Principio antrópico

El principio antrópico  es el argumento “Vemos el Universo así, porque sólo en tal Universo podría haber surgido un observador, una persona ” . Este principio fue propuesto para explicar desde un punto de vista científico por qué en el Universo observable existen una serie de relaciones no triviales entre parámetros físicos fundamentales necesarios para la existencia de vida inteligente .

Varias redacciones

A menudo hay principios antrópicos fuertes y débiles [1] .

• El principio antrópico débil en la formulación de G. M. Idlis (1958): “ Obviamente observamos no una región arbitraria del Universo, sino aquella cuya estructura especial la hizo apta para el surgimiento y desarrollo de la vida ” [2] . Como aclara el académico L. B. Okun , “el principio antrópico débil proviene de la idea de un conjunto que contiene una cantidad infinitamente grande de universos”. Esto quiere decir que en el Universo se dan diferentes valores de las constantes mundiales , pero es más probable la observación de algunos de sus valores, ya que en las regiones donde los valores toman estos valores, la probabilidad de aparición de una el observador es más alto [3] . En otras palabras, los valores de las constantes mundiales, marcadamente diferentes a las nuestras, no se observan, porque no hay observadores donde están.
• Principio Antrópico Fuerte : El universo debe tener propiedades que permitan la evolución de la vida inteligente.

Una variante de AP fuerte es APU (Principio de participación antrópica) formulado en 1983 por John Wheeler [4] [5] :

Los observadores son necesarios para el logro del Universo del ser.

La diferencia entre estas formulaciones se puede explicar de la siguiente manera: el principio antrópico fuerte se aplica al Universo como un todo en todas las etapas de su evolución, mientras que el principio débil se aplica solo a aquellas regiones y períodos en los que teóricamente puede aparecer vida inteligente en él. Un principio débil se sigue de un principio fuerte, pero no viceversa [6] .

La formulación del principio antrópico se basa en el supuesto de que las leyes de la naturaleza observadas en nuestro tiempo no son las únicas que realmente existen (o han existido), es decir, los Universos con otras leyes deben ser reales [7] . Los físicos han explorado varias opciones para colocar universos alternativos en el espacio y el tiempo [8] [9] :

• Un Universo - en el curso de la evolución sin fin de la cual las constantes físicas cambian, tomando todo tipo de valores. Con una combinación favorable de constantes, surge un observador inteligente.
• Un universo: dividido en muchas regiones espaciales que no interactúan con diferentes leyes físicas. En aquellas áreas donde existe una combinación favorable de constantes fundamentales, surge un observador inteligente.
• Muchos mundos paralelos ( Multiverso ) que implementan varias leyes de la naturaleza.
• El citado APU (Principio de Participación Antrópica) de Wheeler significa que los Universos sin un observador inteligente no adquieren el estatus de realidad. La razón de esto es que solo el observador es capaz de llevar a cabo la reducción del estado cuántico , que traduce el conjunto de estados posibles en uno, el real.

Historia

El término "principio antrópico" fue propuesto por primera vez en 1973 por el físico inglés Brandon Carter [1] . Sin embargo, como han descubierto los historiadores de la ciencia, la idea misma se ha expresado repetidamente antes. Primero fue formulado explícitamente por el físico A. L. Zelmanov en 1955 y el historiador de la ciencia G. M. Idlis en la Conferencia de toda la Unión sobre problemas de astronomía y cosmología extragaláctica (1957) [10] . En 1961 el mismo pensamiento fue publicado por R. Dicke [11] .

Brandon Carter, en el artículo anterior de 1973, también formuló versiones fuertes y débiles del principio antrópico. El artículo de Carter trajo el tema a primer plano, con opiniones expresadas no solo por físicos sino por muchos otros, desde periodistas hasta filósofos religiosos. En 1986 se publicó la primera monografía: J. D. Barrow y F. J. Tipler , “The Anthropic Cosmological Principle”, donde se reconocía la prioridad de G. M. Idlis [12] . En 1988 se celebró en Venecia la primera conferencia científica dedicada al principio antrópico ; En el futuro, el principio antrópico fue constantemente tocado tanto en foros especializados como en la discusión de temas fundamentales de física, cosmología, filosofía y teología.

Las proporciones necesarias para la formación de la vida

Los valores numéricos de muchos parámetros físicos fundamentales adimensionales (es decir, que no dependen del sistema de unidades), como las proporciones de masa de las partículas elementales , las constantes adimensionales de las interacciones fundamentales , parecen no estar sujetos a ninguna regularidad. Sin embargo, resulta que si estos parámetros diferían de sus valores observados solo en una pequeña cantidad, la vida inteligente (en el sentido al que estamos acostumbrados) no podría formarse.

Dimensión del espacio

En primer lugar, llama la atención el hecho de que la variedad de fenómenos que observamos sólo puedan surgir en el espacio tridimensional. Entonces, para una dimensión espacial de más de tres, cuando se adopta la ley de gravitación de Newton, las órbitas estables de los planetas en el campo gravitatorio de las estrellas son imposibles. Además, en este caso, la estructura atómica de la materia también sería imposible (los electrones caerían sobre los núcleos incluso en el marco de la mecánica cuántica ). Cuando el número de dimensiones es superior a tres, la mecánica cuántica predice un espectro de energía infinito de un electrón en un átomo de hidrógeno, lo que permite valores de energía tanto positivos como negativos. En el caso de dimensiones inferiores a tres, el movimiento se produciría siempre en una zona limitada. Sólo cuando son posibles los movimientos finitos e infinitos estables [13] .

Los argumentos anteriores se refieren al caso del tratamiento no relativista del problema. Si tratamos de extender la teoría general de la relatividad como una teoría moderna de la gravitación al espacio-tiempo con un número diferente de dimensiones espaciales, entonces la imagen se invierte: con dos dimensiones espaciales, los cuerpos que interactúan gravitacionalmente bajo ninguna circunstancia pueden formar un sistema conectado. (esto se conoce desde hace mucho tiempo en relatividad general y fue descubierto en la década de 1960, véase cuerdas cósmicas ) [14] , y cuando el número de dimensiones del espacio es mayor que tres, la interacción gravitatoria, por el contrario, es tan fuerte que no permite el movimiento infinito de los cuerpos. Así, la transición límite de la teoría general de la relatividad a la teoría newtoniana de la gravitación sólo es posible en el espacio de tres dimensiones.

También es interesante que el Modelo Estándar de la física de partículas , basado en la teoría de los campos de Yang-Mills, no es renormalizable en un espacio de más de tres dimensiones.

Masas del electrón, protón y neutrón

El neutrón libre es más pesado que el sistema protón + electrón , por lo que el átomo de hidrógeno es estable. Si el neutrón fuera al menos una décima parte más ligero, el átomo de hidrógeno se convertiría rápidamente en un neutrón. Si la masa de un electrón excediera la diferencia entre las masas de un neutrón y un protón, entonces la composición química del Universo cambiaría radicalmente. Le faltaría hidrógeno, y por tanto, estrellas en su sentido habitual, vida [15] .

Existencia del deuterón e inexistencia del diprotón

Se sabe que para la formación de un estado ligado de dos partículas (en el espacio tridimensional ordinario), es necesario no sólo que se atraigan, sino también que esta atracción sea lo suficientemente fuerte. La atracción entre un protón y un neutrón está casi "en el límite": su estado ligado ( deuterón ) existe, pero está débilmente ligado y por lo tanto tiene dimensiones geométricas bastante grandes. Esto lleva al hecho de que la reacción de quemar hidrógeno en las estrellas es muy eficiente. Si la fuerza de la interacción protón-neutrón fuera menor, el deuterón sería inestable y se cortaría toda la cadena de combustión del hidrógeno. Si la constante de acoplamiento fuera notablemente más fuerte, entonces el tamaño del deuterón sería más pequeño y la reacción de combustión no sería tan intensa. En ambos casos, resultaría que las estrellas arderían con menor intensidad, lo que no podría sino afectar la vida.

Por otro lado, se sabe que dos protones no son capaces de formar un estado ligado: la interacción fuerte, aunque supera la barrera de Coulomb , todavía no es lo suficientemente fuerte. Si la constante de fuerza fuerte fuera ligeramente mayor, entonces los diprotones (núcleos de helio con una masa de 2) serían partículas estables. Esto probablemente tendría consecuencias catastróficas para la evolución del Universo: en sus primeros días, todo el hidrógeno se convertiría en helio -2 y la existencia de estrellas sería imposible [16] [17] .

Resonancia en el núcleo del carbono-12

Según el modelo cosmológico estándar , inmediatamente después del Big Bang , la materia del universo estaba casi en su totalidad en forma de hidrógeno y helio . Los núcleos de helio en sí mismos son prácticamente estables y, por lo tanto, no es del todo obvio que los elementos más pesados ​​​​deban formarse en grandes cantidades en el proceso de quemar estrellas. De hecho, ya en la primera etapa hay un obstáculo: dos núcleos de helio no forman un núcleo estable de berilio-8 (este nucleido se desintegra en 10 −18 s). No existen núcleos estables con un número de masa A = 5, que podrían formarse por la fusión de una partícula alfa con un protón o un neutrón. En principio, tres núcleos de helio-4 pueden formar un núcleo estable de carbono-12 , pero la probabilidad de que tres partículas alfa colisionen al mismo tiempo es tan pequeña que, sin "ayuda externa", la velocidad de tal reacción sería insignificante para la formación de una cantidad significativa de carbono, incluso en escalas de tiempo astronómicas.

El papel de tal ayuda externa lo desempeña la resonancia (estado excitado) del carbono-12 con una energía de 7,65 MeV. Al estar prácticamente degenerado en energía con el estado de tres partículas alfa, aumenta radicalmente la sección transversal de reacción y acelera el proceso de combustión del helio. Es gracias a él que en la etapa final de la evolución estelar se forman elementos pesados ​​que, tras la explosión de una supernova, se dispersan en el espacio y posteriormente forman planetas.

En principio, la presencia de resonancias nucleares no sorprende. Sólo un valor numérico aleatorio ("seleccionado") de la energía de excitación de resonancia es verdaderamente inusual. Entonces, en el trabajo de H. Oberhummer, A. Csoto y H. Schlattl, Science 289, 88 (2000); Nuclear Physics A 689, 269c (2001) ( nucl-th/9810057 ) muestra que si la constante de acoplamiento nucleón-nucleón difería en al menos un 4%, casi no se formaría carbono en las estrellas.

En general, dados los argumentos anteriores, existe la sensación de que todo en el Universo está “preparado” para que la vida pueda formarse y existir durante mucho tiempo. Este sentimiento es utilizado como argumento por los creacionistas y los partidarios de la teoría de la creación inteligente . Sin embargo, el matemático M. Ikeda y el astrónomo W. Jefferis argumentan que este sentimiento es el resultado de una incorrecta estimación intuitiva de las probabilidades condicionales .

Parámetros de la interacción electrodébil

V. Agrawal et al., Physical Review D57 (1998) 5480-5492 ( hep-ph/9707380 ) mostró que para formar conjuntos suficientemente complejos de elementos químicos, se requiere que el valor promedio del campo de Higgs en el electrodébil la teoría no excede el valor observado ( GeV) en más de cinco veces.

El problema de los valores iniciales en cosmología

Apoyo y crítica del principio antrópico en la física moderna

Varios físicos han intentado derivar el principio antrópico de varias consideraciones físicas. En el artículo de A. D. Linde [18] se ofrece una breve descripción general de tales modelos .

Otros científicos señalan que la existencia de universos (o partes del universo) con diferentes leyes de la física, en las que se basan tanto el principio antrópico como los modelos que lo contienen, no tiene evidencia experimental. El premio Nobel Steven Weinberg afirmó que el principio antrópico "tiene un estatus un tanto dudoso en la física" porque "el punto débil de tal interpretación del principio antrópico es la vaguedad del concepto de una pluralidad de universos" [8] . Irónicamente comentó que "si todos estos universos son inalcanzables e incognoscibles, la afirmación de su existencia no parece tener ningún sentido, excepto para evitar la pregunta de por qué no existen" [19] . Weinberg cree que el principio antrópico, si se mantiene en la física, es sólo para explicar un único parámetro: la constante cosmológica [8] . Otro premio Nobel, David Gross , cree que el principio antrópico solo demuestra nuestra incapacidad para responder preguntas difíciles [20] .

Según G. E. Gorelik , “el principio antrópico, en esencia, no pertenece todavía a la física, sino a la metafísica ” [21] . El académico L. B. Okun considera ambos tipos de principios antrópicos como especulativos, pero merecedores de discusión [3] . El cosmólogo estadounidense Alex Vilenkin declaró: “La explicación antrópica del ajuste fino no es científica… El principio antrópico solo puede servir para explicar lo que ya sabemos. Nunca predice nada y por lo tanto no puede ser verificado . Lee Smolin , el autor de una de las teorías alternativas (ver más abajo) [23] está de acuerdo con esto . También vale la pena señalar[ ¿por qué? ] que el principio antrópico no explica exactamente cómo llegó a existir el universo sintonizado , sino que solo presenta el hecho de que existe.

Alternativas

Los críticos del principio antrópico suelen señalar que si las constantes físicas fundamentales no son independientes, entonces desaparece la necesidad del principio antrópico, ya que desaparece la posibilidad de múltiples universos. También se han propuesto otras alternativas. En particular, la comunidad científica continúa discutiendo la idea original de la "multiplicación de universos" ( universos fecundos , también llamada teoría de la "selección natural cosmológica", CNS, Cosmological Natural Selection ), que fue propuesta por el El físico estadounidense Lee Smolin .

Según esta hipótesis, “más allá” del agujero negro , surge un nuevo universo, en el que las constantes físicas fundamentales pueden diferir de los valores del universo que contiene este agujero negro. Los observadores inteligentes pueden aparecer en aquellos universos donde los valores de las constantes fundamentales favorecen el surgimiento de la vida. El proceso se parece a las mutaciones y la selección en el curso de la evolución biológica [24] . Smolin publicó una descripción detallada de su hipótesis en el libro "La vida del cosmos" ( The Life of the Cosmos , 1999) [25] . Según Smolin, su modelo es mejor que el principio antrópico para explicar el " ajuste fino del universo " necesario para el surgimiento de la vida, ya que tiene dos ventajas importantes:

1. A diferencia del principio antrópico, el modelo de Smolin tiene consecuencias físicas comprobables experimentalmente.
2. La vida en múltiples universos no surge al azar, sino de forma natural: más “descendientes” en el curso de la selección tienen aquellos universos cuyos parámetros conducen a la aparición de un mayor número de agujeros negros, y estos mismos parámetros, según Smolin, favorecen la posibilidad. del origen de la vida.

Varios físicos y filósofos se mostraron bastante escépticos acerca de la idea de Smolin [26] [27] . El oponente de Smolin fue el conocido cosmólogo Leonard Susskind , quien, sin embargo, valoró bastante esta hipótesis [28] . La discusión de Smolin y Susskind (2004) sobre el papel del principio antrópico en la ciencia despertó gran interés en la comunidad científica [29] .

Evaluaciones filosóficas

Stanisław Lem escribió que este principio, tomado literalmente, explica lo desconocido a través de lo desconocido, además, según la lógica de un círculo vicioso . Con la misma razón, se puede argumentar sobre cualquier objeto que es él quien es la "meta" del Universo, y no las personas, por ejemplo, los sellos postales , aunque su existencia para el Universo es completamente opcional [30] .

El renombrado cosmólogo Martin Rees observó que el principio antrópico por sí solo no revela las causas profundas del "ajuste fino" del universo:

Me impresiona la metáfora del filósofo canadiense John Leslie . Imagina que estás parado frente a un pelotón de fusilamiento. Cincuenta personas te apuntan, pero todas fallan. Si alguien no hubiera fallado, no habrías sobrevivido y no podrías pensar en ello. Pero no puedes simplemente olvidarlo: estás desconcertado y buscarás las razones de tu fantástica suerte. [31]

Algunos científicos creyentes, por ejemplo, el físico y filósofo John Polkinhorn , prefieren considerar el ajuste fino del Universo como una de las pruebas de la existencia de Dios [31] .

El principio antrópico entra en conflicto aparente con el principio cosmológico de Copérnico , que establece que el lugar donde existe la humanidad no es privilegiado, de alguna manera se distingue de los demás. Si ampliamos el concepto de "lugar" a todo el Universo , entonces las relaciones anteriores entre las constantes fundamentales, que hacen posible la existencia de materia suficientemente organizada, son necesarias para el surgimiento de la vida inteligente y, en consecuencia, solo algunas de ellas. el conjunto de universos posibles son habitables; en este sentido, se resaltan ciertas áreas en el espacio de parámetros. En el espacio físico ordinario, el Sistema Solar también ocupa una posición bastante especial: su órbita en la Galaxia se encuentra en el llamado círculo de corotación , donde el período de revolución de una estrella alrededor del núcleo de la Galaxia coincide con el período de revolución. de brazos espirales - lugares de formación estelar activa . Por lo tanto, el Sol (a diferencia de la mayoría de las estrellas de la Galaxia) muy raramente pasa a través de los brazos donde es probable que se produzcan explosiones cercanas de supernova con posibles consecuencias fatales para la vida en la Tierra.

La síntesis del principio antrópico y el principio copernicano es la afirmación de que se destacan las áreas de posibles parámetros que son esenciales para el surgimiento de vida inteligente, mientras que los parámetros cuyos valores específicos no afectan la probabilidad del surgimiento de vida inteligente. no tienden a ningún valor especial. Entonces, la posición que ocupa nuestra Galaxia en el Universo, una de las miles de millones de galaxias espirales , no se destaca por nada.

Véase también

• Hipótesis de la Tierra única
• El panorama de la teoría de cuerdas
• El principio de la mediocridad
• sesgo de sobreviviente
• Afinando el universo
• Hipótesis del universo matemático

Notas

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3. ↑ 1 2 Okun L. B. Constantes fundamentales de la física. Archivado el 7 de junio de 2020 en Wayback Machine // Uspekhi fizicheskikh nauk , 161 (9), 1991.
4. ↑ Wheeler JA Génesis y observación // Problemas fundamentales en las ciencias especiales. Dordrecht, 1977. R 27.
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9. ↑ 1 2 Balashov Yu. V., 1990 , p. 32.
10. ↑ Idlis G. M. Las características principales del Universo astronómico observable como propiedades características de un sistema espacial habitable // Izv. Astrófilo. en-ta KazSSR. 1958. V. 7. S. 40-53.
11. ↑ La cosmología de Dicke RH Dirac y el principio de Mach // Nature . 1961 vol. 192. Núm. 4801. Pág. 440-441.
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13. ↑ Ehrenfest P. ¿Cómo muestran las leyes fundamentales de la física que el espacio tiene tres dimensiones?
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    Traducción del artículo:
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Enlaces

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