11 octubre, 2010

Hawking, Dios, filosofía y la Teoría-M

Hawking, Dios, filosofía y la Teoría-M: "

Por fin terminé el libro “The Grand Design” de Stephen Hawking en el que –al contrario de lo que se afirmó en algunos medios los días de su presentación- en ningún momento argumenta que la ciencia pueda probar la inexistencia de Dios. Esto está fuera del alcance de la física, y en principio tampoco debería ser de su incumbencia.


Lo único que afirma Hawking –y no es poco- es que la ciencia se basta por sí sola para explicar cómo apareció el Universo de la nada, y por qué todas sus leyes y constantes físicas parecen tan bien afinadas para permitir nuestra existencia. La figura de un Dios Creador es absolutamente innecesaria para explicar el Origen del Universo. Ya sé que como principio, a muchos de los que leáis estas líneas este planteamiento no os parecerá nuevo en absoluto. No lo es. Pero sí es cierto que en ese continuo arrinconamiento que la ciencia ha estado realizando sobre la religión como manera de explicar el mundo, la existencia de algo en lugar de nada era el reducto al que se acogían muchas personas –incluidos científicos- para recurrir a la figura del Creador. Sin embargo, ahora Hawking defiende que la Teoría M es capaz de explicar esta aparente generación espontánea del Universo, y justificar por qué sus leyes son las que son y no otras.


El asunto es tan apasionante, que merece la pena dejar a Dios a un lado (algo que no estaría mal hacer en otros sitios además de este post), y centrarse en cómo Hawking argumenta que la Teoría M puede responder las preguntas antes reservadas a la religión o la filosofía.




¿Qué es la Teoría M?


La primera pregunta que debemos hacernos para llegar a ella es: ¿qué es la gravedad? Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein definen muy bien la fuerza de la gravedad como una deformación del espacio, pero cuando nos adentramos en el mundo subatómico la gravedad parece no existir. Las fórmulas matemáticas de la mecánica cuántica explican perfectamente cómo se comportan las partículas subatómicas, pero ignoran por completo a la gravedad. No la necesitan en absoluto para describir el movimiento de un electrón alrededor de su núcleo atómico. Por eso cuando la cuántica se aplica a sistemas macroscópicos falla estrepitosamente, y por eso los físicos teóricos llevan décadas buscando un nuevo conjunto de ecuaciones matemáticas que unan la relatividad de Einstein con la mecánica cuántica en una única “Teoría del Todo” capaz de describir tanto los fenómenos del mundo macroscópico como los del microscópico.


No es sólo cuestión de capricho. Si bien a nivel práctico utilizar ambas teorías por separado ya les resulta la mar de exitoso, a nivel intelectual no están del todo satisfechos, ya que el hecho de que tanto relatividad como cuántica “fallen” en ciertos escenarios implica que algo “incompleto” existe en ellas. Y eso los físicos teóricos se lo toman muy mal. Ellos saben que pasando por Newton, el electromagnetismo, Einstein, la cuántica… cada vez han logrado perfeccionar más las leyes físicas con que describen el mundo, pero su objetivo final es alcanzar una Teoría del Todo “perfecta”; que encaje siempre y refleje los fundamentos últimos bajo los que se rige el Universo. Nada de aproximaciones cada vez mejores; la meta es alcanzar la expresión matemática final que nos lleve a entender todo el Cosmos, mucho más allá incluso de lo que podamos observar con nuestros limitados sentidos o instrumentos.


La primera candidata a cumplir este reto fue la teoría de cuerdas; una teoría matemática según la cual las partículas elementales son en realidad cuerdecitas minúsculas vibrando en unas dimensiones adicionales que nosotros no podemos observar porque están curvadas en un espacio demasiado pequeño. La manera como vibran estas cuerdecitas es lo que las convierte en una partícula u otra, e incluso existe un modo de vibración que se correspondería con la gravedad a escala microscópica, resolviendo por fin el problema de la gravedad cuántica.


La teoría de cuerdas lleva décadas perfeccionándose. Primero sólo describía bosones como el gluón, el fotón o el gravitón, pero al introducir la supersimetría se convirtió en una teoría de supercuerdas que también podía explicar fermiones como el electrón o el quark. Las ecuaciones se están continuamente afinando, pero hay un pequeño problema: en realidad tenemos 5 versiones de la teoría de supercuerdas y todas encajan matemáticamente en diferentes escenarios físicos. La Teoría M aparecida hace una década lo que hace es agrupar todas estas versiones en un marco teórico más amplio, asumiendo que las diferentes teorías de cuerdas son soluciones particulares en unos rangos de situaciones determinadas.


En realidad… cuando te preguntas qué es la Teoría M puedes intentar imaginarte esas cuerdecitas, 11 dimensiones adicionales (10 espaciales y una temporal) o membranas que las comunican todas ellas, pero de hecho se trata de unas fórmulas matemáticas que según especula Hawking pueden ser finalmente la Teoría del Todo que durante tanto tiempo hemos estado buscando. Si fuera así podrían no sólo describir cualquier fenómeno físico que observamos en el Universo, sino también explicar cómo y por qué el Cosmos es de la manera que es. En palabras de Hawking, la Teoría M sería lo que haría del todo innecesario a Dios.



La creación del Universo


Las dos preguntas en la frontera de la ciencia que Hawking intenta resolver con la Teoría M son las siguientes:


- ¿Por qué hay algo en lugar de nada?


- ¿Por qué el Universo es como es?


Antes de entrar en ellas, reflexionemos sobre la expresión “por qué?”. Tradicionalmente la física sólo se ha encargado de describir el “cómo”, dejando el “por qué” a la religión o la filosofía. En la primera página de su libro Hawking dice con descaro (y yo opino que profundo desacierto), que “la filosofía está muerta”, y que en el ámbito de la física por primera vez la ciencia nos puede llegar a explicar los porqués. Éste es uno de los puntos de debate más interesantes del libro.


Pero vayamos a la primera pregunta, que en realidad, se podría formular como ¿de dónde apareció el tiempo y la materia justo “antes” del Big Bang?. Entrecomillo el “antes”, porque lo que argumenta Hawking es que el Big Bang fue fruto de una fluctuación cuántica, y bajo tales circunstancias cabe la posibilidad de que el tiempo no existiera; sería una dimensión más del espacio y habría aparecido de repente. Hawking dice textualmente: “cuando añadimos efectos cuánticos a la relatividad general, en casos extremos la curvatura puede ocurrir a tal nivel que el tiempo se comporta como otra dimensión espacial. Habría 4 dimensiones del espacio y ninguna del tiempo. (…) Esto está fuera de nuestra experiencia, pero no fuera de nuestra imaginación ni nuestras matemáticas”. ¿Os convence? Esperad; ésta no es la pregunta correcta. ¿Es una posibilidad consistente con la Teoría M? Como veremos dentro de unas líneas, esta segunda respuesta es la clave para toda la filosofía de Hawking (y utilizo el término “filosofía” a plena conciencia).


Pero luego está la cuestión clave: la aparición espontánea de materia o energía de en medio de la nada. Este fenómeno es el que aparentemente se nos escapa de toda comprensión científica y hace que los creyentes recurran a la figura del creador. Pero según Hawking, la Teoría M también puede abordarlo ¿Cómo? Aquí se complica, y yo creo que el libro no llega a explicarlo satisfactoriamente (si algún lector más avispado puede ilustrarlos, estaremos encantados).


En la página 281 Hawking explica que la clave está en la energía gravitacional: “a escala de todo el Universo, la energía positiva de la materia podría equilibrarse con la energía gravitacional negativa, y por tanto no hay restricción alguna para la creación de universos enteros”. En el párrafo completo parece indicar que la existencia de energía gravitacional en una dirección implicara la necesidad de energía gravitacional en la otra, y por E=mc2 esta energía podría ser transformada en materia.


Con toda mi humildad, éste es un punto fundamental para justificar la tesis de su libro, y no creo que Hawking y L. Mlodinow logren resolverlo satisfactoriamente.



Pero de nuevo, lo importante no es si nos parece extraño o no, o si es más o menos improbable que esto ocurra, sino si es consistente con alguna solución matemática de la Teoría M. ¿Por qué? Vayamos a la segunda pregunta: ¿Por qué el Universo es como es? (Que Hawking formula exactamente como ¿Por qué existimos? y ¿Por qué este conjunto particular de leyes y no otras?)


Para resolverla Hawking juega con dos conceptos: los universos múltiples que predice la teoría quántica, y el principio antrópico. En realidad no es un argumento difícil de entender: Según la mecánica cuántica inicialmente se podrían haber creado infinidad de Universos, cada uno con propiedades diferentes. Unos tendrían 10 dimensiones y otros 7, en unos la energía se habría convertido en masa y en otros no, unos habrían desaparecido instantáneamente y unos al cado de segundos… hasta que una de estas opciones correspondería al Universo en que vivimos. Hawking dice que la Teoría M tiene soluciones que permiten la creación de 10500 Universos diferentes, cada uno con sus propias leyes, y escribe: “Fluctuaciones cuánticas crearon universos minúsculos de la nada. Unos pocos de ellos alcanzaron un tamaño crítico, entonces se expandieron de manera inflacionaria, formando galaxias, estrellas y, como mínimo en un caso, seres como nosotros”.


Es una manifestación pura del principio antrópico: nuestra existencia es la que a posteriori hace que el Universo y sus leyes deban ser de la manera que son. “Nosotros creamos la historia por nuestra observación, en lugar de la historia creándonos a nosotros”, escribe Hawking.



En resumen: hasta 10500 Universos diferentes podrían haber aparecido de la nada por fluctuaciones cuánticas, y no es extraño que uno de ellos haya sobrevivido hasta que nosotros lo definamos como el nuestro.



A mi el principio antrópico me resulta insatisfactorio, y de manera respetuosa le diría a Hawking que –después de haber establecido que la filosofía está muerta- el argumento del principio antrópico es más filosófico que científico. Resulta consistente con las leyes de la física, pero eso no es suficiente. Por una parte no puede ser testado experimentalmente, pero por otra tampoco se deduce de ninguna ley ni otro principio físico. Es claramente una deducción, o interpretación, que puede ser acertada o no. Arriesga demasiado Hawking al expresar taxativamente que la filosofía está muerta, y que “La Teoría M es la teoría unificada que Einstein estaba buscando”, cuando está lejísimos todavía de poder ser testada experimentalmente.



Cierto que estamos frente a un tipo de ciencia nueva que no requiere la experimentación tal y como la conocemos, y que la observación clásica no nos podrá conducir a la comprensión más íntima de la realidad. Ojalá los físicos teóricos continúen quitando relevancia a las visiones sobrenaturales sobre la creación del Universo, y puedan algún día explicarnos de manera convincente porqué existe algo en lugar de nada. Pero parece que les falta mucho trabajo todavía. Confiamos en ellos, y seguiremos sus pasos con ilusión.


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