Causalidad y Origen del Universo

 Voy a usar este blog para guardar notas de un libro que estoy terminando de escribir para mi curso de Cosmología y Origen del Universo. Si alguien lee esto y quiere dar "feedback" y sugerencias en los comentarios se le agradecerá infinitamente. Asñí usaremos la "sabiduría del rebaño" en la Internet para mejorar la educación de nuestros estudiantes universitarios, que son el futuro de esta nacioón gobernada por el miedo y la incompetencia de una generación egoísta que no estudió mucho, al parecer.

Introducción al Problema de los Orígenes

1.1 ¿Cómo Empezó Todo Esto?

Saber de dónde venimos y cuál es nuestro origen ha sido una de las inquietudes fundamentales de la humanidad. Todo tiene un inicio y todo tiene un final. Nuestro universo, tan enorme y asombroso, no ha existido por siempre. Tuvo que salir de algo o de alguien que lo causó. Al menos esta parece ser la lógica que rige las cosas que vemos en el mundo.

¿Por qué todo debe tener una causa? Esta es una de las preguntas centrales cuando hablamos sobre el origen del universo, de la vida, e incluso de la realidad misma. La noción de causalidad, la idea de que cada evento o fenómeno debe tener una causa previa, es una suposición que hemos heredado y aceptado casi sin cuestionar. Pero ¿es realmente una ley fundamental del universo? ¿O es una limitación de nuestra mente humana, que necesita conectar los eventos en una cadena lógica de causa y efecto para entender el mundo?

Muchos filósofos, científicos y teólogos han discutido estas cuestiones a lo largo de la historia. Uno de los pensadores más influyentes sobre el tema fue Immanuel Kant, quien en su Crítica de la razón pura analizó cómo nuestra mente estructura la realidad a través de conceptos como el tiempo, el espacio y la causalidad. Para Kant, la causalidad no es necesariamente una propiedad del mundo “en sí mismo,” sino una característica de cómo nuestra mente interpreta el mundo. Esto implica que la necesidad de una causa para todo podría ser más una exigencia de nuestro pensamiento que una propiedad del universo.

En contraste, en la tradición científica y en las religiones, la causalidad ha sido fundamental. Las religiones a menudo plantean un ser o causa primera que da inicio a la existencia. En la filosofía cristiana, por ejemplo, Tomás de Aquino argumentó en sus “Cinco Vías” que debe existir una “causa incausada,” algo que pueda ser responsable de la creación del universo sin necesitar una causa previa. Esta “causa primera” fue identificada con Dios, un ser necesario y eterno que trasciende las limitaciones de nuestra realidad física.

En el siglo XX, el avance de la ciencia nos llevó a teorías más complejas sobre el origen del universo, como el Big Bang, que plantea un punto de inicio definido en el tiempo. Esta teoría, defendida por científicos como Georges Lemaître y luego expandida por Stephen Hawking, nos sugiere que el universo, el tiempo y el espacio surgieron de una singularidad hace aproximadamente 13.8 mil millones de años. Pero este inicio ¿implica necesariamente una causa?

Aquí, el físico teórico Stephen Hawking desafió la necesidad de una causa previa. En su libro El gran diseño, Hawking propuso que el universo pudo surgir de acuerdo con las leyes de la física cuántica sin necesidad de una causa externa. Según las leyes cuánticas, los eventos pueden suceder sin una causa clara en el sentido clásico, lo que plantea la posibilidad de que el universo sea una “fluctuación cuántica” espontánea. Para Hawking, esta visión elimina la necesidad de un creador, ya que el universo podría “crearse a sí mismo” a partir de la nada física, pero siguiendo leyes matemáticas.

Otro enfoque fascinante viene de Bertrand Russell, quien en un debate con el filósofo cristiano Frederick Copleston argumentó que el universo simplemente “es” y que la búsqueda de una causa para el universo es innecesaria. Según Russell, preguntar por una causa del universo es similar a preguntar “¿qué hay al norte del Polo Norte?” La pregunta en sí misma no tiene sentido, ya que el universo podría no necesitar una causa en el sentido en que lo entendemos.

Entonces, ¿es posible que el universo no tenga una causa? ¿Podría haber surgido sin ninguna razón? Estas preguntas siguen sin respuesta definitiva. Sin embargo, plantearlas nos ayuda a examinar nuestras propias limitaciones y la estructura de nuestro pensamiento. ¿Estamos atados a la idea de la causalidad porque es una ley del universo, o porque es una necesidad de nuestra mente humana? ¿Cuál es el origen del espacio y el tiempo? ¿Puede haber una causa sin tiempo si el tiempo también tuvo un comienzo? ¿Por qué nuestro universo es tan estructurado y complejo con una jerarquía de componentes tan variada? Al mirar el universo vemos galaxias, estrellas, planetas, climas. continentes y organismos vivos como los humanos hechos de billones de células, cada una siendo una máquina de asombrosa complejidad y aparente propósito. ¿Fue esto producto del azar y de leyes matemáticas ciegas operando a lo largo de billones de años? ¿O hay un propósito detrás de la forma en que está configurado nuestro universo que requiere de razones inteligibles y causalidad para entenderse? Este curso no pretende resolver este dilema, pero al estudiarlo, aprenderemos a cuestionar profundamente nuestras propias suposiciones sobre la naturaleza de la realidad. 

El problema de la UPR no es un problema económico sino filosófico

ESTO MÁS QUE UN PROBLEMA DE DINERO O DE ECONOMÍA, es un CHOQUE DE FILOSOFÍAS POLÍTICAS.

Si usted cree como los demócratas, los socialdemócratas y la gente con conciencia social progresista que LA EDUCACIÓN ES UN DERECHO, y QUE SIN CIENCIA Y SIN CONOCIMIENTO un país no puede echar palante, usted quiere tener UNA EDUCACIÓN LO MEJOR POSIBLE. Y saca de donde no tenga para eso porque esa debe ser la PRIMERA PRIORIDAD de un gobierno moderno en la era de las economías globalizadas y del conocimiento: METER DINERO en la EDUCACiÓN, LA CIENCIA y LA TECNOLOGÍA.

Si usted es un republicano derechista cuya meta social es el capitalismo "laisez-faire" y el "libre mercado" donde los ricos lo controlan todo, usted QUIERE QUE LA EDUCACIÓN SEA UN NEGOCIO PRIVADO. No quiere que el gobierno eduque gente pensante y culta porque se les vuelven opositores. Prefiere una FÁBRICA DE DIPLOMAS PRIVADA donde se produzcan obreros dóciles sin mucha capacidad de entender nada más allá de sus destrezas de trabajo.

Ese es el ISSUE AQUÍ. ¿Queremos una UNIVERSIDAD PÚBLICA LO MEJOR POSIBLE para producir profesionales y gente con pensamiento crítico, o QUEREMOS UNIVERSIDADES PRIVADAS que produzcan esclavos dóciles para beneficio del gran capital?

El determinismo y la naturaleza del tiempo (Parte 1)

Acabo de leer un excelente artículo de uno de mis cosmólogos favoritos (y ex-profesor mío en Penn State University), Lee Smolin. La tesis fundamental del artículo es sobre la filosofía de la ciencia y sobre que es en verdad el tiempo. Su idea es que si aceptamos como viable en la física la posibilidad de un multiverso, (es decir que el universo que vemos y que resultó del “Big Bang” hace 13.7 billones de años no es el único universo que hay, por lo que puede haber otros aunque nunca los veamos), entonces el tiempo como lo experimentamos no es una entidad fundamental en la física. Según Smolin el tiempo que aparece en todas las ecuaciones de la física sería una dimension particular de nuestro universo y no tendría porqué existir en otros universos con diferentes dimensiones y diferentes leyes de la física. Eso haría que el conjunto del multiverso fuese atemporal. Y la tesis de Smolin es que teorías en cosmología como las basadas en ideas como las supercuerdas probablemente estén mal porque son teorías causales y deterministas, y sin un tiempo global común a todo el multiverso no puede haber ni causalidad ni determinismo.

El artículo es mucho más profundo y complicado que este resumen tan corto y superficial que acabo de hacer aquí. Pero no voy a discutir aquí el artículo o sus conclusiones, (con las cuales yo estoy en desacuerdo). Simplemente voy a aprovechar para presentar de forma educativa algunas ideas y definiciones filosóficas de interés. Particularmente porque les pueden ser útiles a los estudiantes de un curso sobre filosofía e epistemología de la ciencia clásica que voy a dar en el próximo semestre en el Bachillerato de Estudios Generales.

Vamos a empezar con la primera palabra importante del título. ¿Qué es el determinismo? Según Wikipedia “es una doctrina filosófica que sostiene que todo acontecimiento físico, incluyendo el pensamiento y acciones humanas, están causalmente determinados por la irrompible cadena de causa y efecto”.

Una de las suposiciones principales que hacemos sobre el mundo y que nos permite hacer ciencia es la idea de que nada ocurre al azar o a lo loco. Cada cosa que pasa desde el movimiento de un electrón hasta el movimiento de las galaxias ocurre porque hay una causa física anterior que la obligó a pasar. Según Kant esta era una de las leyes a priori que tiene que tener la Naturaleza para ser inteligible y que él llamó la Ley de la Causalidad Universal.

Desde la física clásica Newtoniana hasta la Relatividad y la Mecánica Cuántica todas las teorías de la física tienen esta propiedad. Muchos argumentarán que esto no es cierto, y que la Mecánica Cuántica no es determinista sino probabilística y aleatoria. Como es usual en filosofía, esto es un debate esencialmente de lenguaje y semántica, y cual es la posición correcta depende de la definición exacta y precisa usada para la palabra “determinismo”.

Vamos a tratar entonces de precisar un poco mejor la definición. Las definiciones más precisas que podemos tener son las de naturaleza matemática. Sé que muchos odian las matemáticas, y aquí se encenderá su instinto de horrorizarse y dejar de leer esto inmediatamente. Pero no habrán ecuaciones, se los prometo. Solo nociones generales de cálculo y ecuaciones diferenciales traducidas lo mejor que me sea posible al español. No huyan todavía.

El defensor y propulsor principal del determinismo moderno lo es el físico francés Pierre Simon Laplace, del que hemos escrito antes en otros artículos del blog. Laplace es el autor de la visión de que todo en el universo es parte de un gran mecanismo cósmico en que cada pieza se mueve según leyes matemáticas causales como las Leyes del Movimiento de Newton, y donde cada pieza le hace fuerzas a otras. Fuerzas cuya formulación matemática es similar a la de la Ley de Gravedad de Newton.

Por lo tanto esta es la expresión matemática del término “determinismo” según Laplace. Dado un estado matemático “completo” del universo como condición inicial, (y es materia de controversia que es eso de “completo”), y unas leyes matemáticas que gobiernen como pasa el universo de un estado a otro estado de forma única y causal, todo el desarrollo pasado y futuro del sistema está determinado por la información ímplicita en esas condiciones iniciales.

El propio Laplace lo expresa claramente en esta famosa cita de su libro “Teoría Analítica de Probabilidades” :

Podemos mirar el estado presente del universo como el efecto del pasado y la causa de su futuro. Se podría condensar un intelecto que en cualquier momento dado sabría todas las fuerzas que animan la naturaleza y las posiciones de los seres que la componen, si este intelecto fuera lo suficientemente vasto para someter los datos al análisis, podría condensar en una simple fórmula de movimiento desde los más grandes cuerpos del universo hasta el átomo más ligero; para tal intelecto nada podría ser incierto y el futuro así como el pasado estarían frente sus ojos.

Las implicaciones filosóficas más horrendas y que hacen a muchos no querer aceptar la posibilidad de que vivamos en un universo determinista, (no importa lo que digan los físicos), son las de que todo lo que usted hace, piensa y siente ya estaba determinado e ímplicito en el instante después del Big Bang. Las posiciones y estados energéticos de los campos cuánticos y gravitacionales del universo en cualquier estado del pasado remoto contenían la información necesaria que gobernará cuando usted nació, cuando morirá, de quien se enamorará, que película irá a ver al cine dentro de un año y si le gustará, que va a comer de desayuno pasado mañana, y exactamente cuando se iba a sentar en su computadora a leer este blog. Nosotros los seres humanos y todo en el universo somos solo robots destinados a seguir la programación ímplicita en nuestros átomos y las leyes de la física.

Supongo que casi todos los que leen esto están convencidos de que esta doctrina filosófica de un destino incambiable y fríamente calculado por las matemáticas tiene que ser falsa. Extrañamente quien único parece creer en esto son los religiosos que la aceptan si el que sabe y determina lo que va a pasar es un Dios todopoderoso, y no las leyes impersonales de la Física.

Muchos filósofos modernos (o posmodernos, que creen que lo “moderno” es sinónimo de anticuado y que caducó con la caída de la Física Clásica de Newton y Maxwell) argumentan equivocadamente que la Mecánica Cuántica demolió esta filosofía aberrante del determinismo. Pero eso no es cierto. Lo que la Mecánica Cuántica refuta no es el determinismo, sino la computabilidad y la capacidad de una predicción exacta de todos y cada uno de los componentes subatómicos del universo. Pero las ecuaciones de la Teoría de Campos Cuánticos son ecuaciones deterministas en tanto y en cuanto usted determine un estado “completo” de un sistema los estados subsiguientes están determinados de forma única y causal por las leyes que gobiernan las partículas y campos cuánticos. O en términos matemáticos que sus ecuaciones de evolución son ecuaciones diferenciales parciales.

El determinismo es una aseveración filosófica sobre la existencia y unicidad de las soluciones materiales bajo una teoría física. No implica computabilidad (que se pueda computar el futuro con alguna computadora real si uno especifica un estado del universo), ni que uno tenga que poder predecir con exactitud las posiciones y movimientos de cada componente (lo que prohibe el Principio de Incertidumbre). En Mecánica Cuántica uno no puede computar o predecir la trayectoria de un electrón o partícula subatómica, pero sí la evolución en el tiempo de su estado cuántico. Y particularmente el estado cuántico superpuesto de un ensamblaje de gazillones de partículas subatómicas como un ser humano.

El que nadie pueda predecir tu destino no implica que no tienes uno.

Todas las leyes de la física que tenemos desde Newton para acá son deterministas en este sentido matemático del término. Y creo que es obvio que el determinismo está ligado a la causalidad y a el paso del tiempo, que es el punto original de Lee Smolin con el que empecé.

Así que lo próximo a discutir es: ¿Qué es el tiempo? ¿Existe el tiempo por sí solo o nos lo inventamos los humanos? ¿Que dice la física relativista sobre el tiempo? ¿Pueden haber universos sin tiempo?

Interesantes preguntas que dejaremos para otra entrada.

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Einstein y Dios

Albert Einstein es la figura icónica del científico genio que todos admiran pero nadie entiende. Es uno de mis héroes intelectuales no solo porque la Relatividad General es mi campo de estudio, sino que histórica, política y filosóficamente me siento identificado con las ideas y posturas de Einstein.

Una de las muchas controversias sobre el pensamiento de Einstein en materias fuera de la física teórica es la de si Einstein era ateo o creía en Dios. Su teoría de la Relatividad, (que predijo la idea del “Big Bang” como el principio del universo antes de que Hubble lo descubriera experimentalmente), su concepción determinista de la física, y su visión sobre el rol de las leyes del universo parecerían colocarlo en la posición de que Dios no hace falta para correr el universo.

Sin embargo, hay varias citas de Einstein que sugieren una concepción religiosa. La más famosa es su comentario de que “Dios no juega a los dados con el universo” para expresar su disgusto con la interpretación probabilística que se le estaba dando a la Mecánica Cuántica. O la respuesta que dio a un periodista que le preguntó como se hubiera sentido si la expedición de Eddington no hubiese confirmado su teoría de que la gravedad puede doblar el paso de la luz. Einstein replicó: “Me hubiese dado mucha pena con Dios pues estaba seguro que mi teoría era correcta.” Y otra en que justifica su búsqueda de una teoría de campos unificando todas las fuerzas físicas con “A mí lo que me interesa averiguar es si Dios tenía opciones al decidir como hacer el universo.”

Einstein no era ateo. Él creía en un universo ordenado y con leyes causales que él no sabía de donde salieron, y cuya belleza y poder lo maravillaban. Eso NO ES CREER EN DIOS. Al menos no es lo que hacen los cristianos fundamentalistas.

Einstein no creía en un ser invisible que oye a los que rezan.
Einstein no creía en el Génesis, ni nada de la Biblia.
Einstein no creía que el hombre esta hecho a imagen y semejanza de Dios.
Einstein no creía en mesías que nacieron de una virgen y que son hijos de Dios.
Einstein no creía en fantasmas, ni en la vida después de la muerte.
Einstein no creía en curas, ni ministros, ni rabíes, ni iglesias.
Einstein no creía en nada que no se pudiera ver y de lo cual no hubiera evidencia.
Einstein no creía en ángeles, demonios, ni espíritus inmateriales.

El "Dios" de Einstein son las matemáticas, las leyes físicas, el orden, la causalidad, y la belleza del universo. No es un viejo inmortal de barba blanca todopoderoso y omnisciente que todo lo sabe y todo lo ve, y que puede usar sus superpoderes mágicos para complacer a los esclavitos que hipócritamente lo alaben, le regalen dinero y le pidan favores.

Y finalmente, Einstein sabe que su creencia es anti-científica y no espera que nadie le crea porque él lo dice si no lo puede probar. No es una creencia religiosa en que "él conoce la verdad" sino una "mera opinión personal". No es lo mismo ni se escribe igual.

El que alguien use metafóricamente la palabra "Dios" no significa que cree en el mismo Dios que creen los cristianos. El Dios del Nuevo Testamento no es el Dios del Viejo Testamento. Son personalidades completamente diferentes. Y el papá de Jesucristo en el que creen el Papa, Jorge Raschke y George Bush no es Alá. Ni Odín. Ni Zeus. Ni Baal. Ni Cthulhu.

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¿Desde cuando existen las matemáticas?

Esta es, sin duda, una pregunta filosófica bastante interesante. La contestación más ingenua nos dirá que las inventaron los babilonios y los sumerios, que por lo que se conoce son los autores de los textos más viejos en donde se suman, se restan, se multiplican y se dividen números. Otro argumentará que los antiguos egipcios inventaron gran parte de la geometría. También se puede mencionar a Pitágoras, Euclides y a los griegos como originadores de los sistemas formales de pruebas y teoremas que aún hoy son el pan y mantequilla de los matemáticos profesionales (y el dolor de cabeza de los niños de escuela elemental). Algún listo que quiera extender aún más la definición de lo que son las matemáticas dirá que el origen se remonta a la prehistoria cuando algún trucutú cavernícola aprendió a contar piedras, frutas o animales para saber cuantos tenía, y que no se los robara otro sin él darse cuenta.

Pero esto presupone que las matemáticas las inventaron los seres humanos. Pero, ¿cuan cierto es eso? Menuda pregunta. Y si no las inventaron los humanos, ¿quien las inventó? ¿Los monos? ¿O alguna civilización extraterrestre que haya existido antes que la nuestra?

¿Y que tal si las matemáticas son algo que ha existido antes que los seres vivos inteligentes? ¿Puede esto ser posible? Al fin al cabo antes de que evolucionara la vida en la Tierra había en algún lugar dos piedras, o dos estrellas, o dos lagos, o dos montañas. ¿Quiere eso decir que ya existía el dos? ¿Que es en verdad el “dos” (o el tres o cualquier número natural de cosas independientes)? ¿De que están hechos los números? Parecen ser ideas inmateriales, pero cuentan cosas materiales, y muy bien que lo hacen. Si estando las dos piedras en el piso, ruedan de una ladera dos piedras más habrá siempre al final cuatro piedras, ¿no? Haya o no haya alguien que las cuente, o que sepa que dos más dos es cuatro.

¿Podrán existir las matemáticas por cuenta propia sin cabezas o cerebros que las piensen? La mayoría de los físicos y los matemáticos profesionales tienden a creer esto. Las teorías del inicio del universo, de la estructura de la materia, de las fuerzas de la naturaleza, y de la evolución de los sistemas físicos y materiales son teorías matemáticas que describen el mundo pre-vida con una exactitud pasmosa. El hecho de que las matemáticas funcionen tan excelentemente bien para la física es un gran misterio que ha desafiado a las mentes más brillantes de ambas disciplinas.

Y los matemáticos se refieren a lo que ellos hacen cuando escriben algo matemático nuevo que nadie había visto jamás como “descubrir” un resultado. Ellos piensan que han dado con algo que siempre había estado ahí en la estructura lógica del campo que estén estudiando. No consideran que un nuevo teorema o una ingeniosa prueba matemática es algo que ellos crearon o se inventaron, como sería un cuadro, una canción o un poema. El teorema de Pitágoras, o las leyes matemáticas de Newton, no son cosas creadas por esos personajes. Son relaciones formales que ocurren en todo el universo, y uno podría argumentar que si ellos no las hubiesen descubierto otro hubiese terminado diciendo exactamente lo mismo. Y que en civilizaciones extraterrestres debe haber análogos de Pitágoras, Euclides y Newton diciendo exactamente las mismas ideas matemáticas.

Esta es una posición neo-platónica compartida por casi todos los científicos y matemáticos que se hayan dedicado a pensar sobre estos issues filosóficos. Es similar a las doctrinas de Platón de que nuestro mundo sensible es una burda copia del “reino de las ideas” donde la perfección ideal era el plano de donde el Demiurgo construyó las cosas que podemos ver, tocar y sentir.

Por eso la versión filosófica de la mayoría de los cosmólogos que creen en la Teoría del Big Bang y el universo inflacionario es que la oración correcta con la que comienza la versión del Génesis de la ciencia moderna debe ser: “En el principio eran las matemáticas”. Si esto es así, las matemáticas existían antes que existiese el universo. Y no solo son más viejas, sino que en muchas interpretaciones de la Mecánica Cuántica el universo y las cosas que lo habitamos estamos hechos de números, probabilidades y matemáticas.

Roger Penrose, el famoso matemático y relativista inglés, dice que esto nos crea un problema similar al de qué vino primero, si el huevo o la gallina. Parece que las matemáticas son ideas que vienen de un subset de las ideas que hay en el mundo mental construido por los cerebros inteligentes (humanos o de alguna otra especie extraterrestre). Pero los cerebros son solo “computadoras” hechas de neuronas, electrones y nucleones, que a su vez son un subset del universo físico material. Y la física nos dice cada vez con más insistencia que a nivel fundamental gran parte, (sino todo), del universo físico es una concretización de leyes y estructuras de origen y forma matemática.

Parece que hacen falta las matemáticas para que exista el universo. Hace falta el universo para que existan mentes. Y hacen falta mentes para que existan las matemáticas. Pero, ¿y cual de las tres vino primero? ¿Que cree Ud., amigo lector?

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La física teórica y los medios de comunicación

Los científicos son como todas las demás personas. Les gustan sus 15 minutos de fama internacional. Todos soñamos con ser entrevistados en los periódicos, la radio o la TV para pontificar y demostrar a la gente lo mucho que sabemos del universo y sus misterios. Queremos que la gente conozca nuestras teorías y se maraville de lo excitante que es la aventura de hacer ciencia. Esto es particularmente así para los físicos teóricos que trabajan en cosmología, física de partículas elementales y astrofísica. Oír a expertos hablar sobre el origen de la vida, del universo, de la estructura de la realidad, del principio del tiempo y de la existencia parecen ser cuestiones interesantísimas. Extrañamente están muy de moda en sitios como el "New York Times", "Newsweek", "Discover" o "New Scientist". Revistas y periódicos de difusión mundial que dedican grandes segmentos a analizar la ciencia, y presentar al publico general lo último en la avenida en descubrimientos científicos y nuevas teorías del universo. Así fue que Einstein se hizo famoso mundialmente y se convirtió en el ícono del sabio inteligente durante todo el Siglo 20. Cuando periódicos y noticieros de todo el mundo en 1920 proclamaban que este viejito tenía una nueva teoría del universo que revolucionó la ciencia y destronó al mismísimo Newton.

Pero en tiempos recientes se está dando la cuestionable y fea tendencia de usar los medios de forma sensacionalista para acaparar atención diciendo ideas y exponiendo teorías ridículas, grandilocuentes y altamente cuestionables como si fueran grandes descubrimientos de la física de nuestro universo. Se habla en revistas y periódicos serios sobre buscar a Dios en aceleradores de partículas, de vagos surfeadores que descubren la teoría de "todo", del principio antrópico y el diseño inteligente, de la probabilidad estadística de que se formen cerebros al azar en un universo en expansión infinita, de los paisajes de múltiples universos que "predicen" las supercuerdas, de que si se prende el LHC (Large Hadron Collider) eso puede hacer que la Tierra sea aniquilada en una ruptura del espaciotiempo hacia otras dimensiones, y de que si detectamos la energía oscura por medio de la observación astronómica podemos causar la desestabilización del universo.

Hay que tener mucho cuidado cuando uno entra en prácticas de divulgar la ciencia al público no-científico usando el sensacionalismo, las ideas que suenan extrañas, y el meter miedo con catástrofes cósmicas para lograr un artículo en un periódico de gran circulación o una entrevista en un documental de TV. Máxime si no se discuten las matemáticas envueltas, cual es la probabilidad de estos escenarios, o como es que funciona el método científico en estas susodichas entrevistas y artículos. Muchos de estos artículos rayan en la irresponsabilidad crasa, y tan culpables son los periodistas y editores sensacionalistas como los científicos que distorsionan sus ideas de tal modo.

La física teórica en los últimos 30 o 40 años ha caído en un período de especulación lógica y racional más acorde con las filosofías de Platón y el legado Aristotélico que con el empirismo de Bacon o Galileo. Esto es así porque desde los éxitos del Modelo Estándar de la Mecánica Cuántica y de la Relatividad General no hay anomalías experimentales que estas teorías no puedan explicar satisfactoriamente. Toda la data experimental de aceleradores, materiales noveles, telescopios y satélites puede ser explicada con modelos matemáticos cuánticos y relativistas. Así que en esencia las teorías pueden explicar y predecir cualquier observación experimental hasta la fecha (si se permite postular entes aun no observados como nuevas partículas o nuevos tipos de materia o energías invisibles).

Pero paradójicamente la lógica de que solo debe haber una sola explicación cierta del mundo (y no dos o tres explicaciones desconectadas y contradictorias entre sí), y el que muchos de los modelos explicativos que usan estas teorías suenan muy poco "naturales", ha hecho que la mayoría de los teóricos consideren que tanto la Mecánica Cuántica como la Relatividad deben ser fundamentalmente incorrectas y solo ser aproximaciones de la VERDADERA TEORÍA DE "TODO" que la lógica científica cree que debe existir. Por eso por puros argumentos lógicos y racionales sin ninguna base experimental se ha llegado al casi consenso entre los físicos de que existen energía y materia oscuras, que la inflación ocurrió en los primeros microsegundos de vida del universo, y de que hay otros universos y otras dimensiones espaciales como lo que dice la teoría de supercuerdas.

Pero la física teórica basada en puras ideas requiere de un consenso especial entre sus practicantes que permita distinguir que ideas son válidas y merecen estudiarse a fondo, y que ideas son ridículas y producto de científicos locos (denominados en inglés como "crackpots"). Usualmente la distinción se basa en donde trabaja el científico que las dice. Si uno ve un manuscrito de un científico con premios y un puesto permanente en una universidad reconocida tiende a darle más credibilidad y espacio en conferencias y medios de difusión que si lo dice alguien que no trabaja en ninguna universidad y propuso esto desde la computadora de su casa. Pero casos históricos como el de Einstein y Faraday nos indican que debemos tener cuidado con este criterio pseudo-elitista.

El problema con los artículos que enlacé arriba es que son ideas que casi todos considerarían que provienen de "crackpots" pero que las están diciendo científicos serios con gran credibilidad en la comunidad científica. Y en el caso de una física teórica platónica y desconectada de confirmación experimental esto es muy peligroso pues podemos perder de vista donde queda la línea entre ciencia válida y ciencia "crackpot". Y esto en un mundo con creacionistas, posmodernos y políticos irracionales infectando la academia y el discurso social es muy pero que muy peligroso.

Tenemos que tener cuidado en como divulgamos la ciencia y las teorías de cosmología fundamental a los medios. Porque si no se puede diferenciar a los científicos racionales y lógicos de los locos sin sentido estamos en aprietos. Entonces la ciencia se volverá otra filosofía o forma de entretenimiento más. Y así será tratada financieramente por los gobiernos.

¿Cómo se sabe si una explicación es científica o no?

He hablado antes de las diferencias entre la ciencia y la tecnología. Los científicos "puros" debemos admitir que la asombrosa tecnología moderna de aparatos electrónicos, grandes máquinas y telecomunicaciones computarizadas producidas por ingenieros y científicos aplicados es en gran medida responsable de que la mayoría de la gente sepa algo de lo que es la ciencia, y de que los gobiernos y los ciudadanos estén esencialmente de acuerdo en que es indispensable y deseable gastar mucho dinero en la investigación y educación científica si uno quiere que su país eche pa´lante y no se condene a sí mismo al subdesarrollo eterno. Pero en realidad un físico, un astrónomo, un químico o un biólogo no tiene ningún interés en inventarse algún aparatito que haga cosas innovadoras, divertidas o útiles. No, a los científicos esencialmente lo que nos interesa es EXPLICAR cómo y porqué pasan las cosas que uno ve que pasan.

Sin embargo, no todas las explicaciones inventadas para hacer sentido de lo que vemos son ciertas, y peor aún no todas las explicaciones ciertas son científicas (y por tanto útiles y productivas como argumentaremos luego). ¿Qué es y como debe estar construida una explicación científica? Esencialmente una explicación es un cuento o argumento lógico que haga sentido al que lo lee o escucha y que provea un entendimiento a nivel intelectual de los fenómenos empíricos que sin esa explicación serían considerados extraños, improbables o misteriosos. Por ejemplo, al mirar por los telescopios notamos que la luz de todas las galaxias que vemos está mucho más rojiza (corrida hacia el rojo) que la luz emitida por procesos y elementos idénticos en el Sol o acá en la Tierra. ¿Porqué vemos este patrón tan extraño y contraintuitivo? La explicación moderna es que ese cambio de color se debe al llamado "Efecto Doppler" que alarga las ondas de luz de algo que se aleja a gran velocidad del observador. Ajá, muy bien. Pero aquí empiezan los problemas que los padres de niños pequeños conocen muy bien. OK. Si algo se aleja la luz se pone roja. Pero, ¿Por qué se alejan? Porque de acuerdo a la relación de Hubble mientras más lejos esté una galaxia más rápido se aleja. Oooh, pero ¿porqué se alejan todas en vez de acercarse o quedarse quietas? Porqué el universo se está expandiendo. ¿Y porqué el universo se está expandiendo? Porqué lo empujó hacia "afuera" (técnicamente esto no hace sentido pues las palabras y conceptos en lenguaje natural como el español pronto empiezan a ser inadecuadas y perder sentido en esta parte de la ciencia) una Gran Explosión hace 14 billones. ¿Y porqué hubo una explosión hace tanto tiempo? Eeeer.…,pues verás… Ummm, hay varias posibles explicaciones, pero no sabemos cuál, si alguna, sea cierta.

El problema de las explicaciones científicas del mundo natural es cuando parar esta cadena de interminables porqués. No hay consenso de en donde tirar la línea para poder decir "bueno, de esta pregunta en adelante ya no hay garantía de que la contestación sea cierta porque te saliste de la ciencia". Pero lo más común en libros y artículos de ciencia es que la cadena termine en las LEYES DE LA NATURALEZA. Estas son relaciones generales y universales que son ciertas porque sí, porque lo hemos visto así siempre y en dondequiera que hemos mirado. Una ley natural debe ser una relación universal y general que no hable ni de personas, ni de objetos, ni de lugares o tiempos específicos. Una ley debe ser cierta siempre y cualquier negación de lo estipulado por la ley debe de ser imposible en principio.

Un ejemplo de una ley natural aceptada por la ciencia es la ley de gravedad que dice que:

Dos objetos con masa-energía se atraerán uno al otro y la manera en que se atraen dependerá de la cantidad de materia-energía de los objetos y la distancia a la que estén.

La ley, (que en su forma matemática y relativista es mucho más precisa y específica que esa oración), describe una relación entre cualesquiera objetos en cualesquiera lugar del universo en cualquier tiempo. Siempre se ha visto que es cierta. Y estamos convencidos que no existe ni existirá nunca un objeto que la violente porque todas las consecuencias que se desprenden de ella ocurren exactamente como la ley lo predice y si no fuese cierta muchísimas de estas consecuencias no podrían ocurrir así como las vemos.

Sin embargo, hay que tener cuidado. No todas las oraciones que expresen relaciones generales que se vean que son ciertas cualifican para ser leyes naturales. Tomemos como ejemplo la siguiente generalización:

Todas las manzanas en mi nevera son rojas.

Esto bien puede ser cierto y cualquiera que abriese mi nevera pudiera comprobarlo. Pero no es una ley natural ni se puede usar como base para explicaciones científicas porque solo habla de mi refrigerador y en este momento del tiempo. No hay ninguna garantía de que antes o después no pudiese haber manzanas verdes o amarillas en mi nevera. Y no se puede decir que la negación es en principio imposible pues si trato de meter una manzana amarilla en mi nevera está no se va a volver roja porque la ley nos diga que es imposible que haya manzanas amarillas en mi nevera.

Según los filósofos de la ciencia Carl Hempel y Paul Oppenheim una explicación científica es válida si se puede derivar por lógica la relación entre fenómenos observados que queremos explicar mediante la relación de causalidad a partir de una ley natural. Es decir, dando por cierta la ley y todas las causas físicas necesarias para que esta aplique se puede demostrar mediante una deducción lógica que la ley implica lo que vimos y queremos explicar. A esto se le llama el modelo Deductivo-Nomológico de las explicaciones científicas.

Cuidado, ¿eh? Que Hempel y Oppenheim no dicen que TODAS las explicaciones científicas son de esa forma, sino la contención más limitada de que toda explicación que se obtenga de ese modo ES una explicación científica, aunque pueda haber otras (generalmente de tipo estadístico). El modelo de explicación de Hempel y Oppenheim es el que casi siempre usan la Física y todas las "ciencias duras". Y su lista de éxitos es impresionante. En otro artículo futuro discutiremos que beneficios tienen las explicaciones científicas que así se obtengan.

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Diversiones matemáticas

La mayoría de la gente cree que el título de este artículo es un "oxymoron" (es decir, una unión irónica de dos términos en la que cada uno es lo opuesto del otro). Según la mayoría de mis estudiantes no hay nada más alejado del concepto "diversión" que las matemáticas. Muchos parecen odiarlas a muerte. Otros creen que su cerebro es fundamentalmente incompatible con ellas, por lo que no hay nada en el universo que haga que las entiendan. Otros las manejan con resignada tolerancia, pero solo cuando los obligan en alguna clase de su concentración.

Pero existen ciertas almas privilegiadas que ven en las matemáticas la construcción más bella, organizada y fascinante de toda la existencia. Aunque muchos creen que las matemáticas son puros inventos de las mentes humanas, (por lo que sin humanos no habría matemáticas), la mayoría de los matemáticos que conozco y he leído parecen favorecer una concepción más platónica de la naturaleza real de las matemáticas. Ellos piensan que las reglas, la estructura lógica y la consistencia interna de las matemáticas apuntan a que estas entidades que conocemos por números y relaciones matemáticas no son inventadas por los hombres, sino que existen por sí solas y que nosotros solo las "descubrimos" como los exploradores descubrían nuevas tierras y nuevos continentes que no habían visto antes. Si uno une este sentimiento al hecho misterioso e impresionante de que las leyes básicas de nuestro universo son todas leyes matemáticas exactas puede uno adoptar la visión filosófica de que para que el Génesis fuese correcto la primera oración debió decir "En el principio eran las matemáticas…" O sea, que las cosas físicas y las personas de carne y hueso estamos en el fondo hechos de matemáticas y controlados por la estructura de las matemáticas.

Sea como sea la naturaleza final de las matemáticas, muchos aficionados locos encuentran bastante divertido el "explorar" los recovecos y las extraños paisajes que producen las relaciones entre números (ya sea usando aritmética de enteros, números reales o complejos). Por eso se creó una página web conocida como el Proyecto Euler. Nombrada en honor al famoso matemático suizo Leonhard Euler, esta página recopila varios problemas matemáticos interesantísimos que nadie ha resuelto todavía (pues no se vale ir a un libro de matemáticas o a San Google y copiarse la solución que haya encontrado otro), y que se presentan como desafíos para los valientes participantes que les quieran meter mano. Algunos de los problemas sometidos son:

• Sumar todos los números naturales menores de 1,000 que sean múltiplos de 3 ó 5
  
• Calcular todas las letras que hacen falta para escribir "en palabras" los números entre 1 y 1,000
  
• Sumar todos los dígitos de 100! (100 factorial)
  
• ¿Con cuántas manos distintas gana la partida el primer jugador en una partida de póker (dos jugadores)?
  
• Sumar todos los primos por debajo de 1,000,000
  

(Las soluciones a estos problemas están en la lista de retos planteados.)

Como toda persona sensata y vagoneta lo que va a hacer es programar una computadora para que le busque la solución, el desafío envuelve no solo el encontrar la solución, sino el programarla de la manera más eficiente y rápida posible. Para complicarlo un poco se sugiere que el programa que calcule la solución debe poder dar un resultado en menos de un minuto.

La lista de problemas supera ya los 160 y hay unos 6,800 usuarios activos de un montón de países. En la interesante página de estadísticas puede verse qué tipo de lenguajes utilizan los programadores, desde «lápiz y papel» a C/C++ (que gana por goleada), algo de Python y también Java, Haskell, Ruby y otros muchos.

Así que ya saben como lograr sus 15 minutos de fama mundial mientras impresionan a todos sus compañeros "nerds". Tírese al ruedo y conviértase en un campeón olímpico de las matemáticas. Dicen los que saben que a las chicas (y a los chicos también, no importa su preferencia sexual) de hoy en día las impresiona más un buen cerebro que un buen carro deportivo. Naaaaaah….

[Adaptado del Blog Microsiervos]

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¿Cómo se hace la ciencia hoy en día?

La filosofía de la ciencia es una disciplina académica bastante controversial y genera interesantes discusiones. A la altura del Siglo 21 preguntas tales como "¿Cómo se debe hacer una ciencia que funcione?, ¿Cuáles son los criterios para determinar si una teoría científica es verdadera o falsa?, ¿De qué debe hablar una teoría científica?, ¿Cuales son los presupuestos filosóficos actuales sobre la naturaleza de la realidad?" tienen múltiples contestaciones, y generan intensos (y divertidos) debates.

Uno de los más candentes es el que en Estados Unidos se ha llamado las "Science Wars" entre los teóricos posmodernos en las áreas de las ciencias sociales y humanidades versus los científicos reduccionistas a rajatabla en las áreas de física e ingeniería que todavía nos identificamos con los presupuestos de la modernidad que guiaban a Newton, Darwin y Einstein.

Esta presentación es de una charla que ofrecí en el Seminario Interdisciplinario de la Facultad de Estudios Generales, y en el Departamento de Física de la UPR en Humacao. Trata de ilustrar cuales son los presupuestos filosóficos mínimos que se deben hacer para poder decir que las teorías modernas de Mecánica Cuántica y Relatividad General son "realistas" (es decir, describen efectivamente la realidad externa de la que hablan).

Una de ellas, (el conjunto de teorías de campos cuánticos agrupadas en lo que se conoce como El Modelo Estándar de la Materia), tratan sobre las partículas fundamentales a las cuales se puede reducir todo en la realidad (claro, usted aceptará esto si usted es un reduccionista, y no un posmoderno). La Mecánica Cuántica es una teoría aparentemente azarosa, estocástica, y no causal donde la relación entre lo observado y quien lo observa no está muy clara, y por esto se presta a múltiples interpretaciones del formalismo matemático, (la mayoría de ellas bastante locas y absurdas).

La otra es la Relatividad General que trata sobre la naturaleza del espacio vacío y del tiempo que conforman el continuo de 4 dimensiones maleable donde viven las partículas de materia, y cuya curvatura es responsable de la fuerza de gravedad entre éstas. Esta es más claramente determinista y causal aunque se vuelve un ocho a la hora de explicar coherentemente fenómenos gravitatorios extremos como el interior de un hueco negro o la singularidad inicial del Big Bang con el cuál comenzó nuestro universo.

Las dos teorías tienen un récord impresionante de predicciones precisas confirmadas experimentalmente, son completas en su área de interés, y no se ha encontrado aún ninguna observación que las despruebe. Pero son incompatibles entre sí. No pueden ser ciertas ambas a la vez. Una de las dos (y muy probablemente las dos) es falsa e incorrecta, en cuanto a que lo que dice sobre el universo no es lo que pasa en realidad.

Por eso hace algunos años hay varios intentos de desarrollar teorías como las de supercuerdas, o su competidora la teoría de "loop quantum gravity", que armonicen los datos que apoyan ambas teorías en una sola teoría armoniosa, completa y lógicamente consistente. Pero estas nuevas teorías adolecen del hecho de que aunque se lograra tal meta no se podrían verificar experimentalmente porque la unión ocurriría al nivel de la escala de Planck (unos 10^-35 metros). Las energías necesarias para hacer experimentos que midan cosas tan pequeñas serían prohibitivamente enormes. Requerirían de aceleradores de partículas de tamaños cósmicos y energías trillones de veces más grandes que las que produce el Sol. En definitiva son experimentos IMPOSIBLES de realizar.

En esta presentación de Power Point examinamos algunas de las consecuencias epistemológicas y filosóficas de estas nuevas teorías de la Física moderna, y si debieran ser consideradas como "ciencia" o no. Que la disfruten.

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No hay nada de nada

¿Qué cooomo? Tantos días esperando para leer este blog y ahora no les voy a hablar de nada. Pues sí. Vamos a hablar y a filosofar un poco sobre la nada. En la física y la filosofía el hablar de un espacio vacío sin nada de nada ocupándolo es un tema muy interesante, pues la nada es mucho más fascinante y lógicamente extraña de lo que parece a simple vista. En la física moderna el vacío se rehúsa a estar vacío, y está lleno de cosas que no son nada pero parecen hacer mucho.

El Big Bang lo creó todo de la nada, pero le rompe la cabeza a cualquiera el tratar de imaginarse que había "antes" de la gran explosión pues verdaderamente no había nada, ni siquiera un espacio vacío en el cual la explosión pudiese ocurrir, ni un tiempo para hacer sentido de la palabra "antes". ¿Antes de qué, si no había tiempo para medir antes o después? ¿Dónde ocurrió si no había espacio en el cual no hubiera nada? Según la teoría de la Relatividad General no había nada de nada al ocurrir el Big Bang, ni siquiera espacio vacío (que es lo que usualmente asociamos con la palabra "nada"). Además, según el principio de incertidumbre de Heisenberg en la Mecánica Cuántica es imposible no tener nada, pues tener un espacio vacío sin nada es un concepto totalmente exacto y certero, y eso no es posible. Es una ley de la naturaleza que debe haber alguna incertidumbre siempre, por lo que aún en la nada debe haber algo para que no esté vacía la nada, pues de acuerdo al principio de incertidumbre nada puede ser nada.

¿Huh? Supongo que no están entendiendo nada. No se preocupen, los físicos tampoco entendemos nada sobre la nada. Pero eso no nos impide hablar de ella o usarla exitosamente en nuestras teorías. Vamos a hacer un poco de historia sobre la nada a ver si entendemos algo sobre esa elusiva cosa que es la nada.

El primer vago que empezó a romperse la cabeza con la nada parece haber sido el filósofo griego Parménides. En unas famosas reflexiones que pusieron a muchos a rascarse la cabeza por siglos, Parménides dice que las cosas o existen o no existen. Y si no existen pues no son nada, y no vale la pena ni hablar de ellas. Pero cuando ocurre cualquier cambio en la naturaleza pues algo se convierte en otra cosa, y ya no es lo que era antes. Por lo tanto pasó de lo que era antes a lo que ahora es. Pero no era eso antes. Y al cambiar pues lo que era antes ya no es. Pero el "no ser" no puede ser. Pues el no ser no es nada, y la nada al no ser nada no existe. Por lo tanto, Parménides concluyó muy lógicamente que todo siempre existe y debe ser siempre igual sin cambios pues el cambiar introduce el concepto de la nada, que parece ser algo ilógico e inexistente. ¿Pero porqué vemos tantos cambios a nuestro alrededor si para entender los cambios hay que hablar de la nada? Parménides parece concluir que todo cuanto vemos es una ilusión, pues la lógica nos dice que el cambio introduciría la nada en la realidad, y eso no se debe permitir por nada.

Tremendo problema que se buscó por nada. Otro filósofo loco llamado Zeno de Elea argumentó que el movimiento también era imposible pues al espacio vacío se le pueden asignar números para medir las distancias entre unas cosas y otras. Pero los números son infinitamente divisibles. Entre cualesquiera dos números, no importa cuan precisos sean ni cuan cerca estén uno del otro, hay siempre un número infinito de otros números. Entre 0 y 1 hay un número infinito de números reales racionales e irracionales. Entre 0 y 0.1 hay otro número infinito de números. Igual entre 0 y 0.01. Y así sucesivamente. No siga por este razonamiento, o le dará un dolor de cabeza infinitamente grande. Y eso son solo los números reales. No me haga hablar de los números imaginarios.

Decía entonces Zeno que si echáramos una carrera entre Aquiles (el más rápido de los mortales) y una tortuga que estuviese a 1 metro de distancia de Aquiles tendríamos entonces un gran problema. ¿Por qué? Porque para recorrer esa distancia habría primero que recorrer ½ metro. Pero para recorrer eso habría que recorrer la mitad de eso ( ¼ ). Pero antes la mitad de eso, y así sucesivamente por un número infinito de mitades. Pero es imposible pasar por un número infinito de lugares en un tiempo finito, por lo tanto Aquiles nunca podrá alcanzar la tortuga. Pero vemos las cosas rápidas pasarle por el lado a las más lentas a cada rato, ¿no? Pero esto es ilógico, así que el movimiento parece ser otra ilusión. (A Zeno y Parménides les hubiese encantado la trilogía de "The Matrix" si hubiesen inventado el cine en su época.)

Aristóteles trató de invalidar estos argumentos sobre las propiedades ilógicas de la nada postulando mecanismos para los cambios y movimientos que los hicieran lógicamente permisibles. Según Aristóteles cada cosa que cambia tiene la potencialidad de ese cambio en sí misma. Todos llevamos los cambios y los movimientos por dentro, y cambiamos debido a la causalidad. Otras cosas nos obligan a cambiar. No hay que hablar nada de la nada. Y para Aristóteles el universo estaba lleno de cosas siempre. No había espacios vacíos sin nada. Decía que "la naturaleza aborrece el vacío". Si se crease un espacio vacío sin nada, algo correría a llenarlo inmediatamente. Por lo tanto nunca habría nada donde no hubiera nada. Nada que hablar de la nada. Problema resuelto. Al menos eso nos asegura Aristóteles. Pero este argumento sobre la imposibilidad de la nada como que no nos convence para nada.

Pero como dije en el primer párrafo (del cual no entendimos nada) la física moderna del Siglo 20 parece haberle dado la razón a nuestro amigo Aristóteles, al menos en su concepción sobre la imposibilidad de la nada sin nada. La nada no puede estar vacía. Aunque no haya nada debe haber algo. Aunque es matemáticamente permisible hablar de espacios sin nada (que a su vez pueden tener dimensiones adicionales de las que nada se ve), la física cuántica nos dice que como se pueden crear partículas de la nada pues aún el espacio vacío sin nada con la más baja energía no puede no tener nada. La nada no es nada sino que siempre es algo. El vacío en la física no está vacío. Se le llama vacío por pura deferencia histórica al estado de un sistema con la menor energía posible. Pero esta energía de la nada nunca puede ser cero. Hay energía del vacío. O sea, que la nada tiene energía que sale de la nada. Y para que no crea usted que esto es una mera discusión filosófica que no tiene nada que ver con la realidad, pues se han hecho experimentos que miden la nada. Así como lo oye, las fuerzas que un estado vacío sin nada puede ejercer sobre cosas materiales son medibles y calculables. Se le conoce como el "efecto Casimir" a las fuerzas que un vacío cuántico puede ejercer sobre dos placas metálicas entre las cuales no hay nada, y que provienen de las partículas virtuales que siempre se están creando y destruyendo de la nada. Además en Relatividad General se puede tener huecos negros hechos de nada, pues el espacio vacío sin nada tiene gravedad que se autogenera a sí misma. Así que llegamos a la aparente paradoja de que en la física la nada se lo puede tragar todo.

Creo que ya los enredé bastante si llegaron leyendo hasta aquí de este artículo que al final nada concluye sobre la nada. Nada, que creo que lo mejor es que ya no diga más nada.

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