Lección inaugural del Curso Académico 2020-2021 de la UC
Alberto Ruiz Jimeno
Quiero aportar, en este extracto, algunas reflexiones acerca de la Filosofía del Universo, al hilo de mi reciente lección inaugural del curso 2020-2021 de la Universidad de Cantabria, del que este escrito es un resumen sintetizado de dicha lección (1) .
La Física tiene su origen en la Filosofía Natural, el estudio del Universo. Si hubiera que dar un nombre propio para definir un origen en el pensamiento filosófico, que ha derivado en el conocimiento científico, podríamos escoger al presocrático Anaximandro por su valor y dignidad moral en la defensa del pensamiento crítico (2) . Junto a él, la escuela pitagórica, la eleática, la atomística y las grandes escuelas atenienses pre-científicas: la idealista de Platón y la aristotélica que concebía un universo finito y eterno, con movimientos perfectos e inexistencia del vacío. Los cuatro elementos naturales (agua, tierra, aire y fuego), de la materia se regían por tendencias naturales de cambio, mientras la quintaesencia de las esferas celestes era inmutable.Sus ideas siguen siendo, en buena parte, vigentes en la Ciencia y Cosmología contemporáneas.
Conceptos fundamentales como espacio, tiempo y causalidad siguen estando en la delgada raya fronteriza entre la Ciencia y la Filosofía.San Agustín defiende una concepción “idealista” y subjetiva del tiempo, creado por Dios, pero sometido al cambio. Posteriormente, Kant daría una interpretación objetiva de la misma idea.
Tenemos que remontarnos al siglo XIII y posteriores, una vez traducidos los textos griegos, primero al árabe y, después, al latín, para la aparición de laEscolástica como una corriente filosófico-teológico, con la figura de Tomás de Aquino entre otros, con unamezcla de razón y fe característica del pensamiento cristiano de la época.
La Física clásica
El Renacimiento, a partir del siglo XV, con figuras sobresalientes como Nicolás Copérnico, Tycho Brahe, Johannes Kepler y, sobre todo, Galileo Galilei,da paso al método científico con observaciones experimentales y leyes formuladas matemáticamente tras un razonamiento objetivo. A su vez la filosofía desarrolla las dos tendencias que serían esenciales en la evolución del conocimiento científico posterior: racionalista-deductivapor René Descartes, empirista-inductivapor Francis Bacon.
El s. XVII supone un siglo de expansión científica, particularmente en la figura de Isaac Newton con su obra, los “Principios Matemáticos de la Filosofía Natural”que iba a definir la línea de conocimiento científico por más de dos siglos (3).
Newton establece un tiempo y espacio universales y absolutos, independientes del estado de movimiento y de la materia, en contraposición a Gottfried Leibniz, quepropone un espacio y tiempo universales y ligados a la materia. Por su parte, para los clásicos, los sistemas físicos son deterministas, de modo que el futuro está definido por las leyes físicas y las condiciones iniciales, haciendo estático al Universo. La interacción entre dos cuerpos se produce mediante “acción a distancia”, un concepto extraño que resuelve Michael Faraday (4) en el s. XIX, introduciendo el concepto clásico de campo. Maxwell establece el formalismo de la electrodinámica clásica e incluye la luz como ondas electromagnéticas desplazándose a velocidad constante en un medio físico, el éter, que no es capaz de definir (5). La demostración experimental de la inexistencia del éter provoca una inconsistencia entre electrodinámica y mecánica.
El siglo XX trae dos nuevos paradigmas que van a revolucionar los conceptos clásicos fundamentales bien asentados por la mecánica de Newton, la electrodinámica de Maxwell y los desarrollos de la Mecánica Estadística y Termodinámica.
La Relatividad
La RelatividadEspecial de Einstein, tratando de compatibilizar Mecánica y Electrodinámica, implica una pérdida del espacio y tiempo absolutos clásicos, que pasan a ser relativos, dependientes del sistema de referencia inercial (fijo o moviéndose a velocidad constante). La simultaneidad no puede establecerse de modo absoluto, Además espacio y tiempo se entremezclan en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, en el cual, para cada suceso, hay conos de luz hacia el pasado o hacia el futuro, fuera de los cuales no es posible establecer “historias” evolutivas de sistemas físicos de forma unívoca. Por lo tanto, no solo ha perdido el tiempo su carácter absoluto, sino que se entremezcla con el espacio, perdiendo su identidad clásica.
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Pocos años después, Einstein desarrolla su teoría más hermosa, la Relatividad General, que equipara localmente el espacio-tiempo con la distribución de materia-energía. La gravitación viene determinada por el espacio-tiempo local, en una geometría curva, en la que los conos de luz se curvan hacia la zona de mayor densidad de energía-materia.
Ambas teorías revolucionan los conceptos fundamentales de espacio, tiempo y causalidad, y sus efectos observables han sido confirmados por los experimentos. Por otra parte, al igual que las teorías clásicas, las nuevas leyes no distinguen entre pasado y futuro, son invariantes ante un cambio de signo en el tiempo.
La Flecha del tiempo
Pero ¿qué podemos afirmar del concepto intuitivo de tiempo?¿Por qué percibimos y observamos de forma clara la irreversibilidad de muchos procesos, nuestra propia vida en particular?
El enigma de la flecha del tiempo fue resuelto mediante la segunda ley de la termodinámica, que implica el crecimiento, en un sistema aislado, de una nueva magnitud, la entropía. Ludwig Boltzmann, a finales del siglo XIX, había conseguido compatibilizar, de forma estadística, la simetría temporal en las leyes microscópicas de las partículas del sistema y la flecha del tiempo global, macroscópica, proponiendo que el crecimiento de la entropía suponeun aumento del desorden en las velocidades de las partículas del sistema, una tendencia a la uniformidad. Otra flecha del tiempo fundamental aparece en la teoría cuántica de campos, estando relacionada con la observación de un comportamiento asimétrico de materia y antimateria (6).
El paradigma de la física cuántica
La otra gran revolución científica del s. XX es la Mecánica Cuántica,que removerá nuevamente conceptos fundamentales clásicos, además de proporcionar el marco adecuado para el estudio del mundo microscópico.
Su origen es la búsqueda de una solución para resolver la catástrofe en las previsiones termodinámicas de la radiación ultravioleta electromagnética del cuerpo negro. Max Planck lo resuelve, matemáticamente, mediante la emisión discontinua (7) dela radiación.
La consecuencia es extraordinaria en nuevos hallazgos y teorías. Dualidad onda-partícula de la luz y otras partículas elementales, modelos de átomo incompatibles con la electrodinámica clásica, azar intrínseco en la desintegración radiactiva…
Los conceptos de continuidad y trayectoria clásica se pierden pues la física cuántica es esencialmente indeterminista, frente al determinismo clásico de Laplace. No obstante, la física es predictiva en cuanto a la evolución de las funciones de onda que caracterizan los sistemas físicos y la operación de medida es fundamental, implicando tanto al sistema como al aparato de medida. Durante la misma, el estado físico colapsa a un estado de entre los posibles que configuran el sistema, en un proceso extraño de explicar, que aún tiene diversas corrientes interpretativas en el pensamiento científico moderno.
No es posible enfocarse a la vez en la causalidad y la localización espacio-temporal, sino que son complementarias sin que pueden abordarse simultáneamente. El Principio de Incertidumbre establece que pares de observables (como posición y momento lineal, energía y tiempo…) no pueden determinarse simultáneamente con absoluta precisión.
La teoría cuántica de campos
El concepto de campo clásico se incorpora al formalismo de la mecánica cuántica relativista dando lugar a la Teoría Cuántica de Campos que rige el estudio de las partículas elementales y fuerzas fundamentales del Universo, excluida la fuerza gravitacional. Sus leyes vienen determinadas por simetrías locales que dan lugar a leyes de conservación y campos de interacción. El modelo de dichas teorías es la electrodinámica cuántica que describe la interacción fundamental entre partículas cargadas eléctricamente, siendo los fotones u ondas electromagnéticas los portadores de la interacción.En el caso de las interacciones nucleares, la mediación se da por los bosones W y Z, y los gluones.
Estos bosones de interacción, junto con los fermiones que constituyen los “ladrillos” elementales de la materia, leptones y quarks, conforman el Modelo Estándar de la Física de Partículas Elementales.
Un ingrediente más, esencial, fue introducido durante la década de 1960 por Peter Higgs, Robert Brout y Francois Englert. Es el campo de Higgs, que dota de masa a las partículas elementales y bosones de interacción mediantesu interacción con el mismo.
El “vacío” clásico deja de tener sentidocompletamente y el “vacío cuántico”se refiere al estado fundamental del Universo, que está poblado de todos los campos de materia, antimateria, Higgs y fuerzas fundamentales.
Cosmología
Las interacciones mutuas entre las componentes del Universo quedan reflejadas en las leyes descritas, pero no sirven para describir el cosmos como un todo y debe ser abordado de forma diferente. El origen, estructura y evolución del Universo es el objeto de la Cosmología, cuyos padres científicos fueron Einstein y sus contemporáneos, entre otros Georges Lemaitre y Georges Gamow. Einstein propuso un Universo estático, frente a Lemaitre que propuso un Universo en expansión. La observación del corrimiento al rojo en la radiación electromagnética procedente de las galaxias, recogido por Edwin Hubble, dio la razón a Lemaitre.
La idea del Big-Bangprocede de Georges Gamow, que propuso un Universo inicial muy denso y caliente, en expansión y enfriamiento, logrando predecir correctamente la abundancia relativa de los elementos que se forman en los procesos estelares.
La observación (8), por azar, del ruido electromagnético correspondiente a la radiación cósmica de fondo(CMB), debida, en dicho modelo, al desacoplo con la materia cuando el Universo tenía 300.000 años (9), iniciaron la etapa presente de estudios cosmológicos.
Los estudios finos de CMB y del movimiento de estrellas y galaxias indican que el Universo solo contiene 4% de la materia del modelo estándar de partículas, un 26% de materia oscura, cuyo comportamiento gravitacional es similar a la otra, y un 70% de energía oscura, responsable de su expansión acelerada, que se corresponde con la constante cosmológica.
El Universo es plano y creemos que sufrió un proceso de inflación inicial en el que su escala de tamaño creció exponencialmente en, aproximadamente, 30 órdenes de magnitud, con ligeras fluctuaciones de densidad, origen de las estructuras actuales a gran escala.
Gravedad cuántica
La física de partículas nos permite simular el Universo hasta escalas temporales muy pequeñas, limitadas por el tiempo de Planck, 5.39 x 10-44 seg., por debajo el cual la fuerza de la gravitación es del mismo orden que las otras fuerzas y no puede despreciarse.
Hay varios intentos para establecer una teoría cuántica de la gravedad, que al ser una teoría del espacio-tiempo, debe tener una geometría dinámica, como en la Relatividad General, y no estática, como en las teorías cuánticas conocidas.
En algunos modelos (10) como las teorías de lazos o bucles, el tiempo no existe, solo hay una red estática de interacciones,incluidas las gravitatorias, que conforma el espacio. El tiempo emerge en la aproximación semiclásica, como espacio-tiempo clásico. En otros modelos, como las teorías de cuerdas aún no está resuelto el concepto de tiempo, habiendo diversas interpretaciones.
Los modelos cosmológicos actuales requieren ajuste fino (11). Las condiciones iniciales del Universo son muy singulares y difíciles de explicar objetivamente. Quizás la observación de los agujeros negros (12) podrá ofrecernos resultados empíricos para seleccionar los modelos de gravedad cuántica.
2) Siglo sexto antes de Cristo.
3) El arraigo en la sociedad fue tan fuerte que entorpece, hoy en día, la cultura de los nuevos paradigmas que surgieron en el s. XX, de la mano de la Relatividad y la Mecánica Cuántica y, en mayor medida aún, en el establecimiento de una nueva Cosmología unificada para la descripción del Universo.
4) Michael Faraday establece un simbolismo, las líneas de fuerza, como una herramienta apropiada para obviar el problema de la acción a distancia en las interacciones electromagnéticas.
5) El éter actúa como una referencia absoluta, consistentemente con el principio de relatividad de Galileo. A. A. Michelson y E. W. Morley realizan, en 1887, un experimento con resultado negativo respecto a su existencia.
6) Hay un importante teorema, la invariancia CPT, que supone que la observación en el comportamiento asimétrico de materia y antimateria (violación CP) implica la violación de la simetría de inversión temporal (T) y, en consecuencia, una flecha del tiempo en las leyes fundamentales. La violación CP está incluida en el modelo estándar de la física de partículas y la hemos observado en diversos experimentos.
7) n cuantos de energía, proporcionales a la frecuencia, hν, siendo h una constante muy pequeña (constante de Planck, h (6.626 10-34 J. seg.).
8) En el año 1963, por azar, Arno Penzias y Robert Wilson observan en sus antenas de comunicación de los laboratorios Bell un ruido de fondo, no achacable a la electrónica, correspondiente a un exceso de temperatura en la antena de aproximadamente 4 Kelvin, que se correspondía con las previsiones de un grupo de cosmólogos de Princeton, encabezado por Robert Dicke, de la radiación de cuerpo negro correspondiente al desacoplo entre radiación y materia esperada en el modelo de evolución del Universo, antes indicado. Inmediatamente se comenzaron estudios finos de la misma, de modo que, en 1970, el valor observado era de 2,7 Kelvin.
9) El Universo es, por tanto, opaco a la radiación electromagnética para tiempos anteriores, por lo que los estudios finos de la CMB realizados hasta hoy en día son el método que utilizan los cosmólogos para conocer la evolución del Universo. Estos estudios se complementan con los que realizamos en los aceleradores de partículas, que simulan los instantes iniciales del Universo, tras el Big-Bang.
10) Los modelos más conocidos provienen:
– o de cuantificar la relatividad general, como es el caso de la teoría de Wheeler- De Wytt, la teoría de lazos o la teoría de bucles. En este caso, el tiempo no existe, solo el espacio, y solo emerge, como el espacio-tiempo clásico, en la aproximación semiclásica.
– o de tratar de unificar las interacciones fundamentales, como es el caso de las teorías de cuerdas o de branas. En este caso no está aún solucionado el problema del tiempo.
11) El modelo estándar de la física de partículas contiene 29 parámetros como las masas de quarks y leptones, con grandes diferencias entre las mismas. Además, muchos de los parámetros tienen valores pequeños, con ajuste fino para el éxito del modelo, lo que se denomina el problema de las jerarquías. Lo mismo ocurre con el modelo cosmológico, con un espacio-tiempo plano, en el que la constante cosmológica observada requiere ajuste fino y es 120 órdenes inferior a la que se obtendría por puro análisis dimensional a la escala de Planck, en el instante inicial tras el Big-Bang.
12) El Big-Bang es una singularidad cosmológica, cuya explicación requiere, como ya hemos apuntado, una teoría cuántica de la gravedad. Una singularidad también aparece en los agujeros negros.
