Reptes de la cosmologia i el principi antròpic

Aquesta entrada del blog s’ha de llegir en condicions adients, les òptimes, a ser possible. Escolliu, si us plau, el millor moment del dia, que res ni ningú us destorbi; el lloc més agradable de la llar o del jardí; un parc, a prop d’un rierol on l’aigua flueix tranquil·la. Cerquem ordre, quietud, una tènue claror i un airet suau. Que tot plegat convidi a exclamar: que bé que s’està aquí!

I llavors, per uns instants, intentarem esborrar tot pensament. Sentim el batec del nostre cor, l’aire, ben pur, com entra i surt del nostre cos, pautadament. Arribats aquí, podrem ja contemplar l’infinit, l’eterna redundància sense fi, els ulls oberts o mig closos, com millor us plagui. Restem en aquest estat uns breus instants.

És aleshores que podré iniciar el meu relat. El dividiré en dues parts, de manera natural: 1) què és el que sabem?, i 2) què és el que voldríem saber? I, si pot ser, arribar a entendre!, nivell que de moment deixo de banda, reservant-lo per una altra ocasió. Tot en referència al nostre Univers, que quedi ben clar de què tractarem ara. Ho faré breument: adreçant només uns quants punts curosament triats.

Representació artística del nostre Univers - Imatge: NASA/NEXSS collaboration

Què sabem del nostre Univers?

Fa cinquanta mil anys (potser alguns més), l’Homo sapiens va començar a comptar, i a comptar, i a comptar. És un fet demostrat que això significà l’inici de tot plegat. Algú podria objectar que hi ha altres animals que també compten, fins i tot saben sumar, petites quantitats; però vegeu que mai no han aconseguit passar d’aquí. Ja molt abans (centenars de milers d’anys enrere), el sàpiens s’havia distingit d’altres espècies pel fet de dibuixar patrons geomètrics i de construir eines de fusta i pedra, exquisidament treballades per fer tasques diverses. Però va ser la matemàtica la seva construcció fonamental, elaborada pas a pas. Encara és viva la pregunta sobre si la matemàtica és de fet una invenció humana o si, contràriament, es tracta de quelcom intrínsec al nostre Univers, és a dir, que ja era impresa en ell i la humanitat es va limitar a descobrir-la o a trobar-la.

La física o filosofia natural: lleis universals

Una altra descoberta cabdal, que prengué cos al llarg dels darrers segles, és l’existència a la natura de lleis universals, les quals es poden expressar de manera molt precisa en llenguatge matemàtic (la més universal de totes les llengües). Aquest va ser l’origen de la ciència i ho va establir, per primer cop, Galileo Galilei. S'adonà que les lleis del moviment uniforme eren exactament les mateixes, independentment del lloc on se situés i del seu estat, fos de repòs, a terra o sobre un vaixell movent-se plàcidament a velocitat constant i en línia recta al llarg de l’Arno, el riu de la seva bella Florència. D’això en diem ara: “una llei universal, independent del sistema de referència”.

Albert Einstein, amb la seva teoria general de la relativitat (TGR), ho va estendre a sistemes amb acceleració constant, un respecte l’altre. Per formular-la va haver de fer ús d’una matemàtica absolutament revolucionària, deguda a Bernhard Riemann, deixeble del gran Friedrich Gauss, i que anava moltíssim més enllà dels ja de per si genials principis d’Euclides. Cal remarcar que Einstein no s’ho va fer tot sol: el van ajudar la seva esposa, Mileva Marić, i el seu gran amic Marcel Grossmann; i també (com sempre passa) hi va haver altres importants contribucions a la teoria relativista, entre les quals les de Hendrik Lorentz, Henri Poincaré, David Hilbert, etc., que ara queden a l’ombra del gran mestre. Aquí tinc, però, molt poc espai i només podré parlar dels personatges i fets més rellevants (per a detalls, vegeu les referències [1, 2]).

Tot i la seva importància extraordinària per al coneixement de l’Univers i de l’elegant descripció que proporcionava en termes d’allò més naturals, la TGR d’Einstein es va quedar curta, com a teoria definitiva. El mateix Einstein ho va haver d’admetre, just en acabar de formular-la. La raó no és difícil d’entendre: confessà que no havia estat capaç d’estendre-la a sistemes que es mouen amb acceleració arbitrària, no necessàriament constant, un respecte de l’altre. Això és, als que ho fan de qualsevol manera, d’acord amb el principi de relativitat total d’Ernst Mach. Poc s’ha avançat en aquesta qüestió durant el darrer segle, malgrat esforços molt considerables. Sigui com sigui, la relativitat d’Einstein ha demostrat ser una eina excel·lent per estudiar l’Univers amb precisió extraordinària, i tota la cosmologia moderna s'hi fonamenta.

No serveix, però, per estudiar la natura a escales molt petites (atòmiques i subatòmiques). Aquí fracassa tan estrepitosament com ja ho van fer la mecànica galileana i la newtoniana. Que les lleis de Newton no eren vàlides a molt petites escales es va començar a veure, amb tota claredat, abans que acabés el segle XIX, i la teoria d'Einstein no va aportar cap millora a aquests nivells. El problema el va resoldre la formulació de la física quàntica, efemèride de la qual l’any 2025 celebrarem el centenari, amb la solemnitat deguda (de fet, els actes ja han començat, vegeu: a, b, c).

El veritable big-bang: la inflació

Continuem amb el que sabem sobre l’Univers, sigui per evidències molt clares d’experiments de laboratori o per les observacions cada cop més precises dels cossos celestes. Tot d’acord amb les teories ja esmentades, que són les millors que tenim avui dia. Per començar, se sap que el nostre Univers va néixer fa 13.780 milions d’anys. Per més que s’han fet observacions del cel amb cura, mai no s’ha trobat cap objecte de més edat. Però també hi ha altres proves d’aquest fet, totes independents entre si.

Se sap amb rigor que, poc després del seu origen, quan l’Univers tenia entre una bilionèsima i una milionèsima de segon, tot ell era un plasma molt calent, format per leptons, quarks i gluons. Rep el nom de plasma primordial o quark-gluon plasma. Els leptons són les partícules elementals més lleugeres, els quarks els components més simples de les partícules elementals no leptòniques i els gluons les forces d’interacció que els mantenen units per formar mesons (partícules de massa intermèdia, constituïdes per dos quarks) i barions (les partícules més pesants, que en tenen tres). Les propietats del plasma primigeni s’han determinat molt bé a laboratoris com el CERN de Ginebra. Però, com dimonis es va arribar a formar el plasma? I a partir de què?

Això ja no és tan clar, però s’acumulen les evidències que indiquen que va ser com a conseqüència d’una expansió, sobtada i poderosíssima, que va eixamplar enormement l’espai, com si es tractés de la superfície d’un globus (el radi del qual seria el temps). És, a grans trets, el que afirma la teoria cosmològica del big-bang, que mai no s’ha de confondre amb la singularitat del big-bang.

L’evidència que sustenta aquesta teoria és molt àmplia i precisa. S’ha descobert i estudiat amb cura la petjada tèrmica del plasma primigeni: la radiació còsmica del fons de microones (CMB) que impregna l’Univers. La teoria explica també la composició actual d’aquest, així com molts altres fenòmens mesurables. Aquesta era, fins fa poc, una teoria molt reeixida. Però resulta que, a les acaballes del segle XX, es va descobrir que, de fet, l’Univers s’està expandint a un ritme cada vegada més alt: l’expansió s’accelera. Això ha generat un gran misteri que la teoria estàndard del big-bang no aconsegueix explicar de manera convincent. Se sol relacionar amb l’expansió accelerada dels inicis del cosmos. De fet en el nostre grup de recerca de Cosmologia i Física Teòrica (ICE-CSIC i IEEC), al Campus de la UAB, hem construït models de gravetat modificada (en particular, de tipus f(R)), que estan en condicions de proporcionar una descripció unificada de tota la història de l’Univers, corroborada per les dades obtingudes de les observacions astronòmiques. Sigui com sigui, seguim sense tenir una explicació definitiva, acceptada per tothom, i ens preguntem encara: Què va passar exactament quan va néixer el nostre Univers? Com va anar prenent la forma que ara té?

No podem dir, doncs, que hi hagi avui dia una teoria física vàlida per descriure l’origen de l’Univers, sinó tan sols unes poques propostes plausibles, que no entren en contradicció amb les teories físiques fonamentals. Les formulacions amb cap i peus, però encara no comprovades al laboratori, permeten arribar fins quan el cosmos tenia tan sols 10^-36 segons. Això és, fins a una trilionèsima d’una trilionèsima de segon després de l’inici de tot. Llavors, l’Univers va experimentar una etapa d’inflació extremadament breu i dramàtica, expandint-se a molta més velocitat que la llum. Va duplicar la seva mida fins a 100 vegades, o més, en una petitíssima fracció de segon i la seva temperatura va baixar sobtadament de 10²⁷ a 10²² K. Aquí cal fer un incís. Podria semblar que la inflació viola la teoria de la relativitat especial, però no ho fa. De fet, la relativitat sosté que no es pot transportar informació ni matèria entre dos punts de l’espai a més velocitat que la de la llum. Però la inflació va ser només una expansió del propi espai en si, no hi va haver cap transport.

Què hi havia abans?

Abans de la inflació no hi havia gairebé res; només uns pocs ingredients, els mínims necessaris per posar-ho tot en marxa: el mateix espaitemps, el camp de Higgs, el camp que rep el nom d’inflató, i poca cosa més, un polsim de matèria. No hi ha, ara com ara, cap evidència científica contrastada sobre com aquests minsos ingredients van aparèixer. Però el que sí que sembla clar és que es va necessitar alguna cosa com la inflació per engrandir sobtadament el teixit espaitemps de l’Univers i així poder dotar-lo de les propietats que ara observem amb precisió.

Aquest Univers en ràpida expansió estava pràcticament buit de matèria, però, d’acord amb la teoria més acceptada, amagava grans quantitats d’energia fosca. I aquesta és precisament la força misteriosa que es creu que també està impulsant l’actual expansió accelerada del cosmos.

Resumint, d’acord amb les millors teories que tenim ara per ara, el nostre univers va tenir un origen, fa 13.780 milions d’anys, a partir d’un polsim de matèria i d’una energia, d’origen desconegut per ara, que va fer que s’expandís de manera formidable durant un brevíssim instant de temps. Un gran bufarut creador: la inflació còsmica. Com i per què es va produir això no està gens clar.

Per acció de la gravetat, al cap d’uns 300 milions d’anys es formaren les primeres estrelles (hi ha qui afirma que, fins i tot abans, aparegueren forats negres primordials), que després van donar lloc a galàxies i estructures còsmiques cada cop més grans, interconnectades a gran escala (el que s’anomena la xarxa o teranyina còsmica, en anglès cosmic web, Fig. 1). Els planetes es van anar constituint al voltant d’algunes de les estrelles, com en el cas del nostre Sol. I fa 3.800 milions d’anys, la vida arrelà sobre la Terra. Però això ja seria un altre capítol, tant o més apassionant que aquest.

Fig. 1. Comparació de la xarxa còsmica generada per simulacions per computadora amb una observació real d’H. Humehata del cúmul galàctic SSA22 (MUSE, ESO).

El que voldríem saber

Són moltes les preguntes que romanen sense resposta. I és un fet incontestable que, com més avancem, més en sorgeixen de noves. Però, això no vol dir, en cap cas, que hàgim de menystenir la immensitat de coses que hem après fins ara, ni que el seu valor extraordinari es vegi gens reduït! Una cosa no treu l’altra. Hem d’aprendre a interpretar el sentit de la famosa sentència atribuïda a Sòcrates: “Només sé que no sé res”.

Qüestions sense resposta en cosmologia

Què és exactament l’energia fosca?

Quina és la veritable naturalesa de la matèria fosca?

Té a veure amb la constant cosmològica?

Quin mecanisme va impulsar la inflació?

Fou d’alguna manera inevitable que aquesta es produís?

Per què hi ha més matèria que antimatèria a l’Univers?

Què succeeix a l’interior d’un forat negre?

Què passa amb la informació que hi cau a dins? (Paradoxa de la pèrdua d’informació)

Per què les constants fonamentals tenen els valors que tenen?

Poden aquestes constants variar en el temps o en diferents regions de l’Univers?

Fou el big-bang un esdeveniment singular o només un de moltíssims, en un multivers inabastable?

Què va passar abans del big-bang?

Com acabarà l’Univers? (Big Freeze, Big Crunch, Big Rip, etc.)

Quina és la naturalesa de la gravetat a escala quàntica?

...

Grans projectes actuals i futurs (que podrien ajudar a respondre’n alguna)

La missió Planck de l’Agència Espacial Europea (ESA), que orbità la Terra entre el 2009 i el 2013, va ajudar a precisar encara més les teories existents sobre la naturalesa del cosmos i el seu origen. El mapa detallat del fons còsmic de microones, generat per la missió, va revelar clarament que el nostre Univers no es tornarà a contraure en el futur, esvaint la possibilitat d’un Univers cíclic (Fig. 2). Amb Planck s’han pogut afinar les estimacions de l’edat de l’Univers, així com les quantitats de matèria visible, matèria fosca i energia fosca que conté. La missió no va aportar, de fet, cap gran sorpresa, confirmant en gran manera les teories ja existents i corroborant que l’evolució futura de l’Univers serà, dit pels experts: força avorrida.

Fig. 2. Representació artística de les dues missions de l'ESA, Planck i Euclid, reunides per a una comparació visual

Tot i això, dels seus resultats han sorgit a la vegada noves preguntes, per afegir a la llista anterior. Una d’important: la constant de Hubble ―que descriu la velocitat d’expansió del cosmos― mesurada per Planck a l’Univers llunyà, dona un valor diferent de l’obtingut amb els telescopis espacials Hubble, James Webb, i altres projectes com PanStarrs, a l’Univers proper. Aquesta important tensió entre tots dos resultats s’està investigant febrilment a hores d’ara.

Cal afegir, des del camp de la teoria, que les gravetats modificades ―com les teories f(R)―, si bé fan possible eliminar singularitats de la TGR, sovint en creen de noves, tant en el passat com en el futur del nostre Univers. I això ens diu, indubtablement, que no poden ser en cap cas teories finals per descriure el cosmos. Anant més enllà, ni tan sols una futura teoria de gravetat quàntica ―com probablement tampoc l’ús de les preuades teories de cordes― podran, previsiblement, salvar la distància temporal que hi ha entre t=0 i t=10^-44 s, el temps de Planck. Bé podria succeir que anar més enllà d’aquests 10^-44 segons no tingués en absolut sentit físic, si s’aconseguís demostrar que la física quàntica és, de facto, l’última (i, com a tal, infranquejable) frontera de la física. Hi ha investigadors que treballen en aquesta direcció.

Pel que fa, novament, a les observacions, s’espera que la missió Euclid, de l’ESA, que està ara donant els seus primers resultats i, ja a la propera dècada, el Telescopi Einstein (ET Project) d’ones gravitatòries, la missió LISA, així com altres projectes varis, ens ajudaran a avançar en la comprensió de la natura de l’energia i de la matèria fosques, de la dels forats negres i els seus interiors, així com en la resolució d’algunes de les altres grans incògnites de la llista anterior que s’interposen avui en el nostre coneixement en profunditat del cosmos. 

Principi copernicà i principi antròpic

Entrem, per acabar, en un altre aspecte, més filosòfic que els anteriors. El famós principi copernicà afirma que, com a observadors, no ocupem una posició privilegiada a l’Univers. Però resulta que, d’acord amb la mecànica quàntica, tot observador influeix sobre qualsevol sistema, quan l’observa. Tenim aquí, doncs, un gran dilema: podria la humanitat haver influenciat les propietats globals de l’Univers?

Aquest és ja un exemple de consideració “antròpica”. Els humans som els que observem l’Univers, i hem establert les seves lleis des del nostre punt de vista. Després de comprovar, això sí, amb tots els mitjans al nostre abast, la seva “universalitat” (validesa en diversos sistemes de referència).

Un ús científic immediat del fet que som presents a l’Univers és el següent: podem considerar dades sobre la nostra existència al mateix nivell d’altres observacions del cosmos. Per exemple, com que la vida està basada en el carboni, l’Univers ha de tenir pel cap baix mil milions d’anys, per tal d’haver donat temps (en els models estàndards descrits en apartats anteriors) a fer que aquesta hagi pogut aparèixer, en l’evolució del cosmos. La possibilitat mateixa d’una vida basada en el carboni sembla dependre de tot un seguit de coincidències molt sorprenents, tal com va observar Robert Dicke el 1961.

El principi antròpic

El principi antròpic fou proposat els anys 1950 precisament per Robert Dicke. Des d’aleshores ha interessat a molts pensadors, des de cosmòlegs a teòlegs. La pregunta bàsica és la següent: per què l’Univers sembla tan convenientment ajustat per a l’existència humana? En paraules de Dicke:

“Existim i som testimonis de l’Univers perquè l’Univers té les característiques adients que ens permeten ser-hi presents.”

Posem un exemple immediat d’aquest fet. La vida intel·ligent a la Terra depèn de la presència de la Lluna. Aquesta produeix efectes de marea, necessaris per a la formació i l’evolució de la vida. La hipòtesi més acceptada sobre la seva formació és la d’un impacte gegantí. Fa 4.500 milions d’anys, Theia, un cos de la mida de Mart, va xocar amb la Terra, desprenent una important quantitat de deixalles, que després es van unir formant la Lluna.

En línies generals, el principi antròpic parteix del fet observat que les constants cosmològiques semblen estar molt finament ajustades per permetre l’existència de la vida, i més enllà, dels éssers humans. N’hi ha de fet nombroses versions. Algunes de les més importants són aquestes:

Feble: l’Univers està dissenyat per tal de poder donar lloc a la vida conscient. Les constants físiques estan ajustades per permetre la formació d’àtoms, estrelles, planetes, i originar la vida i la intel·ligència (B. Carter).

Fort: Si no fóssim aquí no podríem observar l’Univers, ni parlar-ne, ni investigar-lo (R. Dicke).

Participatiu: L’Univers requereix la presència d’observadors conscients per tal d’existir (J.A. Wheeler).

Final: El processament d’informació per part d’éssers intel·ligents és, de fet, inevitable i etern (J.D. Barrow i F. Tipler).

L’ajust enormement precís i inexplicable de les constants fonamentals de la física

El gran físic teòric Steven Weinberg va dedicar força temps a aquesta intrigant qüestió, en el context de la cosmologia i del principi antròpic. Resumint-ho molt, Weinberg reconeixia que algunes constants físiques de l’Univers semblen estar finament ajustades per a l’existència de la vida, i més encara, de la vida intel·ligent. Trobava aquest fet extraordinàriament intrigant i intentà abordar-lo de manera científica.

La seva investigació més famosa versà sobre la constant cosmològica, que té un valor increïblement petit però no nul, i que permet que l’Univers s’expandeixi a un ritme que permet la formació de galàxies, estrelles i la vida. Weinberg va concloure que, si la constant cosmològica fos més gran, l’Univers s’expandiria massa ràpidament i la vida tal com la coneixem no hauria pogut existir.

Considerava el problema de l’ajust precís de les constants universals com un problema científic genuí, i evitava conclusions metafísiques, anteposant explicacions naturals, sempre que fos possible. Tot buscant una explicació científica d’aquest ajust, va concloure que el principi antròpic podria ser-ne una guia útil, especialment en el context de les teories de multivers. En aquest context, podrien existir molts universos amb diferents valors per a les constants fonamentals, i nosaltres ens trobaríem en un dels rars universos on les constants permeten el desenvolupament de la vida.

La seva obra va ajudar a ressaltar la importància del problema i estimulà discussions posteriors sobre possibles solucions, incloent-hi les teories de multivers i el paper del principi antròpic en la cosmologia moderna [3].

A continuació, una llista d’algunes de les constants fonamentals més importants:

Constant de Planck (ℏ): 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s

Constant gravitatòria (G): 6,671 × 10⁻¹¹ m³/kg·s²

Velocitat de la llum en el buit (c): 299.792.458 m/s

Càrrega de l’electró (e): 1,602 × 10⁻¹⁹ C

Nombre d’Avogadro (N_A, quantitat d’àtoms en un mol): 6,022 × 10²³ mol⁻¹

Constant d’estructura fina (α, interacció entre electrons i fotons): α=1/137,036

Massa de Planck (m_P): 2,17645 × 10⁻⁸ kg

Longitud de Planck (l_P): 1,61624 × 10⁻³⁵ m

Temps de Planck (t_P): 5,39121 × 10⁻⁴⁴ s

Temperatura de Planck (T_P, màxima possible a l’Univers): 1,416785 × 10³² K

…

Principi antròpic i intel·ligència artificial general

Una consideració final. Hi ha una teoria que connecta aquests dos conceptes (el darrer de rabiosa actualitat avui): els algorismes serien per a la intel·ligència artificial general (AGI) el que els primers organismes vius van ser per a la vida orgànica que coneixem. Guien el comportament, l’aprenentatge i l’adquisició de noves capacitats. També poden evolucionar, competir i millorar tant per evolució pròpia com per disseny deliberat.

Cada peça de tecnologia que desenvolupem, dades que generem i algorismes que creem contribueixen a fer l’entorn del qual podria sorgir l’AGI. El nostre paper a l’Univers adquiriria, en aquesta perspectiva, una nova dimensió. No seríem ara ja, només, observadors finals d’un cosmos finament ajustat per fer possible la nostra existència, sinó que, al nostre torn, contribuiríem també activament a la creació de les condicions necessàries per a futures formes d’intel·ligència, la primera de les quals és l’AGI, que serien cada cop més avançades que la nostra.

Això fa que ens puguem percebre no ja com el producte final de l’evolució (com havíem fet fins ara), sinó tan sols com una baula d’una cadena de complexitat i d’intel·ligència creixents. Cosa que ens situaria en un context més ampli a l’Univers, que d’alguna manera recuperaria, així, la seva condició de copernicà, propietat que havia perdut, segons hem apuntat abans, amb l’adveniment de l’extraordinària singularitat de la intel·ligència humana.

Bibliografia

1. E. Elizalde: Cosmologia moderna: des dels seus orígens, Col. Física i Ciència per a Tots (Reial Societat Espanyola de Física i Fundació Ramón Areces), Ed. Catarata, Madrid, 2020.

2. E. Elizalde: The True Story of Modern Cosmology. Origins, Main Actors and Breakthroughs (Springer, Berlín, 2021).

3. John A. Peacock: Cosmological Physics (Cambridge University Press, 1999).