¿Qué es una ley física, después de todo?

Julian BarbourAlgo desconcertante y al mismo tiempo estimulante de la física es que preguntas aparentemente sencillas siguen sin respuesta. Cuando escuchas las preguntas que los físicos tratan de responder, a veces te dices a ti mismo, espera, ¿quieres decir que no sabéis eso? La física podría definirse como la materia que trata de descifrar por qué el mundo parece incomprensiblemente complejo en un principio, pero al examinarlo con detalle, está gobernado por leyes simples. Estas leyes, aplicadas repetidamente, producen la complejidad observada. Con esta definición, podrías pensar que los físicos al menos han explicado qué entienden por una “ley física”.


Lo siento.

¿Por qué debería la naturaleza estar gobernada por leyes? ¿Por qué esas leyes deberían estar expresadas en términos matemáticos? ¿Por qué deberían ser formuladas dentro del espacio y el tiempo? Éstas fueron las preguntas propuestas hace dos semanas, en un fascinante taller en el Instituto Perimeter, la secuela de un taller organizado en la Universidad de Arizona en diciembre de 2008. Uno de los participantes, Sabine Hossenfelder, habló sobre ello ayer en Backreaction, uno de los blogs de física más reflexivos que existen. La conclusión es que los organizadores habrían hecho mejor en planear más secuelas, puesto que las preguntas parecen tan intratables como siempre.

No creo que haya estado nunca en una conferencia como este taller. ¿En qué otro lugar podría haber escuchado una derivación de la mecánica cuántica, un argumento en contra del politeísmo, un truco para dar indicaciones de un lugar que desconoces, y todo en dos horas? Los participantes eran una mezcla de físicos y filósofos. Ambas comunidades estaban muy próximas en los tiempos de Einstein, pero luego se separaron. En su libro “Sueños de una teoría final”, el físico de partículas Steven Weinberg, tituló un capítulo “Contra la filosofía” que resumía el desdén que los físicos de su generación sentían por ella. Pero como escribí en un ensayo hace algunos años, los tiempos están cambiando, principalmente porque muchos físicos piensan que su búsqueda de una teoría unificada está bloqueada por pensar en cuestiones filosóficas. En las reuniones en las que los dos grupos se encuentran, me parecen bastante compatibles. Los filósofos asistentes tienden a tener conocimientos de física, y los físicos, incluso si no pueden hablar sobre Hegel y/o Heidegger, están ansiosos por aprender.

Su principal diferencia es el estilo. Los físicos tienden a hablar de forma imprecisa y se apoyan en las matemáticas, mientras que los filósofos son más meticulosos retóricamente (a veces demasiado). Los físicos también tienen una tendencia a interrumpir, a menudo, a los oradores con cuestiones, impidiendo a los filósofos exponer sus posiciones y argumentos. “Los filósofos son mucho más civilizados que los físicos”, reflexionó el físico Niayesh Afshordi.

Lo que hizo realmente extraño el taller, sin embargo, es que, con algunas excepciones, las charlas fueron largas en enunciados, y cortas en argumentos. Fueron esencialmente tres días de “tormenta de ideas” (brainstorming), dirigidos a provocar en los participantes nuevas ideas que pudieran finalmente introducir en su trabajo, más que llegar a resultados concretos. Tal cualidad hace que escribir una nota en un blog sobre él, sea tan desafiante como resumir a Proust. Sírvete una taza de café y toma asiento.

¿Qué son las leyes?

Varios de los primeros ponentes fueron directamente a la pregunta: ¿qué son las leyes? Entre estos estaban John Roberts de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. (El video de su charla está aquí.) Una ley no sólo describe un patrón de la naturaleza, si no que distingue entre patrones que surgen del azar y aquellos que siempre están ahí, independientemente de los detalles de la situación. Precisar lo que esto significa es muy complicado, y es aún peor cuando hablas de todo el universo. Si el universo es todo lo que hay, ¿cómo pudo haber sido diferente?  Si no pudo haber sido, ¿cuál es entonces la diferencia entre un patrón aleatorio y uno inherente?

Roberts revisó algunas escuelas líderes de pensamiento filosófico, encontró que no daban la talla, y discutió que el concepto de ley es inseparable del modo en que los físicos descubren leyes. Su principal herramienta es un experimento controlado que por su naturaleza, busca patrones que se mantienen en cualquier condición. Confieso que no entendí cómo la teoría de Roberts ayuda a resolver estas cuestiones: ¿por qué la naturaleza sigue patrones en vez de ser caótica? ¿por qué una ley obtenida de una situación (pongamos la caída de una manzana) funciona en situaciones diferentes (órbitas de los planetas)? Sin embargo, parece útil reconocer que nuestras leyes, incluso si recogen algo de la realidad objetiva, están condicionadas por nuestro proceso de descubrimiento.

El siguiente ponente, el físico Marcelo Gleiser de Dartmouth, hizo una exposición similar desde la física. Dijo que la ciencia depende mucho de cómo funciona. Pero luego fue en otra dirección, argumentando que una teoría final es algo irrealizable porque las nuevas herramientas significan nuevos descubrimientos. En el blog Backreaction puedes ver más comentarios sobre su charla, y también puedes consultar su nuevo libro. A lo largo del taller, los participantes volvieron a la idea de que puede no haber una teoría final, una teoría unificada, si no tan sólo un conjunto de teorías.

Mi propia reacción fue que aunque sea útil advertir contra aferrarse a ideas preconcebidas sobre una teoría final,  Gleiser insistió mucho en ver la botella de la física medio vacía. Podemos ignorar mucho, pero sabemos también bastante, y todo lo que vemos indica que la naturaleza está gobernada por leyes simples. Los observadores y experimentales están haciendo nuevos descubrimientos continuamente, pero nuevos descubrimientos no significan nuevas leyes. La mayor parte de lo que encuentran puede entenderse usando las leyes existentes, y las excepciones surgen en situaciones donde las leyes entran en conflicto, sugiriendo que una reconciliación entre ellas explicará también las excepciones.

En el turno de preguntas después de la charla de Gleiser, la astrofísica y novelista Janna Levin de la Universidad de Columbia hizo una buena observación, al decir que aunque los físicos suelen diferenciar entre observaciones y pensamientos puros, nuestras mentes están moldeadas por el mundo físico, por lo que los pensamientos representan una forma indirecta de observación.

En una charla posterior, el filósofo David Wolpert del Centro de Investigación Ames de la NASA, también expuso algunas advertencias. El principal propósito de las leyes es hacer predicciones fiables, pero este objetivo podría ser inalcanzable. Usando una variante del argumento que Kurt Gödel usó para probar sus teoremas de imcompletitud, Wolpert mostró que hay predicciones que los físicos no pueden garantizar que sean correctas. Una bonita implicación es el “teorema del monoteísmo”: como máximo puede haber un dios omnisciente. Si hubiera dos, serían capaces de leerse los pensamientos y entrarían en paradojas de circularidad. Para más información, ve la charla, lee el artículo o incluso mejor, relee a John Milton.

¿Cómo eligen las leyes los físicos y las prueban?

El filósofo Chris Smeenk de la Universidad de Ontario oeste escogió la pregunta de cómo formular una ley de todo el universo.  Una ley típica se aplica a múltiples situaciones tales como experimentos reproducibles, pero sólo hay un universo. Sin embargo, él argumentó que un único universo tiene todavía múltiples niveles de aproximación. Los físicos normalmente empiezan con una estimación bruta de las órbitas planetarias o del comportamiento de las partículas y la refinan gradualmente. Cada uno de estos pasos de refinamiento, sugirió Smeenk, es una situación distinta que te permite testar las leyes. Ver el video aquí.

En el periodo de preguntas y respuestas, el físico inglés Julian Barbour dijo que la gente sobrevalora el papel de los experimentos reproducibles en la física clásica. En la práctica, un sólo experimento puede ser suficiente. Sólo en física cuántica la repetición se vuelve esencial, porque la teoría cuántica es probabilística, y la probabilidad implica múltiples instancias.

Encontré puntos en común entre la charla de Smeenk y una posterior del filósofo de Carnegie Mellon, Kevin Kelly. Kelly buscó explicar la navaja de Occam: el precepto de que la mejor ley es la más sencilla que se ajusta a los datos. La navaja es una de esas ideas que los físicos utilizan todo el tiempo sin pensar realmente por qué – o si les hace ver una simplicidad que no está ahí necesariamente. El argumento más importante de por qué la navaja de Occam funciona proviene de la teoría de probabilidades y mantiene que es más probable que las teorías simples sean correctas que las teorías complicadas; La revista American Scientist publicó un fantástico artículo en 1991 exponiendo esto. Pero Kelly lo explicó de forma diferente: la navaja funciona porque es menos probable descartar una ley más simple que una más compleja. Esto puede considerarse el primer paso en una serie de aproximaciones sucesivas. Podría necesitar una mejora o una generalización, pero es menos probable que sea completamente erróneo.

Kelly lo comparó con dar direcciones. Supón que un conductor llega y te pregunta cómo llegar a un sitio que desconoces. Quieres ayudarle y no admitir tu ignorancia. ¿Qué harías? El truco es elegir la ruta que lleve a la mayoría de lugares — probablemente la autovía más cercana o la carretera principal de la ciudad. De este modo, tienes la mayor probabilidad de enviarlo en la dirección correcta y ahorrarle el tener que dar vueltas. Kelly dijo que la navaja de Occam pone a los físicos en el mejor camino hacia la ley correcta, incluso si ésta no puede elegir la ley. El video de su charla está aquí.

¿Es el tiempo una ilusión o es real?

Los verdaderos fuegos artificiales llegaron cuando se discutió sobre el tiempo – no sobre si los oradores  iban con retraso respecto al programa, recortando las pausas para el café, sino sobre si el mismo tiempo es un concepto derivado o uno fundamental. ¿Emerge el tiempo de algo más profundo o es una parte irreducible de la naturaleza? En esta cuestión, el filósofo Craig Callender de la Universidad de California San Diego se decanta por la primera opción, basándose parcialmente en las ideas de Barbour.

Barbour tiene un subestimado y típico sentido del humor inglés. “Soy feliz de haber abandonado el tiempo”, dijo a los participantes del taller. “Lo hice hace aproximadamente 40 años”. Su charla, que puedes ver aquí, fue magistral aunque poco convencional. No expuso un argumento científico en el sentido habitual: una pila de datos y fórmulas que llevan incluso al escéptico más radical a la aceptación a regañadientes.  Mejor aún, Barbour nos llevó por un camino guiado a través del bosque de su mente fértil.

Por ejemplo, como una metáfora del universo, dibujó un círculo (ver la foto arriba) con 24 puntos rojos y azules. Estos tenían una lógica: maximizar la variedad de secuencias de colores a lo largo de la circunferencia. Si no sabías el color de un punto, podías deducirlo mirando el resto y deduciendo cuál maximizaría la variedad del conjunto. Me recordó a uno de esos acertijos en los que no sabes el color del sombrero que llevas puesto, pero puedes deducirlo mirando los sombreros que están llevando las otras personas.

El universo, sugirió Barbour, es un poco como esto. Las partículas que lo constituyen no tienen propiedades intrínsecas como la posición espacial. En vez de esto, esas propiedades surgen de las relaciones entre las partículas. Una partícula tiene asignada una posición determinada dada por su relación con todos los otros componentes. Describió cómo las relaciones de las partículas podrían ser categorizadas geométricamente y cómo entonces, conceptos tales como posición, longitud, duración y simultaneidad pueden ser derivados. Tuvo que postular únicamente los ángulos entre líneas. De hecho, si lo piensas, ¿cuándo observas una longitud? Siempre deduces la longitud de ángulos, como el ángulo comprendido entre los rayos de luz que entran en tus ojos.

Barbour no es el único físico que dice que las leyes fundamentales de la naturaleza son “conformalmente invariantes”, esto es, que no tienen una sentido de escala intrínseco, pero suponen ángulos. En una teoría como la de la relatividad, dichos ángulos representan relaciones causa-efecto.

El principal problema que tuve con la charla fue que no veía cómo se relacionaban las ideas abstractas con el mundo que experimentamos. El tiempo parece tan real. ¿Cómo surgió? ¿Por qué el mundo está estructurado de modo que es necesario el tiempo? Resumiendo, ¿qué ganamos realmente diciendo que el tiempo no es real?

Las charlas dadas por otros dos físicos dieron cuerpo a la idea de un tiempo emergente. Kevin Knuth de la Universidad de Albany mostró cómo puedes comenzar con una red de relaciones causa-efecto y obtener el espacio y el tiempo de ésta. Para más información, lee su artículo, o ve el video. Philip Goyle de Perimeter mostró que puedes incluso recuperar toda la mecánica cuántica de una red como esa. Su charla está aquí.

Una ironía es que antes Barbour era una voz solitaria a favor de esta opción, pero ahora esta idea se está volviendo la principal. Ahora es más radical sugerir que el tiempo es un concepto base. Esto es lo que la improbable pareja Lee Smolin de Perimeter, y el filósofo político Roberto Unger de la escuela de derecho de Harvard hicieron. Al igual que Barbour, no presentaron realmente un argumento, sino un manifiesto.

Smolin habló sobre lo que el llamó paradigma newtoniano, la división conceptual de la naturaleza en dos elementos: (a) el estado del mundo, y (b) las leyes de la física. El estado del mundo está definido en el espacio. En mecánica clásica, como las leyes que gobiernan una mesa de billar, el estado consiste de las posiciones y las velocidades de los objetos. Las leyes de la física operan en el tiempo. Llevan un estado al siguiente. Smolin sugirió que este marco, aunque funciona bien para situaciones del día a día, falla cuando se aplica a todo el universo. Lleva a conclusiones que él y Unger llamaron absurdos, tales como “el universo bloque” – la proposición de que el pasado y el futuro son igualmente reales. Ve sus charlas aquí.

La idea más tangible que capté es que si el tiempo es real y el futuro está genuinamente abierto, entonces las propias leyes de la física podrían cambiar. Puedes o bien tomar las leyes de la naturaleza como fijas, en cuyo caso el tiempo emerge, o tomar el tiempo como fijo, en cuyo caso las leyes de la naturaleza evolucionan. A mí, me suena como el reenunciado de un argumento controvertido hecho por el físico francés Henri Poincaré hace un siglo. Smolin y Unger encuentran la última visión como más natural, pero conduce a dos problemas inmediatos: ¿Qué evidencia hay de que las leyes han cambiado? Y si cambian, ¿están esos mismos cambios sujetos a leyes? Si es así, estás atrapado en un cadena sin fin de leyes, meta-leyes, meta-meta-leyes, y así sucesivamente, o tienes que suponer que algunas leyes están realmente fijadas.

Al final, el manifiesto probará su valía sólo si conduce a una teoría. Los mejores intentos hasta ahora son la selección natural cosmológica, del propio Smolin, el modelo de grafiti cuántico para el espacio-tiempo de Fotini Markopoulou, y la propuesta de un espacio emergente de Petr Horava.

¿Podrían los agujeros negros ser responsables de la aceleración del universo?

Llegados a este punto, mi cabeza estaba repleta de pensamientos profundos. La charla de Niayesh Afshordi fue un alivio. ¡Tenía ecuaciones! ¡Citaba observaciones! ¡Hacía predicciones! ¡No decía que todo lo que sabía era erróneo! Todo lo que intentaba hacer era explicar la energía oscura. En cualquier otra conferencia, esto hubiera contado como algo intimidantemente radical. Aquí sin embargo, era algo modesto.

El modelo que presentó partió de dos ideas especulativas pero plausibles. Primero, que el espacio contiene un fluido invisible – un éter – como el predicho por algunas teorías cuánticas de la gravedad, tales como la de Horava. Segundo, que los agujeros negros radian, de acuerdo a lo predicho también por casi cualquier teoría de gravedad cuántica. Afshordi calcula que la radiación debería calentar el éter, y generar una presión negativa en el cosmos, como si hirviéramos agua en un cazo. Tal presión es la característica principal de la energía oscura y tiene como consecuencia la aceleración de la expansión cósmica.

En otras palabras, los efectos gravitatorios cuánticos podrían imitar a la energía oscura. Este modelo explica claramente por qué la aceleración cósmica comenzó hace algunos miles de millones de años en vez de desde el Big Bang: llevó tiempo formar lo agujeros negros y calentar el éter. El artículo merece ser leído, y la charla tampoco es mala.

Si has llegado al final de esta nota del blog, ¡has denmostrado ser realmente un aficionado a la física, y me encantaría leer tus comentarios! Estarás encantado de saber que espero invitar a muchos de esos investigadores a presentar sus ideas en la revista escrita durante los próximos años.


Autor: George Musser
Fecha Original: 4 de junio de 2010
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Comments (19)

  1. Que chula la idea del éter calentado por los agujeros negros. ¿Tiene límite la imaginación de los físicos teóricos a la hora de proponer una explicación para la energía oscura? El que atine lo mismo tiene un premio Nobel dentro de 20 años ¡animo! ¡hagan sus apuestas!

  2. Me ha parecido interesantísimo el post. Realmente en las últimas décadas los físicos y los filósofos vamos muy por nuestro lado, aunque he de reconocer que muchas veces estos encuentros no dan ningún fruto. Los físicos estamos obsesionados por todo lo que sea calculable y los filósofos pierden horas para definir un concepto, cosa que a los demás nos parece una pérdida de tiempo.

    Como hoy me toca currar iré viendo en los descansos cada una de las charlas, que algunas me han parecido muy interesante, si se me ocurre algo que aportar volveré a comentar.

    Gracias por el post.

  3. facundo

    Pues antes de postear estas cosas deberías advertirnos que estamos por leer algo *demasiado* interesante. Me has tenido saltando de un link a otro hasta las 7 AM!!!

    Un post brillante dentro de un blog brillante!

  4. Sharex

    Llevo un par de días leyendo y releyendo el post.
    Todavía no he podido digerirlo, puesto que requiere su tiempo.
    Gracias por el post. (Catalogado de imprescindible).
    Cuídate.

  5. Dubitador

    ¡Kanijo for president!

  6. Ozzybulla

    Desde la primera vez que escuché a Tool (Lateralus) no tenia esta sensación de que me vuelan la cabeza. Esto no es un post; merece ser un sitio para él solo. Gracias Manuel.

  7. Hector04

    Gracias por este post, el calor del roce intelectual calienta la mente en este frío invierno.
    Sin embargo, debo admitir que hay que ser muy valiente para invitar a filósofos a una conferencia de ese tipo, al parecer aquellos manifestaron saber algo de física y se ganaron su asistencia haciéndola memorable.

  8. Sencillamente. Genial el post.

    Por cierto “…nuestras mentes están moldeadas por el mundo físico, por lo que los pensamientos representan una forma indirecta de observación…”.

    ¿Y eso quien lo ha demostrado?

    • Oscar

      Yo creo que esa frase quiere decir que los productos de nuestros pensamientos no son independientes de las observaciones que hacemos. Que nuestros pensamientos no estan separados del exterior.

  9. Manuel

    Enhorabuena por el post …y por la página. De lo mejor que he visto.

  10. Mirror

    Dios es maravilloso :D

  11. Gerardo Perez

    Los Mayas crearon leyes astrónomicas con predicciones acertadas para varios cientos o miles de años, pero los coceptos “filosóficos” o conceptuales sobre el origen de los fonómenos y del propio Universo eran completamente equivocados. En el geocentrismo de Ptolomeo apesar de contar con un buen soporte matematico (y al igual que las actuales no creo sean aptas para todo publico) y con un acertado índice de predicciones paso de moda gracias a las OBSERVACIONES (orbita de los planetas internos y sombra de los cráteres lunares) por lo tanto los conceptos filosoficos eran completamente equivocados. En cuanto a las actuales leyes relativistas explican acertadamente los fenomenos gravitacionales en nuestro entorno (matematicamente hablando) y lo que puede estar equivocado es el concepto de la “malla” deformable del espacio-tiempo y probablemente lo invariante de la velocidad de la luz y en todo caso el origen de los fenómenos y del mismo Universo.

  12. Gerardo Sánchez

    Excelente el post, muchas gracias por tu tiempo para resumirlo de esta manera.

    La demostracion del dios unico omniciente me parece sencilla pero exacta, ya estoy ansioso de usarla en alguna discusion teosofica para lucirme

    No creo lo del eter calentado, simplemente por que siempre se ha usado el eter cuando no se comprende que es lo que esta pasando, seguro que la idea deriva en algo más real, pero no creo lo del eter.

    Sobre el tiempo, tambien pienso que puede derivar de algo más profundo y de que cuando se descubra esto va resolver los problemas de conectar la teoria de la relatividad y la mecanica cuantica en la teoria del todo.

    AH! y espero que la teoria del todo sea algo alcanzable, quedarian muchos cabos sueltos y cosas sin comprender si fuera imposible obtener una teoria del todo, más bien me parece que lo que falta es alguna herramienta matematica o la idea revolucionaria, que un clon de einstein escondido por ahi, de la super-idea sencilla pero genial que resuelva el problema.

  13. Brillante, gracias por el resumen, tengo que leerlo un par de veces más, sin embargo, muchos de los links de los artículos están en inlglés, si alguien por ahí, traduce alguno, no dejen de informar para los que no somos bilingues

    salu2 y éxitos desde Centro américa

  14. Michael Madison

    Tenía entendido que el tiempo era una forma coloquial de referirse a la entropía.

    En cuanto a la filosofía, es un género literario con demasiadas pretenciones.

  15. Bueno en mi opinión existe una explicación bastante sencilla para la pregunta planteada aqui: “¿Por qué debería la naturaleza estar gobernada por leyes?”. Está demostrado que la repetición (iteración) de normas sencillas a lo largo del tiempo producen una gran complejidad (fractales, leyes evolutivas, etc) por lo tanto es lógico que la naturaleza, por pura probabilidad “utilice” pautas sencillas para producir la enorme complejidad que vemos. Además estas pautas sencillas (leyes) se relacionan entre si por unas normas abstractas que llamamos matemáticas. En mi opinión esto es asi por que estas leyes están condicionadas por las características del espacio-tiempo y por tanto existe un conjunto de reglas que las relacionan (geometría, simetría, etc) y que dependen de las características concretas del espacio tiempo concreto. Por ejemplo, según el teorema de Noether las características geométricas de nuestro espacio tiempo que posee simetría rotacional, simetría traslacional y simetría temporal traen como consecuencia 3 leyes fundamentales y bastante sencillas: la ley de la conservación del momento angular, del momento lineal y la ley de la conservación de la energía (impresionante, por esto esta ley es considerada por muchos la más bella de la física). De esta forma el resto de las leyes físicas pueden ser consideradas como la consecuencia de simetrias o características geométricas concretas de nuestro universo. Los procesos de ruptura de la simetría que se dieron en el universo según se expandía dieron lugar a las fuerzas nucleares fuerte, débil y a la fuerza electromagnética, pero las leyes nuevas que producen la ruptura de simetría dependen de los detalles concretos del universo en el momento en que se produjo dicha ruptura por eso (en mi opinión ) será muy difícil encontrar una explicación a todos los parámetros libres que hay que ajustar a mano en las ecuaciones (por ejemplo en el modelo estándar). No se si me explico pero es que es bastante difícil tratar de explicar conceptos tan abstractos con palabras sencillas (es que el lenguaje no surgio para hablar de estas cosas tan profundas sino para cosas mundanas como decir quiero ñam ñam o quiero ñaca ñaca :D )

  16. Mental_Kratso

    Despues de esta entrada estoi recogiendo los cachos de mi cerebro del salon, tanto pensamiento profundo a la vez tiene que ser malo para la salud….
    Lo peor es que no voi a poder dormir esta noche, soñare con relojes persiguiendome y retrocesos en eso que decimos tiempo y… *escalofrio* me da miedo solo de pensarlo. Que asco esto de la fisica y la filosofia, creo que ire a un centro de desintoxicacion de fisica….

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