicio para el establecimiento y desarrollo de la materia, de las estructuras astronómicas, de la diversidad elemental o de la vida, tal como se entiende.¹​²​³​⁴​ Por ejemplo, la vida no puede desarrollarse si la constante cosmológica o la energía oscura tuvieran valores demasiado altos, ya que así evitarían el mecanismo de la inestabilidad gravitacional y, en consecuencia, la formación de grandes estructuras. La pequeñez del valor observado de la energía oscura, en comparación con el valor que parece más natural (correspondiente a la densidad de Planck, sea 10¹²² veces mayor que el valor observado) es un ejemplo de ajuste fino.

Es posible que el recurso a la noción de ajuste fino refleje la dificultad de la ciencia para integrar a la vez la escala de Planck y la escala cósmica. De hecho, sesenta órdenes de magnitud temporales separan el tiempo de Planck, de 10^-43 s, y la edad del Universo, de aproximadamente 10¹⁷ s, y los modelos teóricos generalmente aceptados al comienzo del siglo XXI son incapaces de incluir tal rango de magnitudes en un esquema unificado.⁵​ Las propuestas como la del Multiverso resuelven el problema suponiendo que todas las elecciones se “prueban” en diferentes universos. Sin embargo, este ajuste fino puede ser una ilusión: se desconoce el verdadero número final de las constantes físicas independientes; podría reducirse o incluso limitarse a un solo valor. Y tampoco se conocen las leyes de la “fábrica de universos potenciales”, es decir, el intervalo y la ley de distribución en que sería necesario “elegir” cada constante (de las cuales, además, nuestra elección de unidad y de las combinaciones son arbitrarias).

La noción de ajuste fino del universo, a menudo utilizada para demostrar el principio antrópico fuerte, es una de las puntas de lanza de los defensores de la tesis espiritualista del diseño inteligente. Se discuten varias explicaciones posibles del ostensible ajuste fino entre filósofos, científicos, teólogos y proponentes y detractores del creacionismo. La observación de un universo finamente ajustado está estrechamente relacionada con, pero no es exactamente sinónimo del principio antrópico, que a menudo se usa como una explicación de la aparente afinación.

Historia

En 1913, el químico Lawrence Joseph Henderson (1878-1942) escribió The Fitness of the Environment, uno de los primeros libros que en que se exploraron los conceptos de afinación fina en el universo. Henderson discutía en él la importancia del agua y del medio ambiente con respecto a los seres vivos, señalando que la vida depende completamente de las condiciones ambientales muy específicas sobre la Tierra, especialmente con respecto a la prevalencia y las propiedades del agua.​

En 1961, el físico Robert H. Dicke afirmó que ciertas fuerzas en física, como la gravedad y el electromagnetismo, debían estar perfectamente afinadas para que la vida exista en cualquier parte del universo.⁷​⁸​ Fred Hoyle también abogó por un universo afinado en su libro de 1984 Intelligent Universe [Universo inteligente]. Compara «la posibilidad de obtener incluso una única proteína funcional mediante la combinación casual de aminoácidos con un sistema estelar lleno de hombres ciegos que resuelven el cubo de Rubik simultáneamente».​

John Gribbin y Martin Rees escribieron una historia detallada y la defensa del argumento del ajuste fino en su libroCosmic Coincidences (1989). Según Gribbin y Rees, «las condiciones en nuestro Universo realmente parecen ser especialmente adecuadas para las formas de vida como nosotros, y quizás incluso para cualquier forma de complejidad orgánica. Pero la pregunta sigue siendo: ¿está el Universo hecho a medida para el hombre?».​

Premisa

La premisa de la afirmación de un universo ajustado es que un pequeño cambio en varias de las constantes físicas adimensionales haría que el universo fuese radicalmente diferente. Como ha señalado Stephen Hawking, «Las leyes de la ciencia, tal como las conocemos en la actualidad, contienen muchos números fundamentales, como el tamaño de la carga eléctrica del electrón y la proporción de las masas del protón y del electrón… El hecho notable es que los valores de estos números parecen haber sido ajustados muy finamente para hacer posible el desarrollo de la vida».​

Si, por ejemplo, la fuerza nuclear fuerte fuera un 2% más fuerte de lo que es (es decir, si la constante de acoplamiento que representa su fuerza fuera un 2% mayor), mientras que las otras constantes se mantuvieron sin cambios, los diprotones serían estables; según el físico Paul Davies, el hidrógeno se fundiría en ellos en lugar de deuterio y helio.​ Esto alteraría drásticamente la física de las estrellas en Desam, y presumiblemente descartaría la existencia de vida similar a la que se observa en la Tierra. La existencia del diprotón causaría un cortocircuito en la lenta fusión del hidrógeno en deuterio. El hidrógeno se fundiría tan fácilmente que es probable que todo el hidrógeno del universo se consumiese en los primeros minutos después del Big Bang.¹⁰​ Este «argumento del diprotón» es discutido por otros físicos, que calculan que siempre que el aumento de la fuerza fuese inferior al 50%, la fusión estelar podría ocurrir a pesar de la existencia de di-protones estables.​

La formulación precisa de la idea se ve dificultada por el hecho de que los físicos aún no saben cuántas constantes físicas independientes existen. El actual modelo estándar de la física de partículas tiene 25 parámetros ajustables libremente y la relatividad general tiene un parámetro adicional, la constante cosmológica, que se sabe que no es cero, pero que tiene un valor profundamente pequeño. Sin embargo, debido a que el modelo estándar no es matemáticamente auto-consistente bajo ciertas condiciones (por ejemplo, a energías muy altas, en las que son relevantes tanto la mecánica cuántica como la relatividad general), los físicos creen que debe estar respaldado por alguna otra teoría, como una teoría de la gran unificación, la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles. En algunas teorías candidatas, la cantidad real de constantes físicas independientes puede ser tan pequeña como una. Por ejemplo, la constante cosmológica puede ser una constante fundamental, pero también se han hecho intentos para calcularla a partir de otras constantes, y según el autor de uno de esos cálculos, «el pequeño valor de la constante cosmológica nos está diciendo que existe una relación totalmente inesperada entre todos los parámetros del Modelo Estándar de la física de partículas, la constante cosmológica desnuda y la física desconocida».​

Ejemplos de ajuste fino

El ajuste de las constantes del universo

Las características del universo en el que nosotros evolucionamos dependen de una quincena de constantes físicas, que en la actual ausencia de un principio unificador, se consideran independientes entre sí. La aparición de supercomputadoras permitió que los astrofísicos modelaran el desarrollo del universo y luego modificaran esas constantes, una por una, o al mismo tiempo, para simular nuevos universos («universo juguete»). El número de universos juguete así obtenidos es casi infinito. Algunas de esas simulaciones han mostrado que casi todos los universos juguete que resultan son estériles. Según esas simulaciones, solo un ajuste hiperfino de las constantes fundamentales permite la aparición del universo estable y viable en el que estamos. Los defensores del principio antrópico se niegan a ver ahí una simple «casualidad feliz», que sería creíble si se tratara solo del ajuste de una única constante, pero imposible en las 15 constantes independientes.​

Otras simulaciones, como el programa MonkeyGod de Victor J. Stenger tienen resultados diferentes: sobre 10 000 universos simulados al variar aleatoriamente y simultáneamente varios parámetros físicos, sobre 10 órdenes de magnitud, este programa obtiene el 61% de universos en los que la duración de las estrellas y su composición permiten la aparición de la vida. Según Stenger, estos resultados diferentes se deben al hecho de que las simulaciones que conducen a la conclusión de un ajuste fino varían cada parámetro uno a uno dejando fijos los otros, una variación que la fijeza de los otros parámetros físicos no puede compensar para generar un universo viable.​

Algunos ejemplos de constantes del universo que conducen a interrogantes sobre su ajuste fino se analizan a continuación.

Densidad del universo y velocidad de expansión

Barrow y Tipler han demostrado que la expansión del universo no es ni demasiado rápida ni demasiado lenta. En un universo menos denso, la expansión habría prevalecido sobre la gravitación y ninguna estructura podría haberse formado (ni galaxias, ni estrellas, ni planetas). Un universo más denso se habría colapsado demasiado rápido como para permitir que se desarrollara la complejidad. La densidad del universo está muy cerca de la densidad crítica que propicia una expansión razonable y una vida del universo compatible con la aparición de la vida. La relación entre la densidad del universo y la densidad crítica es el parámetro de densidad, Ω, igual a 1 para la densidad crítica.

El problema es que si Ω es significativamente diferente de 1, menor o mayor, ese valor no es estable y entonces diverge. Si Ω>1, la expansión del universo se ralentizaría y se invertiría, y Ω tendería al infinito. Si Ω<1, la expansión del universo continuará hasta el infinito y Ω tenderá a 0. A medida que el valor de Ω difiere, debe haber estado, durante el Big Bang, en un rango de valor extremadamente estrecho alrededor de 1, de modo que, 13 mil millones de años más tarde, en nuestro tiempo, todavía está lo suficientemente cerca de 1.

Ese rango de valores es de 10^-60 alrededor de 1. Esa cifra es tan pequeña que Trinh Xuan Thuan calculó que corresponde a la probabilidad de que un arquero alcanzase un objetivo de 1 cm² situado en el otro extremo del universo, disparando a ciegas una única flecha desde la Tierra sin saber en qué dirección esta el objetivo.​

Según la mayoría de los científicos, este problema se resuelve con la inflación cósmica que tuvo lugar justo después del Big Bang. Ese período de inflación tiene el efecto de suavizar una curvatura espacial aleatoria del universo en el momento del Big Bang, para hacerlo casi plano. entonces una curvatura plana corresponde, por definición, a una densidad del universo igual a la densidad crítica. Así que es lógico y natural, si el modelo de inflación cósmica es correcto, que el parámetro Ω haya sido casi igual a 1 al comienzo del universo. El modelo de inflación actualmente es bien aceptado por la comunidad científica, habiendo conducido notablemente a predicciones verificadas y medidas a propósito de las fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas.​

Las masas del neutrón y del protón

La masa del neutrón es un poco más grande que la del protón: =1.29. Esto conduce a la desintegración rápida del neutrón (libre) en un protón, mientras que el protón es muy estable (su vida útil es de al menos 10³⁴ años). Si fuera al contrario (<0), sería el protón el que se desintegraría en un neutrón (que sería estable) y las reacciones de fusión se basarían en neutrones, que formarían núcleos desnudos de todas las masas. El único material del universo sería entonces el neutronio, los elementos químicos no podrían formarse (ver abajo) y la vida no podría desarrollarse.​

Además, los neutrones en el interior de un núcleo atómico no se desintegran (aparte de la radiactividad beta), asegurando la estabilidad de los núcleos atómicos. Para que este sea el caso, es necesario que la energía del enlace  sea mayor que la diferencia de masa entre un neutrón y la masa agregada de un protón y un electrón (). Esto le da otro límite, superior, a , del orden de 10 MeV.

Finalmente, otro fenómeno puede comprometer la estabilidad de los protones: si  ( siendo la masa de un neutrino), los protones se desintegrarían al reaccionar con un electrón en un neutrón y un neutrino. Esto da un límite inferior de 0,511 MeV a .

En resumen, la diferencia de masa entre un protón y un neutrón debe estar en el rango de 0.511<10.​ El valor real de 1,29 MeV está dentro de ese rango, que es bastante amplio; el valor podría ser doble o incluso el quíntuple. De acuerdo con el modelo estándar de la física de partículas (incluido el campo electrodébil de Higgs), los neutrones y protones obtienen su masa de la interacción fuerte que no hace ninguna diferencia entre esas dos partículas: como primera aproximación, según esa teoría, los neutrones y los protones tendrían una masa igual. Si se tiene en cuenta la interacción electrodébil entre estas partículas, se obtiene mediante cálculos teóricos una diferencia de masa entre 1 y 4 MeV (la masa del Quark arriba es mal conocida en este rango), compatible con el valor real. Esta diferencia de masa se puede explicar en el contexto de la física moderna, y no necesita ser ajustada a un rango de valores muy finos.​

La aparición de elementos pesados en el universo

El 98% de la materia visible está compuesto de hidrógeno y helio. Todos los demás elementos (elementos pesados: carbono, hierro, oxígeno en particular, que son los componentes de la materia orgánica del ser humano) solo representan el 2% restante. De acuerdo con la teoría del Big Bang, en ese momento solo se formaron hidrógeno y helio y todos los demás elementos se formaron en las estrellas en un periodo de varios miles de millones de años.¹⁷​ Esta observación llevó a Hubert Reeves a decir que somos «polvo de estrellas». De acuerdo con los defensores del principio antrópico, el hecho de que los organismos vivos y especialmente los humanos estén hechos de la materia más rara que existe en el universo tiende a demostrar que esa sería la finalidad del proyecto cósmico.​

En su versión mejorada, el principio antrópico débil se remonta a un artículo de Robert Dicke de 1961. En ese artículo, Dicke señaló que la aparición de la vida, o más generalmente, de cualquier estructura biológica compleja, requeriría la presencia de carbono, y que ello parecía ser el resultado de varias coincidencias favorables.

En ese momento se sabía que el carbono no podía producirse durante la nucleosíntesis primordial, en el momento del Big Bang, sino que tenía que sintetizarse dentro de las estrellas (ver nucleosíntesis estelar). Sin embargo, incluso dentro de las estrellas, el carbono es difícil de sintetizar. La razón es que los dos constituyentes presentes en cantidad en una estrella en el momento de su formación son el hidrógeno y el helio, y que no existe un núcleo atómico estable producido a partir de una colisión entre un núcleo de hidrógeno y un núcleo de helio o entre dos núcleos de helio. Sintetizar elementos más pesados en realidad requiere una colisión entre tres núcleos de helio. La energía de masa de los tres núcleos de helio juntos es, sin embargo, mayor que la de un núcleo de carbono. La síntesis de tal núcleo se ve así desfavorecida. Sin embargo, se encuentra que se permite gracias al hecho de que existe un estado excitado del núcleo de carbono que tiene una energía total (incluyendo la energía de masa del núcleo) que es igual a la de tres núcleos de helio. Es esa coincidencia, resultado a priori del azar, la que permite la producción de elementos más pesados que el helio en las estrellas y, por lo tanto, la vida. Además, la existencia de tal estado de excitación para el carbono fue prevista en 1953 por Fred Hoyle sobre la base de esas constataciones​ y luego descubierta inmediatamente después.​Fue a Fred Hoyle, a quien se le debe la expresión, al principio peyorativa, de Big Bang, que introdujo en esta ocasión una nueva expresión que conocerá el éxito: «ajuste fino de las constantes universales».

Sigue en Segunda Parte