El sueño de una teoría final: extractos (iii)

«No es en partículas o fuerzas en lo que la naturaleza ahorra, sino en principios». 

Abdus Salam

la cualidad que los matemáticos y los físicos llaman a veces elegancia. Una prueba o un cálculo elegante es aquel que consigue un resultado poderoso con un mínimo de complicaciones irrelevantes. No es importante para la belleza de una teoría el que sus ecuaciones tengan soluciones elegantes. Las ecuaciones de la relatividad general resultan difíciles de resolver excepto en las situaciones más sencillas, pero esto no está en contra de la belleza de la teoría misma. Según palabras de Einstein, los científicos deberían dejar la elegancia para los sastres. La simplicidad es parte de lo que yo entiendo por belleza, pero se trata de una simplicidad de ideas, no de la simplicidad de tipo mecánico que puede medirse contando ecuaciones o símbolos. 

Einstein acerca de la relatividad general, «el atractivo principal de la teoría reside en su compleción lógica. Si una sola de las conclusiones deducidas de ella resultase falsa, debería ser abandonada; modificarla sin destruir la estructura global parece algo imposible" 

Las simetrías que son realmente importantes en la naturaleza no son las simetrías de las cosas, sino las simetrías de las leyes. Una simetría de las leyes de la naturaleza es una afirmación de que seguimos descubriendo la vigencia de las mismas leyes de la naturaleza cuando hacemos ciertos cambios en el punto de vista desde el que observamos los fenómenos naturales. Tales simetrías se denominan a veces principios de invariancia. 

(Si abandonamos)... la vieja idea newtoniana de acción instantánea a distancia y (la reemplazamos)... por una imagen de la fuerza como debida a campos. En esta imagen, el Sol no atrae directamente a la Tierra; en lugar de ello, crea un campo, llamado campo gravitatorio, que luego ejerce una fuerza sobre la Tierra. Esto podría parecer una distinción sin apenas diferencia, pero existe una diferencia esencial; cuando se produce una erupción en el Sol, afecta en primer lugar al campo gravitatorio en las proximidades del Sol, después de lo cual el minúsculo cambio en el campo se propaga a través del espacio a la velocidad de la luz como las ondas que se dispersan desde el punto en el que una piedra cae en el agua, y sólo alcanzan la Tierra unos 8 minutos más tarde... Del mismo modo, un cuerpo eléctricamente cargado crea campo, llamado campo electromagnético, que ejerce fuerzas eléctricas y magnéticas sobre otros cuerpos cargados. Cuando un cuerpo eléctricamente cargado es movido repentinamente, el campo electromagnético cambia en un primer momento sólo cerca de dicho cuerpo, y los cambios en este campo se propagan a continuación a la velocidad de la luz. De hecho, en este caso, los cambios en el campo electromagnético son lo que conocemos como luz, aunque a menudo se trata de luz cuya longitud de onda es tan corta o tan larga que no resulta visible para nosotros. 

El advenimiento de la mecánica cuántica conduce a una concepción mucho más unificada. Desde el punto de vista mecano-cuántico, la energía y el momento de un campo como el campo electromagnético vienen en paquetes, conocidos como fotones, que se comportan exactamente como partículas que no tienen masa. Análogamente, la energía y el momento del campo gravitatorio vienen en paquetes llamados gravitones, que también se comportan como partículas de masa nula. En un campo de fuerzas a gran escala, como es el campo gravitatorio del Sol, no notamos los gravitones individuales esencialmente porque existen muchos de ellos. 

En 1929 Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli (basándose en el trabajo anterior de Max Born, Heisenberg, Pascual Jordan y Eugene Wigner) explicaron en un par de artículos de qué forma las partículas masivas como el electrón podían entenderse también como paquetes de energía y momento en diferentes tipos de campos, tales como el campo electrónico. De la misma forma que la fuerza electromagnética entre dos electrones se debe en mecánica cuántica al intercambio de fotones, la fuerza entre fotones y electrones es debida al intercambio de electrones. La distinción entre materia y fuerza deja de ser esencial: cualquier partícula puede representar el papel de un cuerpo de prueba sobre el que actúan fuerzas y su intercambio puede producir otras fuerzas. Hoy día se acepta generalmente que la única forma de combinar los principios de la relatividad especial y de la mecánica cuántica es a través de la teoría cuántica de campos o algo muy similar. Éste es precisamente el tipo de rigidez lógica que da su belleza a una teoría realmente fundamental: la mecánica cuántica y la relatividad especial son casi incompatibles, y su reconciliación en la teoría cuántica de campos impone poderosas restricciones a la forma en que las partículas pueden interaccionar mutuamente.... 

las estructuras matemáticas que desarrollan los físicos obedeciendo a principios físicos tienen un singular tipo de transportabilidad. Pueden ser trasladadas de un marco conceptual a otro y servir a muchos propósitos diferentes, 

El conjunto completo de transformaciones que deja inalterada cualquier cosa, ya sea un objeto específico o las leyes de la naturaleza, constituye una estructura matemática conocida como grupo, y la matemática general de las transformaciones de simetría es conocida como teoría de grupos. Cada grupo está caracterizado por reglas matemáticas abstractas que no dependen de qué es lo que se transforma, del mismo modo que las reglas de la aritmética no dependen de qué es lo que estamos sumando o multiplicando. La lista de los tipos de familias que están permitidas por cualquier simetría particular de las leyes de la naturaleza está completamente determinada por la estructura matemática del grupo de simetría... 

Una de las cosas que hace la historia de la ciencia tan fascinante es seguir la lenta educación de nuestra especie en el tipo de belleza que hay que esperar en la naturaleza. Cuando estudiamos problemas verdaderamente fundamentales es cuando esperamos encontrar respuestas bellas. Creemos que si preguntamos por qué el mundo es como es, y luego preguntamos por qué la respuesta es la que es, al final de esta cadena de explicaciones encontraremos algunos principios simples de belleza irresistible. Pensamos que esto se debe en parte a que nuestra experiencia histórica nos enseña que cuando buscamos bajo la superficie de las cosas encontramos cada vez más belleza. Platón y los neoplatónicos enseñaban que la belleza que vemos en la naturaleza es un reflejo de la belleza de lo último, el nous. Para nosotros, también la belleza de las teorías actuales es una anticipación, una premonición de la belleza de la teoría final. Y, en cualquier caso, no aceptaríamos una teoría como final a menos que fuese bella... 

Las intuiciones de los filósofos han beneficiado en ocasiones a los físicos... protegiéndoles de los prejuicios de otros filósofos. En la historia del pensamiento humano la concepción mecanicista ha tenido un papel heroico. Precisamente éste es el problema. En ciencia, como en política o economía, corremos gran peligro con las ideas heroicas que han sobrevivido a su utilidad. El pasado heroico del mecanicismo le ganó tal prestigio que los seguidores de Descartes tuvieron problemas para aceptar la teoría de Newton del Sistema Solar. ¿Cómo podría un buen cartesiano, creyendo que todos los fenómenos naturales podían reducirse al impacto mutuo de cuerpos materiales o de fluidos, aceptar la idea de Newton de que el Sol ejerce una fuerza sobre la Tierra a través de ciento cincuenta millones de kilómetros de espacio vacío? Sólo en el siglo XVIII los filósofos continentales empezaron a sentirse cómodos con la idea de una acción a distancia. Al final, las ideas de Newton prevalecieron en el continente tanto como en Gran Bretaña; en Holanda, Italia, Francia y Alemania (en ese orden) se impusieron a partir de 1720. Ciertamente, esto fue debido en parte a la influencia de filósofos como Voltaire y Kant, pero aquí, una vez más, el servicio de la filosofía fue negativo; ayudó sólo a liberar a la ciencia de las restricciones de la propia filosofía. 

Kant enseñaba que el espacio y el tiempo no son parte de la realidad externa, sino que más bien son estructuras preexistentes en nuestras mentes que nos permiten relacionar objetos y sucesos. Lo que más podía sorprender a un kantiano en las teorías de Einstein era que devolvían al espacio y al tiempo el estatus de aspectos ordinarios del universo físico, aspectos que podrían verse afectados por el movimiento (en la relatividad especial) o la gravitación (en la relatividad general). 

Esta metafísica intransigente sale a la superficie especialmente en las discusiones sobre el origen del universo. Según la teoría del big bang estándar, el universo nació en un momento de temperatura y densidad infinitas hace entre 10 y 15 mil millones de años. Una y otra vez, cuando he dado alguna conferencia sobre la teoría del big bang, alguien de la audiencia ha argumentado durante el tiempo de preguntas que la idea de un comienzo es absurda; cualquiera que sea el instante en que decimos que fue el comienzo del big bang, debe haber existido un momento anterior a él. He tratado de explicar que esto no es necesariamente así. Es cierto, por ejemplo, que en nuestra experiencia ordinaria, por mucho frío que haga siempre es posible que haga un frío mayor, pero, en cambio, existe un 0 absoluto; no podemos alcanzar temperaturas por debajo del 0 absoluto, no porque no seamos suficientemente inteligentes, sino porque las temperaturas por debajo del 0 absoluto simplemente no tienen significado. Stephen Hawking ha propuesto la que puede ser una analogía mejor: tiene sentido preguntar cuál es el norte de Austin o de Cambridge o de cualquier otra ciudad, pero no tiene sentido preguntar cuál es el norte del Polo Norte. Es famosa la discusión de san Agustín sobre este problema en sus Confesiones, donde llegó a la conclusión de que es erróneo preguntar qué existía antes de que Dios crease el universo, debido a que Dios, que está fuera del tiempo, creó el tiempo junto con el universo. La misma opinión mantenía Moses Maimónides...  No estoy tratando de argumentar que el universo tiene indudablemente alguna edad finita, sino solamente que no es posible decir sobre la base del puro pensamiento que no la tiene.  

No es en la metafísica donde la física moderna encuentra sus mayores problemas, sino en la epistemología, el estudio de la naturaleza y las fuentes del conocimiento... si el positivismo fuera válido nos permitiría descubrir claves valiosas sobre los ingredientes de la teoría final utilizando experimentos mentales para descubrir qué tipo de cosas pueden ser observadas en principio. 

"Quizá yo utilicé esta filosofía antes, y también la escribí, pero en cualquier caso es absurda" 

Albert Einstein

Es sencillamente una falacia lógica pasar de la observación de que la ciencia es un proceso social a la conclusión de que el producto final, nuestras teorías científicas, es el que es a causa de las fuerzas sociales e históricas que actúan sobre este proceso. Un grupo de escaladores podrá discutir sobre cuál es la mejor vía hacia la cima, y estas discusiones pueden estar condicionadas por la estructura histórica y social de la expedición, pero al final encuentran o no una buena vía hacia la cima, y cuando lo hacen la reconocen. (Nadie pondría a un libro sobre escalada el título de La construcción del Everest). 

Puede haber otra motivación para el ataque al realismo y la objetividad de la ciencia, una motivación de menos vuelos. Imagine que usted es un antropólogo que estudia los cargo cults en una isla del Pacífico. Los isleños creen que pueden hacer regresar al avión de carga que les hizo prósperos durante la segunda guerra mundial construyendo estructuras de madera que imitan al radar y a las antenas de radio. Sencillamente forma parte de la naturaleza humana el que este antropólogo y otros sociólogos y antropólogos en circunstancias similares sientan un estremecimiento de superioridad porque saben, a diferencia de sus sujetos de estudio, que no existe realidad objetiva en estas creencias: ningún C-47 de carga será nunca atraído por los radares de madera. ¿Podría sorprender el que, cuando los antropólogos y sociólogos volvieron su atención al estudio del trabajo de los científicos, trataran de recuperar este delicioso sentido de superioridad negando la realidad objetiva de los descubrimientos científicos? 

No parece que estas críticas radicales a la ciencia hayan tenido algún efecto sobre los propios científicos. No sé de ningún científico en activo que las considere seriamente. El peligro que suponen para la ciencia proviene de su posible influencia sobre aquellos que no han compartido el trabajo de la ciencia, pero de quienes dependemos, especialmente aquellos encargados de la financiación de la ciencia y de las nuevas generaciones de científicos potenciales. Recientemente, el ministro encargado de la financiación de la ciencia civil en Gran Bretaña era citado por la revista Nature por haber hablado en forma aprobatoria de un libro de Bryan Appleyard que tiene como lema el que la ciencia es hostil al espíritu humano. Sospecho que Gerald Holton está cerca de la verdad al ver el ataque radical a la ciencia como un síntoma de una hostilidad más amplia hacia la civilización occidental, una hostilidad que ha envenenado a los intelectuales occidentales desde Oswald Spengler en adelante

Steven Weinberg El sueño de una teoría final, 1992