La metafísica del espacio-tiempo

Espacio y tiempo han sido los temas favoritos de los filósofos desde al menos los antiguos griegos. Las paradojas del infinito y lo infinitesimal son reinventadas cada día por los niños con mentes inquisitivas. ¿Cómo puede ser el espacio infinito? Si no es infinito, ¿qué hay más allá de él? ¿Puede el Universo tener un inicio y un final? ¿Cómo han aprendido los físicos y filósofos modernos a tratar estas cuestiones?

La respuesta más simple es que usan las matemáticas para construir modelos del Universo a partir de axiomas básicos. Los matemáticos pueden definir el sistema de los números reales a partir de la Teoría de Conjuntos y probar todos los teoremas necesarios del Cálculo que necesitan los físicos. Con el sistema de los números reales pueden continuar y definir muchos tipos distintos de geometrías. De esta forma fue posible descubrir geometrías no-Euclídeas en el siglo XIX las cuales se usaron para construir la Teoría de la Relatividad General en el siglo XX.

La autoconsistencia de la Relatividad General puede probarse matemáticamente a partir de axiomas fundamentales. Esto no la hace correcta, pero la convierte en un modelo viable cuya precisión puede ser comprobada mediante la observación. En este camino no existen paradojas de lo infinito o infinitesimal. El Universo puede ser infinito o finito, con o sin límite. No es necesario contestar a preguntas sobre lo que sucedió antes del inicio del Universo ya que podemos construir un modelo matemático autoconsistente en el cual el tiempo tiene un inicio sin un antes. Observa que he dicho sin un antes no sin nada antes. Ni siquiera había tiempo antes cuando no existía nada.

Hasta aquí tenemos un modelo matemático consistente que sabemos que no tiene paradojas, pero nadie tiene aún un modelo exacto para todo el Universo. Newton usó un modelo muy simple del espacio y tiempo descrito por la geometría Euclídea. En este modelo el espacio y el tiempo estaban separados, eran continuos, infinitos y absolutos.

Esto es consistente con lo que observamos en nuestra experiencia diaria. Los relojes miden el tiempo y normalmente pueden fabricarse para mantener la misma hora dentro de la precisión de sus maquinarias. Esto es como si hubiese un tiempo universal absoluto y estándar que fluye constantemente. Puede medirse de forma aproximada con relojes pero nunca directamente.

Mientras que no exista una teoría completa para la física sabremos que cualquier modelo del espacio-tiempo es probablemente solo una aproximación a la realidad la cual se aplica en un cierto dominio restringido. Un modelo más preciso puede encontrarse más adelante y aunque la diferencia en la medida predicha puede ser pequeña, los modelos nuevo y antiguo pueden ser muy distintos en su naturaleza. Esto significa que nuestros actuales modelos del espacio y el tiempo pueden ser descripciones muy poco realistas de lo que en realidad son aunque den unas predicciones muy precisas en algunos experimentos que hemos podido realizar.

Los filósofos intentan ir más allá de lo que pueden ir los físicos. Usando solo la razón tienen consideran lo que podría ser el espacio y el tiempo más allá de lo que pueden observar. Incluso en los tiempos de Newton existía una oposición sobre la noción de tiempo y espacio absolutos con su rival alemán Leibnitz. Él, y muchos otros filósofos que llegaron más tarde, han argumentado que el espacio y el tiempo no existen de la forma absoluta descrita por Newton. El mismo Newton apreció que estaba haciendo un gran supuesto de trabajo.

Si comenzamos desde el punto de vista de nuestras experiencias, debemos reconocer que nuestras nociones intuitivas de espacio y tiempo son solo modelos en nuestra mente los cuales corresponden a lo que encuentran nuestros sentidos. Esto es un modelo, el cual existe como un programa de ordenador en nuestra cabeza. Es algo que se ha creado por evolución porque funciona. En tal caso no hay ninguna seguridad de que el espacio y el tiempo existan realmente en ningún sentido absoluto.

El punto de vista filosófico desarrollado por Leibnitz, el Obispo Berkeley y Mach es que el espacio y el tiempo deberían ser vistos como formados por las relaciones entre objetos. Los mismos objetos están formados por las relaciones entre nuestras experiencias. Solo nuestras experiencias son absolutas. Los modelos matemáticos usados por los físicos lo colocan al revés. Ellos comienzan con el espacio y el tiempo y entonces colocan los objetos en ellos, entonces predicen nuestras experiencias como resultado de la interacción de los objetos.

Mach creía que el espacio y el tiempo no existían en ausencia de materia. La inercia de los objetos debería verse como el resultado de la relación con otros objetos más que como la relación con el espacio y el tiempo. Einstein estuvo influenciado en gran parte por el principio de Mach y esperaba seguir a este con sus propios principios de relatividad.

En la Teoría de la Relatividad Especial encontró que el espacio y el tiempo no existen como entidades absolutas independientes sino que el espacio-tiempo existe como una combinación de ambas. En la Relatividad General encontró, irónicamente, que para la descripción correcta de su teoría debía usar las matemáticas de la Geometría de Riemann. En lugar de confirmas el principio de Mach encontró que el espacio-tiempo podía tener una estructura dinámica por sí mismo. No solo podía existir el espacio-tiempo independientemente de la materia sino que incluso tenía un comportamiento interesante por sí mismo. Su predicción más asombrosa de que deberían existir ondas gravitatorias, ondas en el tejido del mismo espacio-tiempo, podría ser confirmada directamente en breve por los observatorios de ondas gravitatorias.

El uso de Einstein de la geometría era tan elegante y convincente que los físicos a partir de entonces siempre han buscado extender la teoría a una descripción unificada de la materia a través de la geometría. Los ejemplos incluyen los modelos Kaluza-Klein en los cuales el espacio-tiempo se supone que tiene más de cuatro dimensiones con todas ellas compactadas en una geometría indetectablemente pequeña. Hasta aquí los físicos y filósofos han estado distanciados durante el siglo XX.

Las teorías recientes de la física de partículas han sido tan exitosas que ahora es muy complejo encontrar un resultado experimental que pueda ayudar a los científicos a ir más allá de las teorías presentes. Como resultado ellos mismos han empezado a sonar más filosóficos y están lentamente revisando las viejas ideas. El problema fundamente con el que se encuentran es la combinación de la relatividad general y la teoría cuántica en un modelo consistente.

De acuerdo con la teoría cuántica, el vacío no está vacío. Es un mar de partículas virtuales. Esto es muy distinto de la forma de ver el espacio y el tiempo en los días de Mach. En una Teoría de la Gravedad Cuántica tendríamos gravitones, partículas de pura geometría. Seguramente esta idea habría sido un completo anatema para Mach. Pero los supuestos gravitones podrían ser colocados al mismo nivel que la materia. Tal vez entonces Mach estaría más contento con los gravitones después de todo. La teoría podría iluminar su mente con el espacio-tiempo como resultado de las interacciones entre gravitones.

En la Teoría de Cuerdas, la esperanza más prometedora para una completa Teoría Unificada de Física, encontramos que los gravitones están en efecto al mismo nivel que el resto de partículas. Se cree que todas las partículas son diferentes modos de vibración en los bucles de las cuerdas. Incluso los agujeros negros, una de las últimas manifestaciones de la geometría del espacio-tiempo se piensa que son ejemplos de simples bucles de una cuerda en un modo de muy alta energía. No hay distinción cualitativa entre agujeros negros y partículas, o entre materia y espacio-tiempo.

El problema es que no tenemos aún un modelo matemático que haga evidente esta identidad. Las ecuaciones que tenemos para cuerdas son un tanto convencionales. Describen a las cuerdas moviéndose en un fondo de espacio-tiempo. Y aún más, los matemáticos manejan extrañas simetrías que sugieren que las Teorías de Cuerdas en distintos fondos de espacio-tiempo e incluso distintas dimensiones son en realidad equivalentes. Para completar nuestra compresión de la Teoría de Cuerdas debemos formularla de forma independiente del espacio-tiempo. La situación parece ser análoga al estado de la electrodinámica a finales del siglo XIX. Las ecuaciones de Maxwell estaban descritas como vibraciones en un espacio impregnado de éter. Los experimentos de Michelson-Morley fallaron al intentar detectar el hipotético éter y señalaron el inicio de una revolución científica.

Tal como Einstein desterró el éter como medio para el electromagnetismo nosotros debemos ahora completar su trabajo desterrando el espacio-tiempo como medio para la Teoría de Cuerdas. El resultado será un modelo en el cual el espacio-tiempo sea recuperado como resultado de la relación entre cuerdas que interactúan. Este será el primer paso hacia la reconciliación de la física y la filosofía. Tal vez sea rápidamente seguido por un cambio en la visión, hacia un punto desde donde todo nuestro Universo pueda verse como consecuencia de nuestras posibles experiencias tal y como los antiguos filósofos querían hacernos ver. ¿Qué otros modos tendremos para modificar nuestro entendimiento y acomodarlo a tal teoría?. No todo puede ser previsto.

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Comments (3)

  1. Cris

    Y…existen teorias en cuanto a vivir en un mismo espacio y en distinto tiempo? No hablo del mundo microscopico, porque sé que sí, pero y en el macroescopico?

  2. MJ

    Esa misma pregunta me he hecho yo cris…o mejor dicho no será esa mi pregunta?. Eres lacris? Q coincidencia…pues me he leido todo el artículo pero no he sacado nada en claro, por lo menos relativo a nuestro dilema…

  3. kirami

    es pocas palabras mach sujeria que no había espacio-tiempo por que no existía algun objeto que hiciera de este, entonses el principio de todo surgio cuando que?
    esto me demuestra que a fuerzas sea, lo que sea alguien con la mas minima particula nos ayudo a crear todo lo que conocemos o podra ser que todo lo que sabemos y la forma en la que manejamos al universo pueda ser un invento de nuestra propia mente y nesesidad o por instinto de supervivencia, por que, que tal see solo en nuestro universo exista esta forma de pensar, si nosotros inventamos todo esto y en realidad solo estamos sustentando el comienzo de algo que hemos inventado, es decir esta forma de pensar solo existe en nuestro propio universo y el universo sabe que nada es asi como pensamos…..

    esa es la unica forma explicable de sustentar el comienzo de nuestro empiezo..
    sin meter a dios..

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