Mostrando entradas con la etiqueta Física. Mostrar todas las entradas

¿Nuestro universo se encuentra contenido dentro de un agujero negro?



Entre los principales problemas que tratamos en la teoría estándar del Big Bang se encuentra el de la singularidad y la inflación, sin mencionar la imposibilidad de conocer qué hubo «antes» de la gran explosión ya que, en rigor, no hay un «antes» proveniente de una singularidad donde, las leyes de la física, son nulas e ininteligibles. Las observaciones de Friedman (1888 - 1925) y Lemaître (1894 - 1966) dieron como resultado la teoría de la expansión del Universo, «confirmadas» por la constante de Hubble donde el desplazamiento al rojo de una galaxia, es proporcional a la distancia a la que se encuentra.

    Las interrogantes —sin respuesta— que nos surgen del modelo estándar son las siguientes:

    ¿Qué dio origen al Big Bang?, una singularidad claro, pero, ¿qué causó dicha singularidad?, ¿qué causó la inflación?, ¿de dónde proviene la energía oscura que aparentemente causa la expansión? Una posible explicación a la inflación y expansión del universo se encuentra en el hipotético y poco probable inflatón. Ante preguntas empero, sobre la energía oscura y la singularidad que originó la gran explosión, aparentemente no hay respuestas.

    Bajo estás interrogantes, Nikodem Poplawski (Ph.D. por la Universidad de New Haven) propone que nuestro universo se encuentra contenido dentro de un agujero negro. Según Poplawski —interpretando las ecuaciones de Einstein, y la conocida teoría de Einstein-Cartan-Kibble-Sciama—, la torsión generada por los fermiones, en el inicio de nuestro universo, adquiriría significado en un estado de gran densidad y masa como puede ser un agujero negro. En este escenario la torsión se manifiesta como una fuerza repulsiva que contrarresta la fuerza gravitacional proveniente de la curvatura espacio-tiempo. En un comienzo la atracción gravitatoria del espacio curvo superaría las fuerzas repulsivas de torsión, eventualmente la torsión sería más «fuerte» y evitaría que la materia se comprimiera en un punto de densidad infinita; posteriormente la materia alcanzaría un estado de densidad enorme pero finito. Así, la energía en un estado extremadamente denso, produciría las primeras partículas que pasarían a ser masa en el interior del agujero negro. El incremento de partículas de espín semientero se traduciría en mayores niveles de torsión del espacio-tiempo. La torsión de repulsión crearía un Big Bounce que explicaría la expansión y sugiere que vivimos «dentro» de un agujero negro que se encuentra en otro universo. O para ser más precisos, nos encontramos en un horizonte cauchy. En esta  teoría, la torsión («heredada» del universo padre) explicaría la flecha del tiempo, y la energía oscura.

_____
REFERENCIAS

Poplawsk, N. (2016). Non-parametric reconstruction of an inflaton potential from Einstein-Cartan-Sciama-Kibble gravity with particle production. NIKODEM POPLAWSKI. Obtenido. 2016, de http://math.newhaven.edu/poplawski/

ENTRADAS SIMILARES

Celeritas



La naturaleza de la luz ha sido motivo de controversia durante siglos. Newton en su Óptica, propuso la hipótesis de que la luz estaba formada por partículas emitidas por los cuerpos luminosos. Es la conocida teoría corpuscular de la luz, que logro explicar algunas de sus propiedades, como la reflexión. Otras empero, como las interferencias y la polarización, no tenían cabida en el modelo. Estos fenómenos dieron origen a la teoría ondulatoria, creada por Agustin Fresnel y Thomas Young. Posteriormente, la teoría ondulatoria recibió un método matemático preciso por parte de Clerk Maxwell, quien probó que las ondas luminosas eran una forma de radiación electromagnética. Albert Einstein por su parte, demostró la necesidad de volver a una forma de teoría corpuscular, de naturaleza cuántica, para explicar el efecto fotoeléctrico. En la teoría de Einstein, los corpúsculos de Newton se convierten en cuantos individuales de energía llamados fotones. Actualmente la teoría electromagnética ondulatoria y la teoría cuántica de los fotones son necesarias para explicar todas las propiedades de la luz. Esta concepción, que supones una «dualidad onda-partícula», fue llamada complementariedad por Niels Bohr.

EL ESPECTRO VISIBLE


La prueba experimental de la existencia de las ondas electromagnéticas la dio en 1887 el físico alamán Heinrich Hertz. Como los distintos tipos de onda, las ondas electromagnéticas pueden caracterizarse por su longitud de onda. La luz consiste en aquellas ondas electromagnéticas a las que es sensible el ojo humano. El correspondiente intervalo de longitudes de onda es el espectro visible. Cuando una luz perteneciente al espectro visible incide sobre el ojo humano, se produce una sensación de color cuya naturaleza depende de la longitud de onda de la luz incidente.

     El espectro visible abarca desde el rojo, con una longitud de onda máxima (unos 740 nanómetros), hasta el violeta, con una longitud de onda mínima (unos 425 nanómetros). Si bien los colores varían de un extremo al otro del espectro, es habitual dividir la región en siete colores, los conocidos colores espectrales. La mezcla de esos colores en la luz solar da origen a la luz blanca. Sobra recordar que el espectro visible es tan sólo una pequeña parte del espectro electromagnético total.

LA VELOCIDAD DE LA LUZ


La velocidad de la luz, representada por c, es la velocidad a la que se propagan ésta y otras radiaciones electromagnéticas. Su valor en el vacío es de 2,99792458 x 108 metros por segundo. La velocidad de la luz en el vacío es una constante física que o depende ni del movimiento de la fuente ni del movimiento del observador. Esta notable propiedad de la luz es un postulado básico de la teoría especial de la relatividad,

     Es importante advertir que la velocidad de la luz en un medio material es menor que la velocidad de la luz en el vacío. Ello es consecuencia de la interacción entre la luz y los electrones del medio. En un determinado medio, la velocidad de la luz depende de su frecuencia; cuanto mayor es ésta, menor es aquélla. El cociente entre la velocidad de la luz en un medio y la velocidad de la luz en otro medio es el índice de refracción relativo, que se representa por n. El cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio material es el índice de refracción absoluto de dicho medio. Como la velocidad de la luz en un material depende de la frecuencia de la misma, también depende de ésta el índice de refracción absoluto.

     Por lo tanto, para definir el índice de refracción absoluto es necesario especificar una cierta longitud de onda. Suele elegirse a tal efecto la luz amarilla de 589,93nm emitida en la transición de un electrón entre dos niveles de energía del átomo de sodio. Cuando no hay ambigüedad, en vez de «índice de refracción absoluto», se habla simplemente de «índice de refracción».

     Un aspecto interesante de esto es que según la teoría de la relatividad, la velocidad de la luz en el vacío es la máxima velocidad alcanzable en el universo. No obstante, en un medio material es posible alcanzar velocidades que superan la velocidad de la luz en dicho medio. Cuando es más rápida que la velocidad de la luz en el medio por el que se mueve, una partícula eléctricamente cargada y muy energética emite radiación electromagnética —generalmente en forma de luz azul—. Esta radiación recibe el nombre de Radiación de Cherenkov en honor a su descubridor, el físico ruso Pável Alexéievich Cherenkov.

ENTRADAS SIMILARES

Principio antrópico


¿Tenemos certeza sobre la naturaleza de «todo» el Universo? Es decir, podemos afirmar rotundamente que las propiedades conocidas en física —como las cuatro fuerzas fundamentales— se pueden aplicar a «todo» el Universo. O, por el contrario, sólo al Universo observable (o medible). No sería acaso posible que vivieramos en una «zona» del Universo en la cual las leyes de la física son como creemos que son, pero que de hecho, no suceda así en el resto del cosmos.

     Este tipo de interrogantes ha llevado a distintos pensadores —filósofos y físicos, concretamente—, a formualar el famoso «principio antrópico», como el realizado por Robert Dicke:

     Puesto que hay observadores en el universo, éste debe poseer las propiedades que permiten la existencia de tales observadores.

     Esta aparente perogrullada resulta más interesante de lo que se podría pensar a simple vista. Las aparentes causalidades o regularidades que observamos en el Universo, tienen que estar vínculadas a nuestra propia aparición en él, en tanto estudiosos y observadores de lo real. Si somos capaces de entender —en cierta medida— con objetividad, cómo es el mundo, es precisamente porque somos (formamos) parte de él; si por el contrario, fuesemos incompatibles con la información del mundo, no lo sabríamos, y por obviedad no nos preguntaríamos cómo es el mundo; ¡es como si no fueramos parte de él!

     Brandon Carter, también formuló o, para ser más preciso, replanteó el principio antrópico de una manera más «fuerte»:

     El universo debe estar constituido de tal forma en sus leyes y en su organización que no podría dejar de producir alguna vez un observador.

     Con esta reformulación del citado principio, resulta indudable que la existencia de los humanos en el universo es posible —porque de hecho existe—. Es como si las condiciones cósmicas fuesen de tal manera, que «necesariamente» permitan nuestra aparición en el Universo, y una vez aparecidos, nos permitan entenderlo objetivamente. De ordinario podría incluso decir, que en el «diseño universal» es necesaria la especie humana, exige nuestra aparición; o acaso nuestra aparición exige la del universo, con todo ésta es un conclusión constructivista.

     Este tipo de pensamiento le desagradaba —de sobremanera— a Montaigne, y a esta pretensión le dedico algunas palabras:

     ¿Quién le ha hecho creer —al hombre— que este admirable movimiento de la bóveda celeste, la luz eterna de esas luminarias que giran tan por encima de su cabeza, los movimientos admirables y terribles del océano infinito, han sido establecidos y se prosiguen a través de tantas edades para su servicio y conveniencia? ¿Se puede imaginar algo más ridículo que esta miserable y frágil criatura, quien, lejos de ser dueña de sí misma, se halla sometida a la injuria de todas las cosas, se llame a sí misma dueña y emperatríz del mundo, cuando carece de poder para conocer la parte más ínfima y no digamos para gobernar el conjunto.

ENTRADAS SIMILARES

Tiempo


El tiempo es una magnitud física cuya unidad básica en el sistema internacional (SI) es el segundo (s).

     •segundo (símbolo: s). Unidad SI de tiempo definida como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio- 133.

ENTRADAS SIMILARES

Realidad cuántica


La mecánica cuántica ha demostrado una gran capacidad de explicación sobre fenómenos vinculados a la materia y la energía. Sin embargo, pese a su evidente éxito, la teoría conlleva cierto número de problemas conceptuales y filosóficos. Uno de sus más eminentes artífices, Feynman, señaló en cierta ocasión: «mucha gente entiende la teoría de la relatividad de Einstein pero nadie entiende la mecánica cuántica.»

Ondas y partículas


La esencia del problema es que entidades tales como el fotón y el electrón parecen comportarse como partículas individuales o como ondas según el experimento que se lleve a cabo. La concepción generalmente aceptada por los físicos y químicos es la que propuso Bohr: un electrón es una partícula, pero es preciso renunciar a describir detalladamente su trayectoria. Lo único que cabe decir es que la entidad en cuestión queda descrita por una expresión llamada «función de onda». El cuadrado de la función de onda en un punto mide la probabilidad de encontrar la entidad en dicho punto.

La paradoja EPR


La concepción de Bohr no fue del gusto de todos. A Einstein, por ejemplo, le incomodaba el indeterminismo inherente a la teoría. Sus objeciones se resumen en sus famosos comentarios: «Dios no juega a los dados» y «Dios es sutil pero no malicioso».

     Para refutar la teoría de Bohr, Einstein ideó el conocido experimento de Einstein, Podolsky y Rosen, el cual pone en escena a un fotón que súbitamente se convierte en un electrón y su antipartícula, el positrón. Debido a la conservación del momento angular, el espín del electrón debe ser igual y opuesto al espín del positron. Cuando las partículas se han separado varios kilómetros, se mide el espín del electrón; si éste apunta en cierta dirección, el espín del positrón debe apuntar en dirección opuesta. ¿Cómo «sabe» el positrón que la función de onda del electrón ha colapsado, dando una determinada dirección de espín? Esta es la famosa paradoja EPR.

     La respuesta de Bohr consiste en decir que las partículas siguen formando parte del mismo sistema, aunque se encuentren muy lejos la una de la otra, y que es la medida la que colapsa su función de onda. Einstein jamás aceptó esta interpretación ya que implicaba una interacción instantánea entre partículas, a la que llamó «acción fantasmal a distancia». Para él, los espines reales estaban determinados al formarse las partículas y la mecánica cuántica era sólo una aproximación a un mecanismo subyacente todavía no descubierto.

El teorema de Bell


En 1964, Bell publicó un artículo sobre la paradoja EPR; el espín del electrón tiene tres componentes perpendiculares dos a dos. Bell demostró que si el principio de realidad de Einstein es correcto, debe verificarse una desigualdad matemática entre los espines medidos en distintas direcciones. Años más tarde, se realizaron experimentos para averiguar si la desigualdad se cumple, el más concluyente fue llevado a cabo en 1982 por Alain Aspect; los experimentos de Aspect indican que Bohr estaba en lo cierto y Einstein se equivocaba. La realidad cuántica «implica» —al parecer— una extraña acción instantánea a distancia (entrelazamiento cuántico). Quiero señalar que la mecánica cuántica, por muy extrañas que sean sus predicciones, no es una metafísica estéril, sino por el contrario, una teoría basada en experimentos, que derivan en una física aplicada.

     A pesar de los avances conseguidos en mecánica cuántica, hay científicos y filósofos que todavía no estan de acuerdo acerca de la naturaleza de la realidad cuántica (me incluyo). Algunos sugieren la existencia de algún mecanismo «todavía no descubierto», otros piensan que nunca comprenderemos la realidad cuántica. Posiblemente —como sugirió John Haldane—, el Universo no sólo es más extraño que cuanto conocemos, sino también más extraño que cuanto podemos conocer.

ENTRADAS SIMILARES

El gato de Schrödinger


El físico Erwin Schrödinger propuso un famoso experimento mental, con el fin de ridiculizar la interpretación de Bohr:

    En una caja provista de una tapadera hay un frasco con un material radiactivo. Al emitir éste una partícula, se activa un detector que libera gas venenoso. Se coloca un gato en la caja (nadie sabe por qué Schrödinger eligió un gato), al cabo de cierto tiempo hay una probabilidad del 5% de que la partícula haya sido emitida. En ese preciso instante, un observador mira dentro de la caja para averiguar qué ha sido del gato. Según Bohr, el gato no está vivo ni muerto mientras el observador no provoque el colapso de su función de onda levantando la tapadera de la caja, mirando en su interior. De hecho el experimento mental es falaz: la falacia del argumento consiste en un mal uso del término «observar» (una observación no requiere la presencia de una persona). El elemento importante de la teoría de Bohr es el acto de medir. La función de onda de la partícula colapsa cuando ésta interactúa con el detector, a partir de ese momento, la suerte del pobre gato está echada.

     Es necesario señalar que la superposición —en este caso del gato— sólo se presenta a nivel cuántico.

ENTRADAS SIMILARES

Espacio-tiempo


En 1908, Hermann Minkowski demostró que en la relatividad especial, el espacio y el tiempo podían considerarse imbricados en una entidad única, que consistiría en el espacio-tiempo cuadrimensional.

     Para visualizar el espacio-tiempo de Minkowski se dibujan «diagramas de espacio-tiempo», que representan la totalidad del pasado y el futuro. Cada punto del diagrama representa un «suceso»: un punto del espacio en un instante dado. La historia entera de una partícula queda representada por una curva del diagrama, llamada «línea de universo» de la partícula. Una línea de universo es recta si la partícula se mueve uniformemente (a velocidad constante), y curva si lo hace de un modo no uniforme (acelerado).

     El cono de la imagen es el llamado «cono de luz» de origen 0 del espacio-tiempo. En el espacio-tiempo cuadrimensional de Minkowski, la distancia s al origen, llamada también «intervalo», viene dada por la ecuación:

     s² = t² - (x/c)² - (y/c)² - (z/c)²,

donde x, y, z son las tres coordenadas espaciales. El intervalo s se interpreta como el tiempo que transcurre para la partícula entre los sucesos O y P; se trata de un tiempo radicalmente distinto al de la mecánica newtoniana. En relatividad, cuando hay movimiento, el tiempo transcurrido es menor que t, resultado conocido como «dilatación de los tiempos». Esto significa que el tiempo transcurre tanto más lentamente cuanto más rápida es la partícula. Cuando la velocidad de la partícula es significativamente menor que la de la luz, el tiempo transcurrido es sólo ligeramente menor que t. Si la velocidad de la partícula es igual a la de la luz, entonces P se encuentra en el cono de luz y s = O.

     Otras magnitudes —además del tiempo—, tienen distintas propiedades en relatividad especial que en mecánica newtoniana. La contracción de Lorentz-Fitzgerald, o contracción de las longitudes, describe la contracción de un cuerpo en la dirección de su movimiento. Según la teoría especial de la relatividad, un objeto cuya longitud es (lo) cuando está en reposo respecto a un determinado sistema de referencia, tiene una longitud distinta l cuando se considera desde un sistema de referencia que se mueve con velocidad v con respecto al primero. Esta nueva l viene dada por:

     l = lo (1 - v²/c²)½

     La masa m, en cambio, aumenta con la velocidad. Su valor viene dado por:

     m = mo/ (1 - v²/c²)½

donde mo es la masa de la partícula en reposo, o «masa en reposo», y v es la velocidad de la partícula. Einstein demostró que cuando un cuerpo gana una energía E en razón de su movimiento, también gana una masa m igual a E/c². Asimismo, halló que, como consecuencia de la relatividad especial, la masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético. Esto es lo que afirma la famosa ecuación:

     E = mc²

     Así, es posible generar gran cantidad de masa. Esto ocurre en las estrellas, en las armas nucleares y —de una forma más controlada— en la energía nuclear.

ENTRADAS SIMILARES

Multiverso Nivel IV


En la teoría de los multiversos, se nos presenta uno especialmente interesante a saber; el Multiverso de nivel IV. Según esta teoría los universos pueden diferir no sólo en la ubicación, propiedades cosmológicas o estado cuántico, sino también en las leyes de la física.
     Las condiciones iniciales y constantes físicas de los multiversos Nivel I, Nivel II y Nivel III pueden variar, pero las reglas fundamentales que gobiernan a la Naturaleza no cambian. ¿Por qué limitarnos a eso? ¿Por qué no permitir que las propias leyes varíen? ¿Qué tal un universo que obedezca las leyes de la física clásica sin efectos cuánticos? ¿Qué tal un tiempo que fluya por pasos discretos, como en los ordenadores, en lugar de ser continuo? ¿Qué tal un espacio sin tiempo? ¿Qué tal un universo que sea sólo un dodecaedro vacío? En el multiverso Nivel IV, todas esas realidades alternativas existen.
     Las entidades metafísicas, así como las expresiones abstractas, estructuras matemáticas, números, vectores, objetos geométricos, etcétera, guardan una notable similitud con dicha teoría.

     La enorme utilidad de las matemáticas para las ciencias naturales es algo casi misterioso.
     Eugene Wigner

A la vez, las estructuras matemáticas nos parecen reales. Satisfacen el criterio central para una existencia objetiva: son las mismas sin importar quién las esté estudiando. Un teorema es verdadero sin importar que lo demuestre un humano, o un ordenador.
     Existe un óbice para entender la correspondencia entre las matemáticas y la física. Dicotomía antiquísima que nos lleva a épocas de Platón y Aristóteles.
     En Aristóteles la realidad sensible es fundamental, de lo que se sigue —y se entiende— al lenguaje matemático como una aproximación útil (o no) a ella (la realidad). En Platón por el contrario, lo material, los objetos sensibles; no dejan de ser un mundo de apariencias y de sombras, por lo que entiende a la estructura  matemática más real que lo sensible, la cual es percibida por el sujeto cognoscente de forma imperfecta.
     Las experiencias y los sentidos, es decir la forma en que percibimos el mundo sensible, nos hace tomar el partido de Aristóteles. Los físicos teóricos por el contrario, tienden a ser platónicos; las matemáticas son un objeto útil para describir al universo debido a que éste es inherentemente matemático. La perspectiva platónica propone la pregunta de por qué el universo es como es.  Si el universo es inherentemente matemático, ¿por qué se eligió únicamente una de las muchas estructuras matemáticas para describir un universo?

ENTRADAS SIMILARES

¿SE HALLA TODO DETERMINADO?


Extracto Agujeros Negros y Pequeños Universos, Stephen Hawking 

En Julio Cesar, la tragedia de Shakespeare, Casio Ie dice a Bruto: Los hombres son a veces dueños de su destino. ¿Somos realmente dueños de nuestro destino? ¿O está ya determinado y preordenado todo lo que hacemos? El argumento en pro de la predeterminación solía señalar que Dios es omnipotente y se halla al margen del tiempo, de modo que sabe lo que va a suceder. ¿Cómo podemos tener entonces libre albedrío? ¿Cómo es posible, de no tenerlo, que seamos responsables de nuestras acciones? No podría ser culpable quien atracase un banco si estuviera predeterminado que lo haría. ¿Por que castigarle? 
Recientemente, la argumentación a favor del determinismo se ha basado en la 
ciencia. Parece que existen leyes bien definidas que gobiernan como se 
desarrollan en el tiempo, el universo y todo lo que contiene. Aunque aun no 
hayamos encontrado la forma exacta de todas estas leyes, conocemos lo 
suficiente para determinar lo que sucede casi hasta en las situaciones más 
extremadas. Es discutible si en un futuro relativamente cercano encontraremos las leyes que nos faltan. Soy optimista: creo que hay una probabilidad del cincuenta por ciento de que las hallaremos en los próximos veinte años; aunque no fuera así, en nada afectara a la argumentación. Lo que importa es que tiene que existir una serie de leyes que determinen por completo la evolución del universo a partir de su estado inicial. Estas leyes pueden haber sido ordenadas por Dios, aunque parece que El (o Ella) no interviene en el universo para transgredir las leyes. 
Es posible que Dios escogiese la configuración inicial del universo o que este se haya determinado a si mismo por las leyes de la ciencia. En cualquier caso, 
parece que todo lo que contiene el universo estaría entonces determinado por 
evolución conforme a las leyes de la ciencia. Es, pues, difícil entender como 
podemos ser dueños de nuestro destino. 
La idea de la existencia de una gran teoría unificada que determine todo lo que 
hay en el universo suscita muchas dificultades. La primera de todas es que la gran teoría unificada será presumiblemente compacta e ingeniosa en términos 
matemáticos. Tiene que haber algo de especial y de simple en una teoría de todo. 
¿Cómo es posible, sin embargo, que un cierto número de ecuaciones expliquen la complejidad y todos los detalles triviales que advertimos en tomo de nosotros? 
¿Puede uno creer verdaderamente que la gran teoría unificada determine que 
Sinead O'Connor estuviera esta semana a la cabeza de la lista de éxitos y que 
Madonna apareciese en la portada de Cosmopolitan? 
Un segundo problema planteado por la idea de que todo se halla determinado por una gran teoría unificada es que cualquier cosa que digamos estará también determinada por la teoría. ¿Y por que iba a estar determinado que fuese verdadera? ¿No es más probable que fuese errónea puesto que hay muchas declaraciones incorrectas posibles por cada una cierta? Cada semana recibo por correo diversas teorías que me envía la gente. Todas son distintas y la mayoría resultan inconsecuentes; presumiblemente, la gran teoría unificada determine que los autores pensasen que eran correctas. ¿Por qué, entonces, ha de tener mayor validez cualquier cosa que yo diga? ¿No estoy igualmente determinado por la gran teoría unificada? 
Un tercer problema que plantea la idea de que todo se halla determinado es que sentimos que poseemos libre albedrío; que tenemos libertad para decidir si 
hacemos una cosa o no la hacemos. Mas, si todo esta determinado por las leyes de la ciencia, entonces, el libre albedrío tiene que ser una ilusión. ¿Y cuál es la base de la responsabilidad de nuestras acciones, si carecemos de libre albedrío? 
No castigamos a quienes cometen delitos cuando están locos, porque 
consideramos que no pudieron evitarlos. Pero si todos estamos determinados por una gran teoría unificada, ninguno puede evitar lo que hace. ¿Por qué, pues, responsabilizar a alguien de lo que haya hecho? 
Estos problemas del determinismo han sido materia de discusión durante siglos. El debate resultara un tanto académico mientras distemos de poseer un 
conocimiento completo de las leyes de la ciencia e ignoremos como me 
determinado el estado inicial del universo. Sin embargo, los problemas son ahora mas apremiantes porque existe la posibilidad de que en unos veinte años 
encontremos una teoría completa unificada. Y entendemos que el estado inicial 
puede hallarse en si mismo determinado por las leyes de la ciencia. Lo que a 
continuación sigue constituye una tentativa personal de abordar estos problemas. 
No pretende ser muy original ni profundo, pero hago lo que mejor puedo en este momento. 
Empezando con el primer problema: ¿Cómo puede una teoría relativamente 
simple y compacta suscitar un universo de la complejidad que observamos, con 
todos sus detalles triviales y carentes de importancia? La clave reside en el 
principio de indeterminación de la mecánica cuántica, que declara que no es 
posible medir juntamente y con gran precisión tanto la posición como la velocidad de una partícula; cuánto mas exactamente mide uno la posición, menos exactamente puede medir la velocidad y viceversa. Esta indeterminación no es tan importante en el momento presente, cuando la cosas se hallan tan separadas que una pequeña indeterminación en la posición no supone una gran diferencia. Pero en el universo muy primitivo todo estaba muy próximo, así que la indeterminación era muy considerable y el universo presentaba diversos estados posibles. Estos habrían evolucionado hasta constituir toda una familia de diferentes historias del universo. En sus características a gran escala, la mayoría de estas historias serian 
semejantes y corresponderían a un universo uniforme y terso, que se hallara en 
expansión, pero deferirían en detalles como la distribución de las estrellas y, aún más, en las portadas de la revistas (si esas historias contenían revistas). La complejidad del universo que nos rodea y sus detalles surgieron, pues, del 
principio de indeterminación en las etapas primitivas, lo que proporciona al 
universo toda una familia de historias posibles. Existiría una historia donde los 
nazis ganaron la Segunda Guerra Mundial, aunque su probabilidad sea baja, pues resulta que nosotros vivimos en una historia donde los aliados ganaron la guerra y Madonna apareció en la portada de Cosmopolitan. 
Veamos el segundo problema: si lo que hacemos se halla determinado por alguna gran teoría unificada, ¿por qué debe determinar que extraigamos acerca del universo las conclusiones certeras en vez de las erróneas? ¿Por qué ha de tener alguna validez cualquier cosa que digamos? Mi respuesta está basada en la idea de Darwin sobre la selección natural. Supongo que en la Tierra, por obra de unas combinaciones aleatorias de átomos, surgió espontáneamente una forma de vida muy primitiva. Probablemente esta primera forma de vida era una molécula grande, pero es posible que no se tratase de ADN, puesto que es muy reducida la probabilidad de constitución de toda una molécula de ADN por combinaciones aleatorias. 
La primitiva forma de vida se reproduciría. El principio cuántico de indeterminación y los movimientos térmicos aleatorios de los átomos indican que tuvo que existir un cierto número de errores en la reproducción; la mayoría serían fatales para la supervivencia del organismo o para su capacidad de reproducción y no se transmitirían a generaciones futuras sino que se extinguirían; por puro azar, unos cuantos resultarían beneficiosos, seria mayor la probabilidad de supervivencia y reproducción de los organismos con esos errores. Así, tenderían a remplazar a los organismos originales e imperfectos. 

El desarrollo de la estructura en doble hélice del ADN puede haber sido uno de 
esos perfeccionamientos de las primeras etapas. Probablemente se trató de un 
progreso tal que reemplazó por completo a cualquier forma previa de vida, fuera cual fuese. A medida que progresaba la evolución conduciría al desarrollo del sistema nervioso central. Los seres que reconocieran acertadamente las 
consecuencias de los datos recogidos por sus órganos de los sentidos que 
adoptasen las acciones adecuadas, tendrían mas probabilidades de sobrevivir y reproducirse. La raza humana avanzó por este camino hasta otra etapa. Somos muy semejantes a los simios superiores, tanto en nuestros cuerpos como en el ADN, pero una ligera variación de nuestro ADN nos permitió desarrollar el lenguaje. Eso significó poder transmitir la información y la experiencia acumulada de una generación a otra, de forma oral y escrita. Hasta entonces solo era posible transmitir los resultados de la experiencia mediante el lento proceso de su codificación en el ADN a través de errores aleatorios en la reproducción. El efecto fue una aceleración espectacular de la evolución. Necesitó más de tres mil millones de años para llegar a la raza humana; durante los últimos diez mil hemos desarrollado el lenguaje escrito que nos permitió progresar desde los trogloditas hasta el punto en que podemos preguntarnos por la teoría definitiva del universo. 
En los últimos diez mil años no ha habido una evolución biológica significativa o un cambio en el ADN humano. Así, pues, nuestra inteligencia, nuestra capacidad para extraer las conclusiones correctas de la información proporcionada por los órganos de los sentidos, tiene que remontarse a los días de las cavernas o aún mas allá y habría quedado seleccionada sobre la base de nuestra capacidad para matar a ciertos animales con que alimentamos y para evitar que otros animales nos mataran. Resulta notable que cualidades mentales seleccionadas para estos propósitos nos mantengan en tan buena forma en circunstancias muy diferentes como son las de la época actual. El descubrimiento de una gran teoría unificada o las respuestas a los interrogantes del determinismo no significarían probablemente una gran ventaja en lo que se refiere a la supervivencia. Sin embargo, la inteligencia que hemos desarrollado muy bien para otros fines puede garantizamos el hallazgo de las respuestas adecuadas a esas preguntas. 
Paso al tercer problema, la cuestión del libre albedrío y de la responsabilidad 
sobre nuestras acciones. Consideramos subjetivamente que tenemos capacidad para elegir que somos y lo que hacemos, pero puede que esta sólo sea una ilusión. Algunas personas se creen Jesucristo o Napoleón, más no cabe aceptar que estén en lo cierto. Lo que necesitamos es una prueba objetiva que podamos aplicar desde fuera para distinguir si un organismo tiene libre albedrío. 
Supongamos, por ejemplo, que nos visita un hombrecillo verde de otra estrella. 
¿Cómo conseguiríamos decidir si poseía libre albedrío o se trataba simplemente de un robot programado para responder como si fuera semejante a nosotros? 
Ésta parece la prueba objetiva ultima del libre albedrío: ¿Es posible predecir la 
conducta del organismo? En caso afirmativo, claramente no posee libre albedrío sino que esta predeterminado y si no cabe predecir la conducta, podemos adoptar como definición operativa que el organismo tiene libre albedrío. 
Sería posible poner reparos a esta definición del libre albedrío sobre la base de 
que una vez que hallemos una teoría unificada completa podremos predecir lo que vaya a hacer la gente. Pero el cerebro humano se halla también sometido al principio de indeterminación. Así, pues, existe en la conducta humana un elemento de aleatoriedad asociado con la mecánica cuántica, mas, las energías que intervienen en el cerebro son bajas y, por tanto, la indeterminación de la mecánica cuántica ejerce solo un efecto pequeño. La auténtica razón de que no podamos predecir la conducta humana es que en realidad resulta demasiado difícil. Ya conocemos las leyes físicas básicas que gobiernan la actividad cerebral y son comparativamente simples, pero es bastante difícil resolver las ecuaciones cuando intervienen mas de unas cuantas partículas. Incluso en la teoría newtoniana de la gravedad, más sencilla, solo es posible resolver exactamente las ecuaciones en el 
caso de dos partículas. Cuando se trata de tres o más hay que recurrir a 
aproximaciones y la dificultad aumenta rápidamente con el número de partículas. 
El cerebro humano contiene 1E26, o cien cuatrillones, que son excesivos, para 
que podamos ser capaces de resolver las ecuaciones y predecir como se 
comportara, habida cuenta de su estado inicial y de los datos de los nervios que llegan hasta el cerebro. De hecho, ni siquiera podemos medir cual fue su estado inicial, porque para lograrlo tendríamos que desintegrarlo. Aun estando 
preparados para hacerlo, serian demasiadas las partículas que deberíamos 
considerar, además, el cerebro es muy sensible al estado inicial; un pequeño 
cambio en tal estado puede significar una diferencia muy grande en la conducta 
subsiguiente. Aunque conocemos las ecuaciones fundamentales que gobiernan el cerebro, somos completamente incapaces de emplearlas para predecir la 
conducta humana. 
Esta situación se plantea en ciencia siempre que abordamos un sistema 
macroscópico, porque el número de partículas resulta demasiado grande para que exista alguna probabilidad de resolver las ecuaciones fundamentales. Lo que hacemos en realidad es emplear teorías operativas. Se trata de aproximaciones en las que un número muy grande de partículas son remplazadas por unas cuantas. Un ejemplo es la mecánica de los fluidos. Un líquido como el agua esta constituido por billones de billones de moléculas, a su vez formadas por electrones, protones y neutrones, sin embargo, es una buena aproximación tratar el liquido como un medio continuo, caracterizado simplemente por su velocidad, densidad y temperatura. Las predicciones de la teoría operativa de la mecánica de los fluidos no resultan exactas -para comprenderlo basta con fijarse en el pronóstico del tiempo-, pero son suficientemente buenas para el diseño de naves y oleoductos. 
Quiero señalar que los conceptos del libre albedrío y de la responsabilidad moral sobre nuestras acciones constituyen realmente una teoría operativa en el sentido de la mecánica de los fluidos. Puede que todo lo que hagamos este determinado por alguna gran teoría unificada. Si esa teoría ha decidido que moriremos ahorcados, no pereceremos ahogados. Pero antes de lanzarse al mar en un barquito durante una borrasca, uno tendría que estar muy seguro de hallarse destinado al patíbulo. He advertido que hasta quienes afirman que todo esta predestinado y que nada podemos hacer por cambiarlo miran antes de cruzar la calle. Quizás sea porque los que no miran no sobreviven para afirmarlo. 
No es posible basar la conducta propia en la idea de que todo se halla 
determinado, porque ignoramos que es lo que se ha determinado. Por el contrario, hay que adoptar la teoría operativa de que poseemos libre albedrío y somos responsables de nuestras acciones. Esta teoría no sirve de mucho a la hora de predecir la conducta humana, pero la adoptamos porque no hay probabilidad de resolver las ecuaciones surgidas de las leyes fundamentales. Existe también una razón darwiniana para creer en el libre albedrío. Una sociedad en la que los individuos se sientan responsables de sus acciones posee una probabilidad mayor de actuar unida y sobrevivir para difundir sus valores. Claro esta que las hormigas trabajan muy unidas, pero semejante sociedad es estática; no puede reaccionar ante los retos anómalos o desarrollar nuevas oportunidades. En cambio, un conjunto de individuos libres que compartan ciertos propósitos serán capaces de colaborar en pro de sus objetivos comunes y tener además flexibilidad para realizar innovaciones. Tal sociedad posee más probabilidades de prosperar y difundir su sistema de valores. 
El concepto de libre albedrío corresponde a un campo ajeno a las leyes 
fundamentales de la ciencia. Si uno trata de deducir la conducta humana a partir de las leyes de la ciencia, se ve sumido en la paradoja lógica de unos sistemas referidos a si mismos. Si cabe predecir por las leyes fundamentales lo que uno hará, entonces el hecho de realizar la predicción puede modificar lo que suceda. 
Es como los problemas con que tropezaríamos si fuese posible viajar por el 
tiempo, cosa que no creo que llegue a suceder nunca. Si uno pudiese ver lo que acontecera en el futuro, podria cambiar-lo. Se podria ganar una fortuna apostando al caballo que fuera a ganar el Grand National. Pero esa acción modificaría el tanteo de las apuestas. Basta con ver Regreso al futuro para comprender los problemas que podrían plantearse. 
La paradoja de ser capaz de predecir las propias acciones se halla estrechamente relacionada con el problema que mencione antes; ¿Determinara la teoría definitiva que lleguemos a las conclusiones certeras acerca de la teoría definitiva? En este caso afirme que la idea darwiniana de la selección natural nos conduciría a la respuesta correcta. Tal vez la respuesta correcta no sea el modo adecuado de expresarlo, más, la selección natural debe llevamos al menos a una serie de leyes físicas que operen bastante bien. Sin embargo, existen dos razones por las cuales no podemos aplicar esas leyes físicas para deducir la conducta humana. En primer lugar, no nos es posible resolver las ecuaciones y, en segundo, aunque pudiéramos, el hecho de formular una predicción perturbaría el sistema. Por el contrario, la selección natural parece inducirnos a adoptar la teoría operativa del libre albedrío. Si se acepta que las acciones de una persona se hallan libremente elegidas, no cabe entonces afirmar que en algunos casos están determinadas por fuerzas ajenas. Carece de sentido el concepto de "casi libre albedrío". Pero la gente tiende a confundir el hecho de que uno puede ser capaz de suponer lo que probablemente escogerá un individuo con la noción de que la elección no es libre. 
Imagine que la mayoría de ustedes cenará esta noche, pero son libres de optar 
por ir a la cama con el estomago vacío. Un ejemplo de semejante confusión es la doctrina de la responsabilidad atenuada: la idea de que no debe castigarse a una persona por acciones perpetradas bajo una tensión. Quizá sea más probable que alguien cometa un acto antisocial cuando se halla bajo una tensión, pero esto no significa que debamos incrementar la probabilidad de la comisión del acto, reduciendo el castigo. 
Es preciso mantener separados la investigación de las leyes fundamentales de la ciencia y el estudio del comporta-miento humano. Por las razones que he 
explicado, no es posible deducir la conducta humana de las leyes fundamentales. 
Cabe esperar que podamos emplear tanto la inteligencia como los poderes de 
reflexión lógica desarrollados a través de la selección natural. Por desgracia, la 
selección natural ha dado lugar a otras características, como la agresión, que 
debió proporcionar una ventaja para la supervivencia en la época de los trogloditas y aun en tiempos anteriores y, en consecuencia, habría sido favorecida por la selección natural, pero, el tremendo incremento de nuestros poderes de destrucción, logrado por la ciencia y la tecnología modernas, ha hecho de la agresión una cualidad muy peligrosa que amenaza la supervivencia de toda la especie humana. Lo malo es que nuestros instintos agresivos parecen estar codificados en el ADN. Por evolución biológica, el ADN sólo cambia en una escala de tiempo de millones de años, en cambio, nuestros poderes de destrucción aumentan en una escala de tiempo que, por lo que respecta a la evolución de información, es solo de veinte a treinta años. A menos que podamos emplear la inteligencia para dominar nuestra agresión, la especie humana no tendrá muchas posibilidades. Si conseguimos sobrevivir durante los próximos cien años, nos desperdigaremos por otros planetas y puede que por otras estrellas. Eso hará que sea mucho menos probable la extinción de toda la especie humana por obra de una calamidad, como una guerra nuclear. 
Recapitulando: me he referido a algunos de los problemas que se suscitan cuando uno cree que todo el universo se halla determinado. No importa mucho si este determinismo es debido a un Dios omnipotente o a las leyes de la ciencia. Claro esta que uno siempre podría decir que las leyes de la ciencia son la expresión de la voluntad de Dios. 
He considerado tres cuestiones. Primera: ¿Cómo puede determinar una simple 
serie de ecuaciones la complejidad del universo y todos sus detalles triviales? 
Alternativamente ¿Cabe creer en realidad que Dios decide todos los detalles 
triviales, como quien aparecerá en la portada de Cosmopolitan? La respuesta 
parece ser que el principio de indeterminación de la mecánica cuántica significa 
que no hay una sola historia del universo, sino toda una familia de historias 
posibles, que pueden ser semejantes en escalas muy grandes, pero diferirán de manera considerable en las escalas normales y cotidianas. Resulta que vivimos en una historia específica que posee ciertos detalles y propiedades. Pero existen seres inteligentes muy similares, viviendo en historias que difieren en quien ganó la guerra y quien figura a la cabeza de la lista de éxitos. Por consiguiente, los detalles triviales de nuestro universo surgen porque las leyes fundamentales incorporan la mecánica cuántica con su elemento de indeterminación o aleatoriedad. 
La segunda cuestión es: Si todo se halla determinado por alguna teoría 
fundamental, entonces lo que digamos acerca de la teoría también se halla 
determinado por ella misma; pero ¿por qué tendría que determinar que fuese 
cierto en vez de erróneo o irrelevante sencillamente? Mi respuesta consistió en 
recurrir a la teoría de la selección natural de Darwin. Solo cuentan con una 
probabilidad de sobrevivir y reproducirse aquellos individuos que extraigan las 
conclusiones adecuadas acerca del mundo que les rodea. 
La tercera cuestión es: ¿Qué queda del libre albedrío y de nuestra responsabilidad sobre las acciones realizadas, si todo se halla determinado? La única prueba objetiva de que un organismo posee libre albedrío es que no se pueda predecir su conducta. En el caso de los seres humanos, somos del todo incapaces de utilizar las leyes fundamentales para poder decir lo que harán las personas, por dos razones: Primero, no podemos resolver las ecuaciones dado el enorme número de partículas que intervienen. Segunda, aunque consiguiéramos resolverlas, el hecho de formular una predicción perturbaría el sistema y podría conducir a un resultado diferente. En consecuencia, y como no cabe predecir la conducta humana, muy bien podemos adoptar la teoría operativa de que los seres humanos son agentes libres capaces de elegir lo que hagan. Parece que existen ventajas definidas para la supervivencia en creer en el libre albedrío y en la responsabilidad sobre las propias acciones. Eso significa que tal creencia debe ser reforzada por la selección natural. Queda por ver si el sentido de responsabilidad transmitido por el lenguaje es suficiente para controlar el instinto de agresión transmitido por el ADN. 
En caso contrario, la especie humana constituirá uno de los callejones sin salida de la selección natural. Quizá alguna otra especie de seres inteligentes de la galaxia logre un equilibrio mejor entre responsabilidad y agresión. De ser así, podían haber establecido contacto con nosotros o al menos habríamos detectado sus señales de radio. Quizá son conscientes de nuestra existencia pero no quieren darse a conocer. Tal vez procedan cuerdamente, habida cuenta de nuestro historial. 
En resumen, el título de esta conferencia era una pregunta: ¿se halla todo 
determinado? La respuesta es sí, aunque muy bien puede suceder que no lo esté, porque nunca podremos saber que se determina. 

ENTRADAS SIMILARES

Sobre Física


Parte I


     La independencia de la velocidad del sistema fue descubierta por Galileo,
quien desarrolló las leyes del movimiento de objetos como granadas de artillería
o planetas. Pero se planteó un problema cuando algunos trataron de extender esta
independencia de la velocidad del observador a las leyes que gobiernan el
movimiento de la luz. En el siglo XVIII se descubrió que la luz no viaja
instantáneamente desde su fuente al observador, sino que, por el contrario, lleva
una velocidad determinada, unos 300.000 km/s. Pero ¿a qué se refería esta
velocidad? Parecía que tenía que existir un medio a través del espacio por el que
se desplazase la luz. A este medio se le llamo éter. La idea era que las ondas
luminosas se desplazaban por el éter a trescientos mil kilómetros por segundo, lo
que significaría que un observador en reposo con relación al éter mediría la
velocidad de la luz en unos 300.000 km/s, pero que otro que se desplazase por el
éter obtendría una velocidad superior o inferior. Más concretamente, se creía que
la velocidad de la luz cambiaria cuando la Tierra se desplazase por el éter en su
orbita alrededor del Sol. Pero un minucioso experimento efectuado por Michelson
y Morley en 1887, mostró que la velocidad de la luz era siempre la misma: Fuera
cual fuese la velocidad a la que se movía el observador, siempre hallaría que la
velocidad de la luz era de trescientos mil kilómetros por segundo.

     ¿Cómo podía ser cierto eso? ¿Cómo era posible que observadores que se
moviesen a velocidades diferentes obtuvieran igual medida de la velocidad de la
luz? La respuesta es que no podían, si eran verdaderas, nuestras ideas normales
acerca del espacio y del tiempo. Pero, en un famoso trabajo escrito en 1905,
Einstein señaló que tales observadores podrían obtener la misma medición de la
velocidad de la luz, si abandonaban el concepto de un tiempo universal. Cada uno
tendría, por el contrario, su propio tiempo, tal como lo mediría el reloj que llevase
consigo. El tiempo marcado por los diferentes relojes coincidiría casi exactamente
si su desplazamiento recíproco era lento, pero diferiría significativamente si era
medido por relojes distintos que se movieran a una velocidad elevada. Este
efecto ha sido realmente comprobado mediante la comparación de un reloj en
tierra con otro a bordo de un avión comercial; el reloj en vuelo es ligeramente más
lento que el reloj estacionario. En lo que ataña a las velocidades normales, las
diferencias entre los relojes son pequeñísimas. Uno tendría que dar cuatrocientos
millones de vueltas al mundo para añadir un segundo a su vida.
¿Cómo es posible que, teniendo cada uno su propio tiempo, obtengan la misma
velocidad de la luz quienes viajan a velocidades distintas? La velocidad de una
vibración luminosa equivale a la distancia que recorre entre dos acontecimientos,
dividida por el intervalo de tiempo entre ellos. (En este sentido, un acontecimiento
es algo que ocurre en un solo punto del espacio, en un punto especificado del
tiempo.) Los que se muevan a velocidades diferentes no coincidirán en la distancia
entre dos acontecimientos. Si mido, por ejemplo, el desplazamiento de un coche
por una carretera, puedo pensar que ha sido solo de un kilómetro; más, para
alguien en el Sol se habrá desplazado unos mil ochocientos kilómetros, porque la
Tierra se movió mientras el coche iba por la carretera. Como las personas que se
mueven a velocidades diferentes miden distancias diferentes entre
acontecimientos, han de medir también intervalos diferentes de tiempo para
coincidir respecto de la velocidad de la luz.

     La teoría especial de la relatividad combinaba el tiempo con el espacio, pero
espacio y tiempo seguían siendo un fondo fijo en el que sucedían acontecimientos.
Se podía optar por seguir diferentes trayectorias a través del espacio-tiempo, pero
nada de lo que se hiciera modificaría el fondo de espacio y de tiempo. Todo esto
cambio en 1915, cuando Einstein formuló la teoría general de la relatividad. Tuvo
la idea revolucionaria de que la gravedad no era simplemente una fuerza que
operase en un fondo fijo del espacio-tiempo. Por el contrario, la gravedad
constituía una distorsión del espacio-tiempo, causada por la masa y la energía que
hay allí. Objetos como granadas de cañón y planetas tratan de moverse en línea
recta a través del espacio-tiempo, pero como este es curvo en vez de plano, sus
trayectorias se comban. La Tierra trata de moverse en línea recta a través del
espacio-tiempo, pero la curvatura del espacio-tiempo producida por la masa del
Sol la obliga a girar alrededor de éste. De manera semejante, la luz trata de
desplazarse en línea recta, más la curvatura del espacio-tiempo cerca del Sol
obliga a curvarse a la que llega de estrellas lejanas, si pasa próxima al Sol.
Normalmente no es posible ver las estrellas del cielo que se encuentran casi en la
misma dirección que el Sol. Pero durante un eclipse, cuando la mayor parte de la
luz del sol queda bloqueada por la luna, se puede observar la luz de esas estrellas.
Einstein elaboró su teoría general de la relatividad durante la Primera Guerra Mundial,
cuando las condiciones no eran propicias para las observaciones científicas.
Pero inmediatamente después de la contienda una expedición británica observó el
eclipse de 1919 y confirmó la predicción de la relatividad general: el espacio-tiempo
no es plano, sino que esta curvado por la materia y la energía que contiene.

     Propiedad importante de la masa y de la energía es que son siempre positivas.
Esa es la razón de que la gravedad haga que los cuerpos se atraigan siempre
entre sí. Por ejemplo, la gravedad de la Tierra nos atrae hacia el planeta incluso
en lados opuestos del mundo. Por eso no se caen los habitantes de Australia. De
manera semejante, la gravedad del Sol mantiene a los planetas en órbita
alrededor de él e impide que la Tierra salga disparada hacia las tinieblas del
espacio interestelar. Según la relatividad general, el hecho de que la masa sea
siempre positiva significa que el espacio tiempo esta curvado hacia dentro, como
la superficie de la Tierra. Si la masa hubiese sido negativa, el espacio-tiempo se
habría curvado en el otro sentido, como la superficie de una silla de montar. Esta
curvatura positiva del espacio tiempo, que refleja el hecho de que la gravedad sea
atrayente, fue considerada por Einstein como un gran problema. Entonces se
creía, por lo general, que el universo se hallaba estático, pero ¿cómo era posible
que perdurase en un estado, más o menos igual al de ahora, si el espacio y, sobre
todo, el tiempo se curvaban sobre sí mismos?

     Las ecuaciones originales de la relatividad general de Einstein predecían que el
universo se expandía o se contraía. Por ese motivo, Einstein añadió un término
ulterior a las ecuaciones que relacionan la masa y la energía del universo con la
curvatura del espacio-tiempo, llamado "término cosmológico “que ejerce un efecto
gravitatorio repelente. Así, era posible equilibrar la atracción de la materia con la
repulsión del término cosmológico. En otras palabras, la curvatura negativa del
espacio-tiempo, originada por la masa y la energía del universo. De este modo
cabía obtener un modelo del universo que persistiera indefinidamente en el mismo
estado. De haberse aferrado a sus ecuaciones originales, sin el termino
cosmológico, Einstein habría llegado a predecir que el universo se expande o se
contrae. Pero, tal como fueron las cosas, a nadie se le ocurrió que el universo
cambiaba con el tiempo, hasta que en 1929 Edwin Hubble descubrió que se
alejaban de nosotros galaxias remotas. El universo se hallaba en expansión.
Einstein calificó más tarde a su término cosmológico como "el mayor error de mi vida".

     Pero, con o sin el término cosmológico, subsistía el problema de que la materia
determinaba la curvatura sobre sí mismo del espacio-tiempo, aunque
generalmente no se reconociese como tal, lo que significaba que la materia podía
combar sobre sí misma una región hasta el punto de que llegara en realidad a
aislarse del resto del universo. La región se convertiría en lo que se denomina un
agujero negro. Podrían caer objetos en los agujeros negros y nada escaparía de
allí. Para salir hubieran tenido que desplazarse a una velocidad superior a la de la
luz, lo cual no es posible por la teoría de la relatividad. De este modo, dentro del
agujero negro quedaría atrapada la materia, que se contraería hasta un estado
desconocido de elevadísima densidad.

     El hecho de que la teoría general de la relatividad de Einstein predijese así unas
singularidades, determinó una crisis en la física. Las ecuaciones de la relatividad
general, que relacionan la curvatura del espacio-tiempo con la distribución de la
masa y de la energía, no pueden definirse en una singularidad. Eso significa que
la relatividad general no es capaz de predecir lo que surge de una singularidad, en
especial, la relatividad general no puede indicar como tuvo que comenzar el
universo en el Big Bang; en consecuencia, la relatividad general no es una teoría
completa; precisa de un ingrediente adicional para determinar el modo en que
hubo de comenzar el universo y lo que ha de suceder cuando se contraiga la
materia bajo su propia gravedad.

     El ingrediente adicional necesario parece ser la mecánica cuántica. En 1905, el
mismo año en que redacto su trabajo sobre la teoría especial de la relatividad,
Einstein escribió sobre un fenómeno llamado el efecto fotoeléctrico. Se había
observado que cuando la luz incidía sobre ciertos metales se desprendían
partículas cargadas. Lo sorprendente era que si se reducía la intensidad de la luz
disminuía el número de partículas emitidas, pero la velocidad a la que se emitía
cada partícula seguía siendo la misma. Einstein demostró que esto podía
explicarse si la luz no llegaba en cantidades continuamente variables, como todo
el mundo había supuesto, sino sólo en paquetes de un cierto valor fijo. La idea de
que la luz solo llegase en conjuntos denominados cuantos había sido introducida,
pocos años antes, por el físico alemán Max Planck. Es algo así como decir que en
el supermercado uno no puede comprar azúcar suelto, sino sólo bolsas de kilo.
Planck utilizó la idea de los cuantos para explicar la razón por la que un pedazo de
metal al rojo vivo no desprende una cantidad infinita de calor; pero consideró los
cuantos simplemente como un recurso teórico, como algo que no se correspondía
con nada en la realidad física. El trabajo de Einstein demostró que era posible
observar directamente cuantos aislados. Cada partícula emitida correspondía a un
cuanto de luz que incidía sobre el metal. Todo el mundo reconoció que aquello
significaba una aportación valiosa a la teoría cuántica y por eso ganó el Premio
Nobel en 1922. (Debería haberlo conseguido por la relatividad general, pero por
entonces aún se consideraba bastante especulativa y controvertida la idea de que
se curvasen el espacio y el tiempo, así que lo galardonaron por el efecto fotoeléctrico,
lo cual no quiere decir que ese descubrimiento no mereciese por si solo el premio.)

     No se comprendieron plenamente las implicaciones del efecto fotoeléctrico era
1925, cuando Werner Heisenberg señaló que hacía imposible medir exactamente
la posición de una partícula. Para ver que es una partícula, hay que arrojar luz
sobre ella. Pero Einstein había demostrado que no se podía emplear un volumen
pequeñísimo de luz; había que utilizar al menos un conjunto o cuanto. Ese
conjunto de luz alteraría la partícula y la obligaría a moverse a una cierta velocidad
en alguna dirección. Cuanto más exactamente deseara uno medir la posición de
una partícula, mayor seria la energía del conjunto que tendría que utilizar y más
perturbaría así a la partícula. Por mucho que se tratase de medir la partícula, la
indeterminación de su posición multiplicada por la indeterminación de su velocidad
seria siempre mayor de un cierto valor mínimo.

     El principio de indeterminación de Heisenberg demostró que no es posible medir
exactamente el estado de un sistema, así que no se puede predecir con precisión
lo que éste hará en el futuro. Todo lo que cabe hacer es predecir las
probabilidades de diferentes resultados. Era este elemento de azar o aleatoriedad
lo que tanto inquietaba a Einstein. Se negó a admitir que las leyes físicas no
pudieran formular una predicción tajante y definida de lo que sucedería. Pero sea
cual fuera la forma en que uno lo exprese, todos los testimonios indican que el
fenómeno cuántico y el principio de indeterminación son inevitables y se dan en
cada rama de la física.

     Los problemas de Einstein con la mecánica cuántica y el principio de
indeterminación se debieron, en parte, a haber empleado la noción corriente y
ordinaria, según la cual un sistema posee una historia definida. Una partícula se
encuentra en un lugar o en otro; no puede estar a medias en uno y a medias en
otro. De manera semejante, un acontecimiento como la llegada de astronautas a
la Luna o se ha producido o no ha tenido lugar. No puede haberse producido a
medias. Es como el hecho de que ninguna persona puede estar un poco muerta o
un poco embarazada. O lo está o no lo está. Pero si un sistema posee una sola
historia definida, el principio de indeterminación conduce a todo género de
paradojas, como que las partículas estén en dos sitios al mismo tiempo o que los
astronautas solo medio lleguen a la Luna.

     El físico norteamericano Richard Feynman expuso un medio ingenioso para
sustraerse a esas paradojas que tanto habían inquietado a Einstein. Feynman
cobró fama en 1948 por su trabajo sobre la teoría cuántica de la luz. En 1965
recibió el Premio Nobel junto a otro norteamericano, Julian Schwinger, y el
japonés Shinichiro Tomonaga. Era un físico de cuerpo entero, de la misma
tradición que Einstein. Odiaba la pompa y la bambolla y dimitió a la Academia
Nacional de Ciencias, cuando descubrió que allí invertían la mayor parte del
tiempo en decidir a qué otros científicos deberían admitir en la entidad. A Feynman,
que murió en 1988, se le recuerda por sus numerosas aportaciones a la física teórica.
Una de estas fueron los diagramas que llevan su nombre y que constituyen la base de
casi todos los cálculos en la física de partículas. Contribución todavía más importante
fue su concepto de la suma de historias. La idea era que un sistema no tiene en el
espacio-tiempo una sola historia, como supondría normalmente una teoría clásica no cuántica.
Posee más bien toda historia posible. Consideremos, por ejemplo, el caso de una partícula que
está en un punto A en un momento preciso. Por lo común cabría suponer que esa partícula se alejaría de A en línea recta. Pero, según la suma de historias, puede moverse por cualquier trayectoria que empiece en A. Es como lo que sucede cuando se deja caer una gota  de tinta en un pedazo de papel secante; las partículas de tinta se difundirán por el secante por cualquier trayectoria posible, y aunque se recorte el papel, bloqueando la línea recta entre dos puntos, la tinta rodeara el obstáculo.

     Asociado a cada trayectoria o historia de la partícula existirá un número que
depende de la forma de la trayectoria. La probabilidad de que la partícula viaje de
A a B viene expresada por la suma de los números asociados con todas las
trayectorias que siga la partícula de A a B. En la mayoría de las trayectorias, el
número asociado con la trayectoria anulara casi todos los números delas
trayectorias próximas. Representarán así una escasa contribución a la
probabilidad de que la partícula vaya de A a B, pero a los números delas
trayectorias rectas se sumaran los de las trayectorias que son casi rectas. De este
modo, la aportación principal a la probabilidad procederá de trayectorias rectas o
casi rectas. Esa es la razón de que parezca casi recto el rastro de una partícula
cuando atraviesa una cámara de burbujas, pero si en el camino de la partícula se
coloca una especie de barrera con una ranura, puede que las trayectorias se
diversifiquen más allá de la ranura y que sea elevada la probabilidad de hallar a la
partícula lejos de la línea recta.

     La predicción de radiación de los agujeros negros fue el primer resultado no trivial
de la combinación de la relatividad general de Einstein con el principio cuántico.
Demostró que el colapso gravitatorio no era un callejón sin salida como parecía
ser. Las partículas de un agujero negro no tienen por qué tener un final de sus
historias en una singularidad. De hecho, pueden escapar del agujero negro y
proseguir más allá sus historias. Tal vez el principio cuántico signifique que
también uno es capaz de sustraerse a las historias contando con un comienzo en
el tiempo, un punto de creación, en el Big Bang.

     Hubo un periodo en que se consideraba obvio que la Tierra era plana y que el Sol
giraba alrededor de ella, y sin embargo, desde la época de Copérnico y Galileo,
tuvimos que acomodarnos a la idea de que la Tierra era redonda y gira alrededor
del Sol. De modo semejante parecía obvio que el tiempo transcurría al mismo ritmo
para cualquier observador, sin embargo, desde Einstein hemos tenido que aceptar
que el tiempo pasa a ritmos diferentes para distintos observadores. También resultaba
obvio que el universo poseía una historia singular, pero desde el descubrimiento de la
mecánica cuántica hemos tenido que considerar al universo como poseedor de todas las
historias posibles. Creo que habremos de admitir la idea del tiempo imaginario.
Representa un salto intelectual del mismo orden que creer que el mundo es
redondo. Pienso que el tiempo imaginario acabara por parecernos tan natural
como ahora la redondez de la Tierra. En el mundo instruido no quedan muchos
que crean en un mundo plano. Cabe concebir el tiempo ordinario y real como una
línea horizontal que va de izquierda a derecha. El tiempo previo está a la izquierda y
el ulterior a la derecha. Pero también es posible considerar otra dirección del tiempo,
arriba y abajo de la página. Esta es la llamada dirección imaginaria del tiempo, en ángulo
recto con el tiempo real.

     La dificultad se suscita porque implícitamente emplean un concepto clásico de la
realidad en donde un objeto posee una concreta historia singular. Toda la cuestión
de la mecánica cuántica estriba en que tiene una visión diferente de la realidad.
En esta concepción, un objeto no posee simplemente una sola historia sino todas las
historias posibles. En la mayoría de los casos, la probabilidad de poseer una
determinada historia eliminará la probabilidad de tener una historia ligeramente
diferente; pero en ciertos casos, las probabilidades de historias próximas se
refuerzan entre sí. Una de esas historias reforzadas es la que observamos como
historia del objeto.

     Según una versión del principio antrópico,
hay un enorme número de universos distintos y separados, con valores diferentes
de los parámetros físicos y condiciones iniciales distintas. La mayoría de tales
universos no proporcionarán las condiciones adecuadas para el desarrollo de las
complejas estructuras que requiere la vida inteligente. Solo en un pequeño
número, con condiciones y parámetros como los de nuestro propio universo, será
posible para la vida inteligente desarrollarse y cuestionarse "¿por qué el universo
es como lo observamos?". La respuesta, naturalmente, es que si fuera diferente,
no habría ningún ser que pudiera cuestionarse tal interrogante.

Parte II


     El postulado básico de la teoría cuántica es el principio de
indeterminación de Heisenberg, que declara que ciertos pares de cantidades,
como la posición y el momento de una partícula, no pueden ser medidos
simultáneamente con una precisión arbitraria. En el caso del átomo, esto significa
que en su estado energético más bajo, el electrón no podría hallarse en reposo en
el núcleo, porque, entonces, su posición quedaría exactamente definida (en el
núcleo) y su velocidad también se hallaría exactamente definida (sería cero). Por
el contrario, tanto la posición como la velocidad se situarían dentro de cierta
distribución de probabilidades en torno del núcleo. En tal estado, el electrón no
podría irradiar energía en forma de ondas electromagnéticas, porque carecería de
un estado energético inferior al que pasar.


     Las partículas de materia son descritas por campos de
espín 1/2 y obedecen el principio de exclusión de Pauli, que impide que en una
posición haya más de una partícula de un tipo determinado. Esta es la razón de
que tengamos cuerpos sólidos que no se contraigan hasta formar un punto o que
se difundan hasta el infinito. Los principios de la materia se hallan divididos en dos
grupos: los hadrones, compuestos de quarks, y los leptones, que integran el resto.

     Las interacciones se dividen fenomenológicamente en cuatro categorías. Por
orden de energía, figuran las fuerzas nucleares intensas, que solo interactúan con
hadrones; el electromagnetismo, que interactúa con hadrones y leptones
cargados; las fuerzas nucleares débiles, que interactúan con todos los hadrones y
leptones, y, finalmente, la más débil con mucho, la gravedad, que interactúa con
todo. Las interacciones están representadas por campos de espín entero que no
obedecen al principio de exclusión de Pauli. Eso quiere decir que pueden tener
muchas partículas en la misma posición. En el caso del electromagnetismo y de la
gravedad, las interacciones son también de largo alcance, lo que significa que los
campos producidos por un gran número de partículas de materia pueden sumarse
hasta constituir un campo susceptible de detección en una escala macroscópica.


     En 1971, Gerad't Hooft mostró que un modelo unificado de las
interacciones electromagnéticas y débiles, propuesto previamente por Abdus
Salam y Steven Weinberg, era, desde luego, renormalizable con solo un número
finito de sustracciones infinitas. En la teoría de Salam-Weinberg, al fotón; la
partícula de espín-1 que efectúa la interacción electromagnética, se unen otras de
espín-1 denominadas W+, W y Z°. Se estima que, con energías muy altas, estas
cuatro partículas tendrán un comportamiento muy similar. Pero con energías más
bajas se recurre a un fenómeno llamado "ruptura espontánea de la simetría" para
explicar el hecho de que el fotón tenga masa cero en reposo mientras que W+, W
y Z° son muy masivas.

     El éxito de la teoría de Salam-Weinberg condujo a la búsqueda de una teoría
renormalizable similar de las interacciones fuertes. Se comprendió bastante pronto
que el protón y otros hadrones como el mesón pi no podían ser verdaderamente
partículas elementales, sino que tenían que constituir estados ligados de otras
partículas denominadas quarks, pues parecen poseer la curiosa propiedad de que,
aun siendo capaces de desplazarse libremente en el seno de un hadrón, resulta
imposible aislar un quark, que siempre se presentan en grupos de tres (como el
protón o el neutrón) o en pares constituidos por un quark y un antiquark (como el
mesón pi). Para explicar esto se atribuyó a los quarks una propiedad llamada
color. Ha de subrayarse que no tiene nada en común con nuestra percepción
normal del color; los quark son demasiado pequeños para que se les pueda
distinguir a la luz visible. Se trata simplemente de un nombre de conveniencia. La
idea es que los quarks se presentan en tres colores: rojo, verde y azul; pero que
cualquier estado ligado como un hadrón tiene que ser incoloro, bien una
combinación de rojo, verde y azul, como el protón, o en una mezcla de rojo y
antirrojo, verde y antiverde y azul y antiazul, como el mesón pi.
Se supone que las interacciones fuertes entre los quarks son efectuadas por
partículas de espín -1 llamadas gluones, en lugar de las partículas que efectúan la
interacción débil. Los gluones también poseen color, y estos y los quarks
obedecen a una teoría renormalizable denominada de la cromodinámica cuántica
o QCD 1. Una consecuencia del procedimiento de la renormalización es que la
constante de acoplamiento eficaz de la teoría depende de la energía a la que se
mida y disminuye hasta llegar a cero con energías muy elevadas. Este fenómeno
recibe el nombre de libertad asintótica. Significa que, en el seno de un hadrón, los
quarks se comportan casi como partículas libres en colisiones de energía muy
grande, de modo que sus perturbaciones pueden ser consideradas con éxito
conforme a la teoría de la perturbación. Las predicciones de la teoría de la
perturbación presentan una razonable coincidencia cualitativa con la observación,
pero en realidad no cabe afirmar que la teoría haya quedado comprobada
experimentalmente. Con energías bajas la constante de acoplamiento eficiente se
hace muy grande y falla la teoría de la perturbación. Hay que confiar en que esta
"esclavitud del infrarrojo" explicara por qué los quarks se hallan siempre
confinados a estados límite incoloros, pero hasta ahora nadie ha sido capaz de
demostrarlo de un modo convincente.


____

BIBLIOGRAFÍA:

Agujeros Negros y Pequeños y Universos, Stephen Hawking (1993).

ENTRADAS SIMILARES

Suscribirse a: Entradas (Atom)