Investigar el “multiverso” con autómatas celulares

9 febrero, 2012 | Por | Categoría: Ideas

En las últimas décadas, muchos cosmólogos han abrazado la teoría del “multiverso”, según la cual nuestro universo no es el único que existe, sino que puede que haya muchos más, quizá infinitos universos distintos.

Es difícil investigar otros supuestos universos desde éste. Foto CC-BY Galería de NASA Goddard Photo and Video.

Desde hace treinta años, el modelo cosmológico estándar (la teoría del Big­Bang) incorpora la hipótesis de una expansión exponencial reducida a los primeros instantes de su evolución. Esta idea podría desembocar en una forma de “multiverso”. Algunos intentos de construir una teoría de la gravedad cuántica también lo permitirían. Pero no ha sido ésta la razón principal por la que la “hipótesis del multiverso” se ha extendido tanto, sino la búsqueda de una explicación al “ajuste fino” de las leyes y constantes de la naturaleza.

¿Qué es el ajuste fino? Es el hecho −cada vez más evidente− de que nuestro universo parece diseñado expresamente para que sea posible la vida. Con un cambio mínimo en las leyes y constantes de la naturaleza (la intensidad de una de las fuerzas físicas, la masa de alguna partícula fundamental, el valor de alguna constante universal…) sería imposible la vida en el universo, y quizá incluso la aparición de estructuras complejas cualesquiera.

Si la estructura del universo hubiese sido ligeramente diferente, el cosmos se habría colapsado poco después del Big Bang; o se habría expandido tan deprisa, que cada partícula estaría enormemente separada del resto; o estaría constituido únicamente por hidrógeno y radiaciones, o por helio y radiaciones. La existencia de los elementos necesarios para la vida (el carbono y el oxígeno, por ejemplo) depende de equilibrios delicadísimos en los valores de las leyes y constantes. Bastaría con que la masa del neutrón fuese 0,15% mayor de lo que es, para que las estrellas no pudiesen producir helio quedando bloqueada la síntesis de elementos. También bastaría un cambio del 0,5% en la intensidad de la fuerza fuerte, para que en las estrellas se destruyera todo el carbono o todo el oxígeno. Hay muchos casos parecidos de ajuste fino.

¿Cómo explicar el ajuste fino?

Algunos de los especialistas que más han estudiado el asunto, como el astrónomo inglés Sir Martin Rees, reconocen tres posibilidades:

  • Existe un diseño cósmico: el universo tiene un creador.
  • Nos encontramos ante una enorme (y dificilísima) casualidad.
  • Existen muchos universos y nosotros habitamos uno de los que hacen posible nuestra existencia. Es decir: la “hipótesis del multiverso”.

Lo malo es que la mayoría de los “multiversos” que se han propuesto son aún demasiado pequeños para explicar el ajuste fino. Esta afirmación puede resultar chocante, puesto que se está hablando de números astronómicos de universos, pero en esas teorías se supone que todos los universos del “multiverso” están sujetos a la mecánica cuántica, que casualmente hace posible la vida en alguno de ellos. En un multiverso con otras reglas, como la mecánica clásica de Newton, no sería así. Por ello, el problema del ajuste fino sigue apareciendo en el marco del “multiverso”, aunque ahora se formula de este modo: ¿por qué existe precisamente este “multiverso”, si hay infinitas estructuras matemáticas que podrían haber sido leyes de “multiversos” sin dejar resquicio a la formación de objetos complejos en general y de seres vivos en particular?

Para evitar este problema y eludir la necesidad de reconocer un diseño cósmico, el astrofísico May Tegmark ha propuesto la idea de que todas las estructuras matemáticas consistentes existen físicamente. Es decir: el “multiverso” comprende todas las estructuras matemáticas posibles. Tendríamos entonces un “multiverso matemático”.

El “multiverso matemático” es muy diferente del que proponen los físicos: no hay estructuras matemáticas, ni condiciones iniciales, ni constantes físicas privilegiadas. En él no quedaría margen para el diseño. Nuestro universo es tan especial porque nosotros tenemos que observar, precisamente, el mundo que es compatible con nuestra existencia.

¿Es esta propuesta una explicación viable del ajuste fino de las leyes y constantes naturales? ¿Podemos hacer algo para poner a prueba este escenario? Esto es lo que hemos tratado de investigar. De acuerdo con las predicciones de Tegmark, las leyes de la naturaleza que observamos no deberían ser más estrictas de lo necesario para hacer posible nuestra existencia. Dicho de otro modo, no deberíamos estar en un universo demasiado especial. Nuestras leyes tendrían que ser las más típicas entre todos los universos en los que pueden generarse seres complejos como nosotros.

¿Ocurre esto en realidad?

Para responder a esta pregunta, hemos realizado una serie de simulaciones de universos con la ayuda de autómatas celulares. Estos autómatas son estructuras matemáticas que resultan útiles para lo que estamos investigando, primero porque están regidas por leyes fáciles de manejar; y segundo −éste es el punto principal−, porque en función de las reglas que se adopten (y de las condiciones iniciales y de contorno) se obtendrán “universos monótonos”; universos en los que surge un comportamiento periódico, un comportamiento caótico completamente irregular, o un comportamiento complejo, capaz de realizar computaciones tan complicadas como cualquier ordenador, en el que aparecen configuraciones que evolucionan y se comportan de un modo que, a veces, recuerda notoriamente la formación e interacción de las estructuras de nuestro propio universo.

Una parte de nuestras investigaciones se ha centrado en el autómata cuyo comportamiento se asemeja más a nuestro mundo: el denominado “juego de la vida”, que fue diseñado por el matemático John Conway, en 1970. Nos hemos preguntado, por ejemplo, qué ocurriría si sus “leyes de la naturaleza” no fuesen constantes, sino que pudieran variar con el tiempo.

El resultado provisional de nuestras investigaciones no favorece la idea de que vivamos en un universo típico entre los que generan estructuras complejas como la vida. Al contrario. Vivimos en un universo claramente atípico. Los experimentos con autómatas celulares muestran que cierta variabilidad temporal en las leyes de la naturaleza no bloquearía la formación de estructuras complejas. Por lo tanto, la forma más general de las leyes de un mundo como el nuestro, en el contexto del “multiverso matemático”, debería incluir tales variaciones. Sin embargo, es notorio que las leyes y las constantes de nuestro universo no presentan ningún tipo de dependencia temporal.

En conclusión: parece que vivimos en un universo capaz de generar gran número de estructuras interesantes por medio de leyes y constantes especialmente sencillas. De confirmarse este resultado, podríamos descartar la hipótesis del “multiverso” como explicación de las peculiaridades de la arquitectura de nuestro cosmos.

El texto completo del artículo de Manuel Alfonseca y Francisco José Soler Gil, en una versión académica, está publicado en arxiv.org.

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