Artículo publicado por el profesor
Manuel Carreira el 5 de abril de 2010
en la revista
Tenencias 21 www.tendencias21.com TENDENCIAS DE LAS RELIGIONES
El libro de Smolin "The Trouble with Physics"
nos da un juicio crítico que muestra que -muy probablemente-
"El Emperador está desnudo". Y el autor
insiste sobre la necesidad de enfrentarse con las ideas
más básicas con un nuevo punto de vista que
aclare los conceptos más profundos -comunes a la
Relatividad y a la Mecánica Cuántica- que
constituyen el marco de espacio y tiempo. Por Manuel Carreira.
Portada
del libro de Lee Smolin.
He leído el libro de Lee Smolin "The Trouble
with Physics" (El Problema de la
Física) con una sensación de alivio.
Un experto muy reconocido en los campos más avanzados
y "de moda" en la Física actual reconoce
que no se encuentra a gusto con muchas construcciones teóricas
que yo no entiendo. He pensado que puedo atreverme a expresar
mis desconfianzas -o ignorancia- al intentar que tengan
sentido algunos puntos que me inquietan aun en teorías
físicas y conceptos que se consideran bien establecidos.
Recuerdo
que hace casi 30 años, hojeaba un número reciente
de Physics Today y encontré una recensión
de un libro que atrajo mi atención: era acerca de
Superstrings (Supercuerdas) El comentario comenzaba diciendo:
"Este libro sobre Supercuerdas tiene 1.000 páginas.
En un espacio tan limitado no puede presentarse adecuadamente
esa teoría". Mi reacción fue: Si se puede
explicar básicamente en 100 páginas, y hay
una razón concreta para pensar que es aplicable al
mundo real, me interesará. Si no, no.
Desde
entonces he estado a la espera de que alguien proponga simplemente
alguna posible comprobación experimental que permita
saber si la teoría es una nueva síntesis maravillosa
o sólo un impresionante castillo de naipes matemático.
El libro de Smolin nos da un juicio crítico que muestra
que -muy probablemente- "El Emperador está desnudo".
Y el autor insiste sobre la necesidad de enfrentarse con
las ideas más básicas con un nuevo punto de
vista que aclare los conceptos más profundos -comunes
a la Relatividad y a la Mecánica Cuántica-
que constituyen el marco de espacio y tiempo.
De
las grandes ideas físicas del siglo XX, la Relatividad
es, sin duda, la primera en desafiar nuestro "sentido
común". Y no siempre por lo que realmente dice,
sino por el modo de exponer sus consecuencias, olvidándose
a veces de su ámbito de aplicabilidad. Y el mismo
Einstein dio lugar a esos malentendidos en varias ocasiones.
Relatividad
especial o restringida
Empecemos
por las ideas básicas de la Relatividad Especial,
o Restringida. Comienza -sin una referencia clara al experimento
de Michelson y Morley- con un postulado (no una demostración)
de que la velocidad de la luz en el vacío dará
siempre el mismo valor para cualquier observador que la
mida, sea cual sea su estado de reposo o movimiento uniforme
(no se pueden tratar las aceleraciones). Y ese valor C,
constituye un límite físico de cualquier velocidad
medida en cualquier situación, y también de
la velocidad que una masa real puede alcanzar, sea cual
sea la fuerza que se aplica a un móvil.
Pero
porque solamente se pueden tratar movimientos relativos
y no hay modo físico alguno de distinguir el movimiento
uniforme del reposo, es arbitrario el elegir el sistema
de referencia. Todos los fenómenos deben ser observados
igualmente -por quienquiera que se considera en reposo-
en el sistema que se observa moviéndose con respecto
a él. NO hay efectos físicos ni en uno ni
en otro por el hecho de que haya esos movimientos relativos.
Recordemos
esto sin caer en un modo de pensar "realista":
solamente se trata de explicar cómo las medidas se
ven afectadas por hacerse en reposo o en un sistema en movimiento.
Obviamente, si varios observadores con distintos movimientos
con respecto a un sistema concreto, comparan sus medidas,
no estarán de acuerdo, pero lo que ocurre no puede
ser distinto porque unos observadores pasen frente a ese
sistema.
Apliquemos
esto a las medidas de distancia o tamaño. Toda longitud
se verá contraída en la dirección del
movimiento. Si dos automóviles, cada uno de tres
metros de largo (medidos por el conductor) se cruzan a una
velocidad suficiente, cada conductor verá al otro
automóvil como de 2 m de largo, por ejemplo. Ninguno
se ha comprimido en realidad: Si entre dos electrodos saltará
una chispa sólo cuando se encuentren a 2 mm. de distancia,
cuando su separación medida en el automóvil
es 3 mm., no verá ningún observador que salta
la chispa.
Y
si hay un bache de 2.5 m (medidos en reposo) ni uno ni otro
automóvil puede caer enteramente en ese hueco. Si
yo estoy en tierra firme, viendo ese bache, puedo pensar
que el automóvil (que veo como de 2 m) caerá,
pero al ver que eso no ocurre, me doy cuenta de que mi medida
de longitud del móvil no puede compararse lógicamente
con la medida del bache inmóvil. No hay una contradicción
a nivel físico, sino una situación inadecuada
para comparar tamaños.
Se
dice luego que por ser C la velocidad límite, según
un móvil se acerca a ella, su masa inerte aumenta
sin límite y que todas las medidas que indiquen masa
mostrarán ese aumento. Pero la masa gravitatoria
se considera idéntica a la masa inerte. Por tanto,
una masa que descansa sobre algo frágil (por ejemplo,
una caja metálica pesada sobre tres huevos frescos)
ejerce más presión, y con suficiente velocidad,
debe aplastar los huevos según juzgará un
observador externo, cosa que no verá quien va junto
al sistema en movimiento, o con una velocidad relativa mucho
menor. Como no es posible decidir quién es el observador
privilegiado, debemos aceptar que no hay efectos físicos
atribuibles a tal movimiento: ¡no aumenta la masa!
Y no podré decir por observación alguna que
ha aumentado.
La
fuente de la paradoja se encuentra en salirnos de la Relatividad
Restringida: no es posible hablar de aumento de masa mientras
el movimiento sea uniforme. Solamente en una aceleración
se da esa reacción que impide alcanzar la velocidad
de la luz: la energía comunicada al móvil
al acelerarlo se utiliza más y más para aumentar
la masa inerte, no la velocidad, porque la energía
tiene una masa equivalente y así el móvil
realmente tiene más masa cada vez y nunca alcanza
la velocidad de la luz. Por eso vemos en un acelerador de
partículas a un electrón impactar a un blanco
con masa mil veces mayor que en reposo.
Algo
parecido ocurre con las medidas de tiempo. El movimiento
de un péndulo en el sistema en reposo se observa
como más rápido que en el sistema en movimiento.
Pero como es arbitrario el elegir cuál es el sistema
que se mueve, los efectos son perfectamente recíprocos
mientras no haya aceleraciones que permitan comparar relojes
en el mismo estado de reposo o movimiento. Considero un
error pedagógico el mencionar la "paradoja de
los gemelos" cuando se habla de la Relatividad restringida,
y el mismo Einstein tuvo inmediatamente que subrayar que
no hay paralelismo entre el astronauta que va en un cohete
-con aceleración- y el que se queda en tierra.
Sin
embargo, también en la Relatividad Generalizada es
esto cuestionable. La base lógica de la teoría
es la perfecta equivalencia entre aceleraciones mecánicas
y gravitatorias: un astronauta en una cápsula espacial
se siente pesado contra el suelo tanto por estar en un campo
gravitatorio como porque su motor le acelera adecuadamente.
Por tanto, si el astronauta va a una aceleración
constante de una g mientras su hermano gemelo queda en tierra,
ambos han estado todo el tiempo bajo idéntica aceleración,
y deben envejecer al mismo ritmo. Ni vale decir que el astronauta
ha tenido que cambiar de dirección para regresar
a la Tierra: ha podido hacerlo con una órbita alrededor
de otro astro, que no parece muy distinto de estar en órbita
alrededor del Sol.
El
hecho bien comprobado de que partículas elementales
"viven" más tiempo aceleradas que en reposo
(por ejemplo los muones de rayos cósmicos secundarios
o en un acelerador de partículas) puede atribuirse
a la masa adicional que adquieren en el proceso. O ¿tal
vez? pueda atribuirse su longevidad al ritmo de cambio de
la aceleración, la tercera derivada del espacio.
Una aceleración casi instantánea, que comunica
energía suficiente para aumentar enormemente la masa
(aun gravitatoria) podría tener el efecto de casi
paralizar cualquier actividad física.
De
ser eso plausible (aunque no lo he visto mencionado nunca)
se podría aceptar el envejecimiento más lento
del astronauta, con respecto a su hermano en tierra, si
las aceleraciones (en valor absoluto) del viajero son más
variables que el valor constante de g de la Tierra. Pero
lo único que se menciona como importante es la velocidad
alcanzada, que no puede causar efectos físicos, sino
sólo recíprocos de medida.
La
constancia de C, la velocidad de la luz en el vacío,
no implica su invariabilidad en la historia cósmica:
cuando Einstein tomó tal constancia como punto de
partida, nadie pensaba en un Universo evolutivo (Einstein
no quería admitirlo) sino sólo en efectos
de observar en reposo o en movimiento relativo y uniforme.
Pero si el vacío físico tiene propiedades
geométricas (que se modifican por la presencia de
masa) que cambian con la expansión desde el Big Bang,
también tiene propiedades electromagnéticas
(la constante dieléctrica ? y la permeabilidad magnética
?) que determinan la velocidad de la luz (1/???). Parece
lógico que éstas cambien también con
la expansión, dando lugar a cambios en el valor de
C a lo largo de la historia cósmica.
Un
universo de materia y gravitación
Esto
obligaría a calcular de nuevo edades y distancias
que se obtienen a partir de observaciones de fenómenos
conocidos por su radiación electromagnética.
Recordemos que el vacío físico es parte del
mundo de la materia, y sus propiedades deben ser muy diversas
cuando hablamos del tiempo de Planck -todo el espacio en
menos de una trillonésima de trillonésima
de milímetro- y cuando ahora el radio observable
es de miles de millones de años-luz. Y si la velocidad
de la luz era mucho mayor cuando el volumen de espacio era
muy inferior, es posible explicar la uniformidad cósmica
sin recurrir a una inflación sin pruebas, que presupone
teorías de unificación de fuerzas también
sin prueba experimental hasta el presente.
Magueijo
ha sugerido esa situación, aunque no he visto que
proponga una razón física de la variabilidad.
Si el cambio era especialmente intenso antes de formarse
galaxias el límite impuesto en la variación
de la constante de estructura fina (que se deduce de las
frecuencias observadas en la luz de objetos lejanos) podría
todavía mantenerse. Por otra parte, también
el valor de la constante de Planck podría depender
de las propiedades del vacío, con la posibilidad
de mantener el valor de 1/137.
La
nueva idea de Einstein, que explica la gravitación
en términos de curvatura espacial, exige aceptar
que el espacio tri-dimensional se deforma hacia una cuarta
dimensión también espacial, aunque siguen
escribiéndose textos y artículos que niegan
que en nuestro Universo haya más de tres dimensiones
espaciales y afirman que la cuarta es el tiempo. En la Relatividad
Restringida se utilizan 4 variables: x, y, z, ict. Todas
tienen dimensiones de longitud (ct es distancia) pero la
coordenada final es distancia imaginaria, no tiempo. Y el
espacio-tiempo es pasivo, Euclídeo, sin interacción
con el contenido de masas del universo.
Cuando
en la Relatividad Generalizada se introduce el efecto distorsionador
de la masa, ésta produce una curvatura positiva,
que explica -por ejemplo- las órbitas, aun alrededor
de masas muy pequeñas (como la Luna). La distorsión
del espacio explica también la precesión de
la órbita de Mercurio y de otros planetas: no siguen
la "curva cerrada y plana" exigida por Kepler
y las fórmulas de Newton. Pero el espacio tridimensional
no puede distorsionarse hacia mañana.
La
objeción típica (que con más de tres
dimensiones espaciales las órbitas no serían
estables) es correcta, pero el hecho es que las órbitas
NO son estables a largo plazo: por pérdida de energía
como radiación gravitatoria, todos los cuerpos en
órbita terminarán fundiéndose con su
cuerpo central. Esto se ha comprobado ya en un pulsar doble.
Parece
ilógico decir luego que si la densidad del Universo
es menor que un valor concreto, su curvatura será
negativa. ¿Por qué? Si en ausencia de masa
el espacio es Euclídeo, el efecto de masa puede ser
mínimo, tal vez indistinguible de un espacio plano
dentro del ámbito de nuestras medidas, pero no veo
razón física de que sea nunca negativo. Por
tanto, al hablar de la expansión futura del Universo,
debo simplemente proponer como alternativas su expansión
indefinida o una contracción que no tiene apoyo en
medida alguna de densidad real.
También
es consecuencia de la Relatividad el aceptar la conversión
de masa en energía, y viceversa, de tal modo que
la ley más básica de conservación se
afirma del total masa-energía en cualquier forma.
Sin embargo, es común suponer que la preponderancia
actual de materia sobre anti-materia se explica aceptando
que el Universo comenzó siendo pura energía,
de la cual se sintetizaron partículas y anti-partículas.
Estas
luego se destruyeron mutuamente para dar de nuevo energía,
excepto por una partícula sobrante por cada 100 millones
de pares (gracias a una peculiar "debilidad" de
la fuerza nuclear débil, que favorece en esa proporción
mínima a la materia sobre la anti-materia) Así
se justifica el que hoy haya 100 millones de fotones cósmicos
por cada partícula con masa.
Aplicando
la ley de conservación, es necesario aceptar entonces
que hay cien millones de veces más masa equivalente
en forma de radiación que en forma de partículas
elementales. Nadie parece mencionar esto, y he encontrado
reacciones totalmente drásticas -aun de poner en
duda la ley de conservación- cuando lo he mencionado
a cosmólogos actuales.
Se
me objeta que la radiación ha perdido energía
por efecto de la expansión cósmica. ¿A
dónde ha ido esa energía? Y si el Universo
la contiene, ¿no influye en su curvatura? Parece
por lo menos igualmente aceptable que el Universo ya comience
con sólo materia, y que los fotones de la radiación
de fondo (que tiene el espectro perfecto de un cuerpo negro)
se deban a la alta temperatura de esa materia primitiva.
Si
esto parece "arbitrario" no lo es tanto como el
esquema de pura energía original, con una fuerza
débil extraña o que postula una inflación
primitiva con un campo "inflatón" que supone
una teoría de Unificación que de hecho no
existe. Y que llega a la predicción fantástica
de infinitos universos (de los cuales uno está ¡a
una décima de milímetro del nuestro!). Si
no tenemos un estado previo del cual deducir consecuencias,
cualquier conjunto de condiciones iniciales puede considerarse
igualmente arbitrario. Pero no debemos aceptar que se deroga
la ley de conservación ni caer en elucubraciones
de ciencia ficción en gran escala.
Lee
Smolin en una conferencia pronunciada en Canadá.
Foto: Motionblur. Flickr.
Mecánica
cuántica
Einstein
contribuyó también a la Mecánica Cuántica
ya con la idea del fotón como partícula de
luz. Una y otra vez veo en libros de Física que el
fotón virtual, que no es luz, es el portador de la
fuerza electromagnética: un bosón de masa
cero y espín 1. Y se me dice que se ha detectado
experimentalmente, lo mismo que los electrones y neutrinos
y quarks. ¿Quién lo ha detectado? ¿Cuándo
y cómo? ¿Deja un trazo en algún aparato?
¿Por qué parece identificarse -verbalmente-
con el fotón de luz que no produce atracción
ni repulsión sobre cargas?
Se
dice también que la unificación de fuerzas
ya incorpora la fuerza nuclear fuerte (no es así
en el libro de Smolin, p. 11). Tal unificación es
necesaria para la inflación, y el desacoplarse la
fuerza nuclear fuerte sería la causa de la tremenda
energía que debió aumentar el radio del Universo
por un factor de 1050 en menos de una billonésima
de billonésima de segundo.
Es
verdad que no todos los físicos afirman explícitamente
esa Gran Unificación, y no he podido encontrar referencia
alguna al autor de tal síntesis ni se menciona que
haya sido reconocida con un Premio Nobel. Mientras tanto
es universal la queja de que la Física teórica
no logra compaginar la Relatividad General y la Mecánica
Cuántica en una Teoría del Todo (TOE) aun
después de 30 años de esfuerzos de los mejores
físicos del mundo.
Finalmente,
el problema más profundo tal vez sea que, en palabras
de Einstein, "sólo movimientos relativos tienen
efectos físicos (observables)" de modo que "más
brevemente, pero con menor precisión, se puede decir
que no hay movimientos absolutos". Es una afirmación
de aplicación universal que todo cambio relativo
presupone un cambio absoluto: si nada real cambia en los
términos de una relación (sea cualitativa
o cuantitativa) la relación lógicamente no
puede cambiar: a/b = c no puede cambiar si no cambian en
nada lo que son a o b o ambas. Que el cambio sea indetectable
en sí mismo, y sólo se observen sus efectos,
no invalida el raciocinio.
Tenemos
que confrontar el problema que la Filosofía de la
Naturaleza ha intentado resolver durante más de dos
milenios: cuál es la base objetiva de que percibamos
diversas localizaciones en nuestro entorno, que siempre
se observa con posiciones espaciales. No se trata de describir
esas posiciones (obviamente se hace con respecto a sistemas
de referencia) sino del hecho innegable de que las cosas
están en diversos sitios, tanto si los describimos
como si no. Esto no lo resuelve la Relatividad. Es extraño
que hablemos constantemente de relaciones de distancia para
objetos en diversos lugares: o caemos en un círculo
vicioso o en una cadena infinita de referencias.
La
localización se debería a relaciones con objetos
circundantes, que a su vez se localizan por otras relaciones,
y así indefinidamente. Se habla de un mundo en el
que todo se mueve con respecto a otras cosas, cambiando
sus relaciones, pero sin que haya un cambio real en cosa
alguna.
Es
interesante que Einstein deseaba incorporar el Principio
de Mach (sistema de referencia absoluto en las grandes estructuras
cósmicas) pero no logró hacerlo: no pudo establecer
un marco universal para todo movimiento. Y, sin embargo,
una esfera que gira se deforma, y este hecho físico
no depende de sistemas de referencia. En cierto sentido,
ese movimiento es absoluto: ocurre realmente en el cuerpo
que gira, sea observado o no, y necesitamos explicar por
qué se da ese efecto.
Algo
semejante debe decirse de las relaciones temporales. "Antes"
y "después" no son simplemente ideas nuestras
en el sentido Kantiano (una forma innata de organizar nuestras
percepciones) ni puede atribuirse su distinción a
las posibles relaciones causales dentro del diagrama del
cono de luz. La posibilidad de actividad causal presupone
la existencia previa de la causa: ciertamente no la produce.
Una vez más debemos preguntarnos "¿qué
hay en el mundo físico que corresponde a nuestra
percepción inevitable de diferencias temporales?"
El que aceptamos como real la evolución cosmológica
sin observadores primitivos claramente exige una razón
independiente de ellos para explicar el tiempo.
La
naturaleza experimental de la ciencia física
He
intentado pensar en términos físicos sobre
algunos puntos en que siento que muchos autores parecen
preocuparse solamente de salvar y desarrollar el formalismo
matemático de una teoría ya establecida (incluso
con datos experimentales). Confío en que imito en
algo a Einstein con esta actitud: él siempre comenzó
aceptando el mundo como una realidad objetiva, en que las
cosas hacen lo que hacen porque son lo que son, no porque
nuestra matemática imponga su comportamiento.
Necesitamos
la matemática para hablar de relaciones cuantitativas,
y admiro -con un verdadero sentido de inferioridad- a los
que destacan en las fronteras más avanzadas de Teoría
de Grupos, Supercuerdas y otros avances que nunca pude estudiar.
Pero todavía puedo preguntar qué significado
físico se expresa con cada concepto, y no aceptaré
que se me responda con un "porque sí" aunque
se disfrace con nombres como "azar" o "rotura
espontánea de la simetría".
El
azar no puede medirse en ningún laboratorio ni introducirse
en una ecuación, aunque a veces se quiere identificar
con una probabilidad que no tiene causa conocida. Y cualquier
"espontaneidad" tiene que terminar siendo una
vez más puro azar o aceptando algún tipo de
libre albedrío en la materia, en todos sus niveles.
La
ciencia es algo maravillosos, pero está limitada
por su metodología: sólo puede hablar de lo
que puede medir, y ninguna teoría se considera ciencia
si no hay una prueba experimental. Con palabras de John
A. Wheeler, la pregunta más importante es "¿Por
qué hay algo en lugar de nada?". Y la segunda,
"¿Por qué ese algo tiene las propiedades
que tiene?" (The Universe as Home for Man, American
Scientist, Nov-Dec 1974).
Por
nuestro estudio del Universo no podemos sino tratar de entender
el "cómo" y algún "por qué"
limitado: Cómo comenzó el Universo, cómo
ha evolucionado, cómo actúan las fuerzas,
cómo producen energía las estrellas, cómo
se forman moléculas, por qué es tan duro el
diamante, por qué el hielo es menos denso que el
agua líquida… pero las preguntas más
básicas no pueden responderse en un laboratorio,
y recurrir a universos múltiples inobservables para
evitar los problemas del único que podemos estudiar
es únicamente ciencia ficción.
Si
en algo he interpretado mal las ideas o los datos experimentales,
agradeceré se me indique dónde están
los errores. Siempre me ha interesado la Física,
pero también he pensado mucho acerca de la Metafísica
de la Materia, que enseñé durante más
de 30 años después de obtener mi doctorado
en Astrofísica (con el Dr. Cowan, famoso por el descubrimiento
del neutrino). Entonces no solamente las teorías
mencionadas como nuevas -de grupos y de Supercuerdas- no
podían preverse: muchos de sus autores no habían
nacido todavía.
A
partir de entonces he intentado mantenerme en contacto con
nuevas ideas de Física, mientras desarrollaba mis
clases de Filosofía de la Naturaleza, no buscando
soluciones en fórmulas, sino en conceptos aplicables
a la realidad. Puedo pedir que se me tolere con paciencia
si parece que soy alguien demasiado anticuado: todavía
deseo aprender, y me da cierto consuelo el saber que Einstein
mismo, en el período final de su vida, ya era dejado
a un lado por no estar "al día" de las
corrientes que parecían más prometedoras.
Manuel Carreira es Profesor de la Universidad
John Carrol de Cleveland, Estados Unidos, y de la Universidad
Comillas, Madrid, así como investigador en el Observatorio
Vaticano.
Lunes
5 Abril 2010
