La razón por la que el universo solo tiene cuatro dimensiones es porque estas cuatro dimensiones son las más adecuadas para la existencia y el desarrollo de vida inteligente.
En la década de 1980, los físicos estaban ansiosos por encontrar una manera de combinar las cuatro fuerzas fundamentales del universo en una sola fuerza unificada. Su primer intento se llamó supergravedad, pero debido a varias inconsistencias y predicciones no confirmadas, tuvo que ser abandonado. Otra teoría emergente fue la Teoría de Cuerdas.
La Teoría de Cuerdas, que se originó en la década de 1970, fue ampliamente ignorada hasta la década de 1980, cuando ganó popularidad y los físicos comenzaron a estudiarla seriamente. Aún hoy en día, es una de las mejores teorías que tenemos para comprender el funcionamiento del Universo. Sin embargo, según la Teoría de Cuerdas, ¡el universo existe en 26 dimensiones! Por lo tanto, es bastante sorprendente que solo seamos conscientes de cuatro dimensiones: tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal que se descubrió hace cien años.
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Este paradójico dilema ha desconcertado a filósofos y posteriormente a físicos durante mucho tiempo. Son demasiado curiosos como para aceptar simplemente la realidad sin cuestionar por qué es como es. Sin embargo, un reciente artículo publicado en Europhysics Letters (EPL) podría arrojar luz sobre por qué nuestro Universo podría estar limitado a cuatro dimensiones.
Densidad de Energía Libre de Helmholtz
Cuando observamos un objeto desde una distancia suficientemente lejana, las dimensiones parecen desaparecer. Solo cuando nos acercamos al objeto las dimensiones se hacen evidentes. Por ejemplo, un trozo de papel puede parecer un punto cuando se ve desde lejos, pero a medida que nos acercamos, podemos ver sus cuatro lados. A medida que nos acercamos aún más, descubrimos la tercera dimensión, la profundidad.
Contemplar la cuarta dimensión es más desafiante, pero eso es tema para otro artículo. Esencialmente, nuevas dimensiones emergen a medida que nos adentramos más. Como capas de una cebolla, las dimensiones están enrolladas juntas. Existe la creencia de que todas las dimensiones existieron juntas poco después del Big Bang, pero por alguna razón, el universo se desplegó y aplanó solo las primeras cuatro. Los físicos sospechan que las otras dimensiones están curvadas y enroscadas en un espacio increíblemente pequeño.
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Entonces, ¿por qué solo cuatro dimensiones? El artículo sugiere que las otras dimensiones están impedidas de desplegarse por la segunda ley de la termodinámica, una ley fundamental del universo. Según el artículo, justo después del Big Bang, cuando el universo se enfrió rápidamente, la densidad de energía libre de Helmholtz, una cantidad termodinámica que ejerce presión sobre el espacio, alcanzó su valor máximo, lo que provocó que el universo se «congelara». En esta fase, el universo, que anteriormente existía en todas las dimensiones, se limitó a solo cuatro dimensiones. La única forma en que nuestro universo puede desplegarse en más dimensiones es si alcanza una temperatura crítica, que probablemente existió solo un segundo después de su creación.
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El descubrimiento realizado por los físicos es similar a los cambios que ocurren cuando el agua atraviesa transiciones de fase. El hielo solo puede convertirse en agua líquida cuando se calienta. Aunque esta teoría solo ha ganado atención recientemente, el principio antropocéntrico siempre ha sido nuestra explicación principal para preguntas tan desconcertantes.
El Principio Antropocéntrico
El principio antropocéntrico establece que si el universo fuera diferente, seres inteligentes como nosotros, que cuestionan su estructura intrincada, no existirían.
La segunda ley de la termodinámica es principalmente responsable del movimiento unidireccional del tiempo, al que nos referimos como «hacia adelante». Esta ley predice que el tiempo en nuestro universo se mueve en la misma dirección que el aumento del desorden. Sin embargo, esta explicación es incompleta. Solo cuando combinamos esta ley con el principio antropocéntrico se forma un argumento convincente. Aquí hay un extracto de un artículo anterior que escribí explicando por qué el tiempo solo se mueve en una dirección:
«Si podemos reconocer el papel del azar en hacer que una flor o fruta cobre vida, ¿por qué no podemos hacer lo mismo cuando se trata de nosotros mismos?
Si el clima hubiera estado tormentoso ese día o el suelo menos fértil, la flor no habría florecido. De manera similar, si las condiciones del universo fueran diferentes, no habría surgido vida inteligente capaz de preguntarse «¿por qué el tiempo fluye en una sola dirección?». Percibimos el universo tal como es porque, si fuera diferente, ¡no estaríamos aquí para observarlo! Esto se conoce como el principio antropocéntrico. Entiendo que esto puede parecer pesimista y difícil de comprender, pero parece ser verdad a menos que, por supuesto, encontremos evidencia en contrario.
Medimos el tiempo en la dirección del aumento del desorden porque existimos en la fase de expansión, la fase que respalda la existencia de vida inteligente. Esto no sería posible en la fase de contracción, ya que no existiría vida capaz de medir el tiempo durante esa fase.»
Así como la entropía parece aumentar y el tiempo con ella porque el universo aún se encuentra en su fase de expansión, la fase que permite la aparición de vida inteligente, percibimos el universo en solo cuatro dimensiones porque cuatro dimensiones son propicias para la existencia y el desarrollo de vida inteligente.
Si el universo fuera bidimensional, los organismos no podrían moverse alrededor unos de otros. En cambio, tendrían que trepar por encima o deslizarse debajo de otros. Los procesos complejos de digestión y circulación sanguínea en nuestros cuerpos serían imposibles de lograr en cuerpos bidimensionales. Seres inteligentes como nosotros, que se preguntan por qué el universo tiene cuatro dimensiones, simplemente no existirían.
(Crédito de la foto: Edwin Abbott Abbott / Wikimedia Commons)
De hecho, incluso las formas más simples de biología dejarían de existir, ya que la Tierra no podría orbitar alrededor del sol. La fuerza de la gravedad disminuye en un factor de cuatro cuando la distancia entre dos cuerpos se duplica, pero en cinco dimensiones, disminuye en un factor de cinco, y en seis dimensiones, disminuye en un factor de seis. En un universo de mayor dimensión, la Tierra puede no ser capaz de mantener una órbita estable alrededor del sol, lo que llevaría a su congelación.
Es posible que si cambiáramos las leyes de la gravedad, la formación del sol a través de la compresión gravitacional y la expansión gaseosa ocurriera de manera diferente en dimensiones superiores en comparación con las cuatro dimensiones. Existe la posibilidad de que el sol colapse prematuramente en un agujero negro en dimensiones superiores. Además, los físicos han descubierto que los átomos en dimensiones superiores no se unirían para formar moléculas complejas, que son necesarias para la vida compleja. 
Sin el sol, la vida no hubiera sido posible. (Crédito de la foto: Subham Dey) En su libro, Breve historia del tiempo, Stephen Hawking mencionó el principio antrópico al especular sobre la dimensionalidad específica del universo. Aunque el principio antrópico no explica la causa de la dimensionalidad del universo, el artículo publicado en EPL aborda este problema. Sin embargo, la proposición aún necesita ser validada. Si la proposición finalmente es validada, resolverá uno de los misterios en curso para la humanidad. Esta confirmación también sería increíblemente alentadora para los físicos, ya que marcaría un avance significativo en nuestra búsqueda de una comprensión unificada de las cuatro fuerzas fundamentales y los orígenes, crecimiento y futuro del universo.