La evolución puede explicar los valores de las constantes fundamentales – Física Mundial

Los valores de las constantes físicas fundamentales –aparentemente ajustados para el surgimiento de la materia nuclear y, en última instancia, de la vida– podrían no haber sido fijos al principio del universo, sino que cambiaron con el tiempo a través de un proceso similar a la evolución biológica. Ésa es la hipótesis de un físico del Reino Unido, que ha demostrado que los límites favorables para la vida en la viscosidad y difusión de los fluidos imponen restricciones a los valores de las constantes. Habiendo descubierto que esas limitaciones van más allá de los requisitos de la nucleosíntesis estelar, conjetura que las condiciones necesarias para el movimiento de los fluidos dentro y entre las células vivas podrían haber surgido más adelante en la historia cósmica.

Durante décadas, los físicos han debatido la posible explicación de un hecho sorprendente de nuestro universo: que los valores de muchas constantes físicas parecen correctos para la existencia del mundo que vemos a nuestro alrededor. La formación de estrellas, por ejemplo, requiere tanto hidrógeno como helio. Pero esta condición depende de un valor muy específico de la fuerza nuclear fuerte: si fuera más débil de lo que realmente es y no habría helio; pero si fuera más fuerte, todo el hidrógeno se habría convertido (en helio).

Algunos científicos sostienen que este aparente ajuste proporciona evidencia del diseño del universo, tal vez incluso de la existencia de Dios. Otros, en cambio, han planteado la posibilidad de una miríada de universos diferentes, ya sea que existan simultáneamente o uno tras otro, con condiciones físicas que varían muy ligeramente de uno a otro. Entonces existiríamos necesariamente en ese universo adecuado para generar vida. Otros investigadores han postulado que la teoría definitiva del todo (aún por resolver) requeriría lógicamente que las constantes tuvieran los valores que tienen.

evolución cósmica

Pero Kostya Trachenko de la Universidad Queen Mary de Londres cree que podría haber una explicación alternativa. Sugiere que no hay necesidad de un “gran diseño” para el cosmos, sino que cada uno de los “rasgos” físicos del universo podría emerger independientemente y afianzarse a través de un proceso gradual de evolución – algo así como la proliferación de ciertas supervivencias. mejorar las características de los animales.

El estímulo para esta idea proviene, como dice Trachenko, no de considerar las constantes físicas en el contexto de la física de partículas o la cosmología, sino de investigarlas en las energías mucho más bajas y biológicamente relevantes de la física de la materia condensada. Este enfoque implica reducir procesos físicos o biofísicos complejos a sus elementos esenciales y luego expresarlos en términos de una o más constantes fundamentales.

En 2020, Trachenko y Vadim Brazhkin publicó un artículo estableciendo un límite inferior universal para la viscosidad. Como señalaron los dos, la viscosidad de un fluido alcanza un mínimo a la temperatura que marca su transición de líquido a gas (en el último caso, temperaturas más altas conducen a más colisiones moleculares, lo que crea una mayor fricción entre las capas de fluido). Al modelar esa transición, pudieron expresar la “viscosidad cinemática” (la relación entre viscosidad y densidad) en términos de la constante de Planck (ħ), masa molecular y masa de electrones (m_e).

El flujo de fluido es esencial

Trachenko ha explorado ahora las implicaciones de ese trabajo para la existencia de la vida. Como señala, el flujo de fluidos es esencial para muchos procesos que tienen lugar dentro de las células, como el transporte molecular o la difusión implicada en la proliferación celular. También es vital en procesos multicelulares a mayor escala, como la circulación sanguínea.

La idea era determinar las limitaciones que tales procesos imponen a los valores de las constantes fundamentales. Además de la viscosidad cinemática, que gobierna el flujo sanguíneo pulsado y otros fenómenos que varían en el tiempo, Trachenko también consideró la viscosidad dinámica del flujo estable y las constantes de difusión. Utilizando la ecuación de Navier-Stokes y otros elementos de la dinámica de fluidos clásica, demostró que los tres parámetros podían expresarse en términos de m_e, la masa del protón (m_p) y ħ (con la viscosidad dinámica y la constante de difusión también presentando la carga de electrones, e).

Trachenko descubrió que los tres parámetros dependen de las constantes fundamentales de diferentes maneras. Como tal, dice, combinar las expresiones limitantes para la vida en cada caso (mínimos para las dos viscosidades y máximo para la difusión) produce un rango limitado, o "ventana bioamigable", dentro del cual las constantes tienen que existir. Se trata, afirma, de un resultado inesperado dada la complejidad y variedad de los procesos biológicos implicados (aunque añade que serán necesarios bioquímicos y biólogos para establecer los límites numéricos de los tres parámetros).

fred adams de la Universidad de Michigan en Estados Unidos elogia el enfoque “novedoso” de Trachenko para imponer restricciones a las constantes fundamentales. Pero advierte que es posible que no produzca límites únicos, argumentando que la teoría biológica actual es insuficiente para calcular toda la gama de viscosidades permitidas. "Si tuviéramos una teoría de la biología completa y comprensiva y esa teoría mostrara que la viscosidad en cualquier universo 'vivo' debe estar dentro de un cierto rango, entonces el argumento sería sólido", dice.

Constante de estructura fina

Yendo más allá de los propios límites derivados de la viscosidad, Trachenko también analizó cómo estos límites se relacionan con los impuestos por la necesidad de producir núcleos pesados ​​dentro de las estrellas. Específicamente, consideró el ajuste necesario entre la constante de estructura fina (que presenta e y ħ) y la relación de masa de protón a electrón (m_p/m_e). Se dio cuenta de que los cambios simultáneos de m_e y m_p o de ħ y e Podría dejar fijos los parámetros estelares mientras altera los parámetros del fluido. En otras palabras, un universo con diferentes constantes fundamentales podría, en principio, contener todavía elementos pesados ​​mientras que sus fluidos sean al menos tan viscosos como el alquitrán, lo que prohibiría la vida.

El plasma de quarks-gluones fluye como agua, según sugieren los cálculos

Describe el ajuste adicional necesario para una viscosidad favorable a la vida como "excesivo" en el universo primitivo, señalando que los valores precisos de las constantes tendrían que ser horneados hace al menos 10 mil millones de años, mucho antes de que hubiera siquiera indicios de cómo podría ser la vida. "Es un poco como pedirle a un chef que consiga los ingredientes correctos para una comida exquisita antes de decidir cuál será", dice.

Fue esta idea, dice, la que le impulsó a considerar un mecanismo evolutivo. Reconoce que los detalles de cualquier mecanismo de este tipo son incompletos en esta etapa, tanto en términos de cómo podrían cambiar las constantes como de qué presión evolutiva soportaría para que ciertos valores sean favorecidos sobre otros. Sólo dice que un cierto conjunto de constantes físicas comenzaría a favorecer el surgimiento de una nueva “estructura” física, que perduraría si tuviera propiedades robustas.

"Me doy cuenta de que lo que estoy diciendo es bastante crudo, pero en este momento no sabemos lo suficiente para ser más específicos", afirma.

La investigación se describe en Science Advances.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/evolution-may-explain-values-of-the-fundamental-constants/