Abriendo la puerta a una Revolución

En el día de hoy reportan los noticiarios que se hizo historia en la Física. El acelerador de partículas más grande del mundo, el LHC (Large Hadron Collider), rompió el récord de energía para una colisión entre 2 haces de protones llegando a la friolera de 7 TeV (Tera electronvoltios – para los mortales comunes un electronvoltio es la energía de un electrón acelerado por una diferencia en potencial de un voltio. Es una unidad de energía bien bajita para los humanos, ya que una batería AA tiene 1.5 voltios y en un segundo acelera trillones de electrones, pero es que los protones son chiquirritititos. Además un TeV son 10¹² o un cuadrillón de electronvoltios. En la escala de un choque de protón con otro eso es una energía Super Mega Ultra Extra Enorme).

Esto le tumbó el récord al acelerador de partículas Tevatron de Fermilab, siendo 3 veces y media más grande. Los americanos quedaron segundos en la carrera científica (otra vez) y los europeos le acaban de comer los dulces. Todo por macetas y guerreristas ya que la NSF había aprobado planes para un SSC (Superconductor Super Collider) en Texas que iba a ser mucho más grande y potente que el LHC. Pero después de invertir 2 billones de dólares y ver que los costos iban a ser mucho mayores que lo planificado originalmente, el Congreso mató el SSC en el 1993.

El LHC, que se encuentra en un túnel de 27 kilómetros de largo instalado en la frontera entre Francia y Suiza, también tuvo su cuota de grandes problemas. Luego de años de trabajo en su construcción, el acelerador se detuvo pocos días después de su inauguración en el 2008, y estuvo 14 meses en reparaciones. (Y ni pregunten a cuanto ascendió la cuenta del mecánico, y porqué un instrumento electrónico tan grande vino sin garantía del manufacturero).

Sin embargo, tras su relanzamiento en noviembre del 2009, el gigantesco acelerador-(que costó unos $5,250 millones de dólares)- realizó varias hazañas científicas sin precedentes. Pero hoy botó la bola al romper el récord de colisiones a altas energías. Claro, ahora ejércitos de ingenieros y físicos tienen que sentarse con los Terabytes de data recogida por los detectores a ver que salió de ese Gran Choque Subatómico. Al menos no se creó ningún hueco negro que se tragara la Tierra, no se destruyó el contínuo del espaciotiempo, y estamos todos vivitos y coleando.

Y supongo que ya la gran mayoría de la gente se estará preguntando: ¿y para qué sirve chocar unos protones con otros en una máquina tan grandota y tan cara? Son experimentos para verificar (o si tenemos suerte, hasta probar que están mal) las teorías de la física más modernas que tenemos. Al meter tanta energía en un espacio tan pequeño no solo podemos ver como se comportan los quarks de los que están hechos los protones, sino que gracias a la famosa ecuación de equivalencia de masa y energía de Einstein ( E = mc² ) se pueden crear pares de partículas y antipartículas nuevas que aparecen de la nada. Es esa la parte que todos los físicos quieren ver con detalle. A ver si agarramos una de esas partículas fantasmales que jamás hemos visto nunca, pero que según nuestras teorías sospechamos fuertemente que deben existir. Si las vemos probamos nuevas teorías y ganamos Premios Nobeles. Si no, ya sabemos que tenemos que modificar o inventar nuevas y más grandiosas teorías de como funciona el universo y la materia que hay en él.

Densidades de energía de esta magnitud no se habían visto desde unas millonésimas de segundos después del “Big Bang” con el que inició este universo. (Impresionante logro para unos monitos con corbata, ¿no?) Los físicos cuánticos y de supercuerdas quieren ver si aparece el Bosón de Higgs, (una partícula hipotética que se supone es responsable de la masa de los demás quarks cuando se rompió la simetría esencial que debe haber entre todos ellos a aún mucho más altas energías donde todas las fuerzas de la física se vuelven una misma cosa). También se buscan inflatones y WIMPS (partículas inventadas para explicar la materia oscura necesaria para entender este universo con la demasiado de poca masa que podemos ver con nuestros telescopios más avanzados). Y si tenemos aún más suerte veremos “superpartners” (partículas de alta energía que según la hipótesis de la supersimetría deben corresponder a las partículas que conocemos. Si vieramos una de esas sería un gran triunfo para la teoría de TODO conocida como la Teoría M o Teoría de Supercuerdas).

Sea como sea, todos los físicos tenemos los dedos cruzados, y esperamos que esta inversión billonaria en la más avanzada tecnología nos traiga grandes revoluciones en la física, y en nuestro entendimiento de cuales son y cómo funcionan las leyes que rigen a este universo donde vivimos.

LHC es un éxito de la Física, aún frente a una propaganda irracional

El inicio de las labores de encendido y manejo del haz de partículas en el Large Hadron Collider (LHC) en Ginebra fue todo un éxito. Otro gran paso de la Física en la búsqueda de la verdad.

Gracias al cielo que hacer en la Física y la ciencia experimental se decide por lógica y racionalidad, y no por miedosos que no saben de lo que hablan.

El LHC y muchos proyectos billonarios de investigación científica van a continuar porque el conocimiento del mundo en que vivimos y sus leyes matemáticas es INDISPENSABLE para la supervivencia humana.

La Física y la ciencia son las partes MÁS IMPORTANTES de la cultura moderna. Y el legado más importante de la ciencia es un método de pensar racionalmente, y basado en evidencia empírica y leyes matemáticas comprobables. Precisamente lo OPUESTO a los argumentos irracionales de los que creen que se debe detener el progreso y la física fundamental de la materia porque hay un chance de 10^-40 de que se forme un micro-hueco negro.

De por Dios... Esto no es para un Premio Nobel. Es PARA ENTENDER COMO FUNCIONA LA NATURALEZA y DE DONDE VINO.

Eso es lo importante.

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Los teóricos de supercuerdas se rehúsan a morir

"Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that's not why we do it." -- Richard Feynman

Leyendo los montones de resúmenes de artículos que tenía atrasados en el repositorio electrónico de trabajos en Internet que están sometidos para publicación en revistas científicas en las áreas de relatividad, cosmología y teoría de supercuerdas me encontré con un artículo muy interesante, y más o menos entendible sin muchas matemáticas que quiero compartir con los lectores del blog.

He comentado anteriormente en el blog sobre la controversia que existe actualmente entre los teóricos de supercuerdas y sus competidores en otras áreas de gravedad cuántica y física fundamental. Un campo cree que la teoría de supercuerdas es nuestra mejor apuesta en este momento para lograr una "Teoría de TODO" que explique todas las partículas y fuerzas subatómicas conocidas en un marco matemático único y simple. El otro campo cree que esta teoría de supercuerdas es pura filosofía sin contenido empírico posible y que dejó de ser ciencia hace años por lo que no merece que se invierta más dinero en ella.

La actual teoría de supercuerdas en realidad dejó de ser efectivamente de "cuerdas" de una dimensión en un espacio de 10 dimensiones para convertirse en una teoría de objetos uni, bi-, tri- y multidimensionales conocidos como "branas", (palabra corta derivada del término membrana por la imagen visual de una superficie bidimensional empotrada en el espacio tridimensional que todos podemos ver) en un espacio de 11 dimensiones donde todas las posibles teorías de supercuerdas son duales y transformables unas a otras.

La versión actual conocida como Teoría-M postula que todas las partículas fundamentales de las que están hechas las galaxias y el gas interestelar que constituye la materia visible del universo, así como las que median las fuerzas e interacciones cuánticas entre estas partículas materiales, están todas constituidas de estas branas multidimensionales vibrando de diferentes maneras y a diferentes frecuencias. Que hace a una brana vibrar como un electrón, un quark "up", un neutrino, un fotón o un gravitón depende de las simetrías matemáticas que gobiernen la sección de espacio y tiempo de cuatro dimensiones en la que vivimos atrapados los integrantes de este universo. Y a su vez esta lasca ("slice") de cuatro dimensiones que es nuestro universo es una gran brana inflada que coexiste con vaya usted a saber cuantos otros universos en las otras siete dimensiones invisibles que no podemos ver, y cuya existencia solo se podría inferir matemáticamente si la teoría resultase ser cierta. Al set de modelos que dicen que nuestro universo es una brana gigante empotrada en un espacio de dimensiones invisibles adicionales aún más grande (al que nos referiremos como el "cuerpo" ["the bulk"]), se conocen como modelos de Braneworld.

La teoría de supercuerdas es indudablemente hermosa. Y para los que hemos hecho física teórica por muchos años y conocemos las historias de éxito de Newton, Maxwell, Einstein, Feynman y varios otros que crearon teorías exitosas como la Mecánica Newtoniana, la Unificación Electromagnética, la Relatividad General y la Teoría de Campos Cuánticos la teoría de supercuerdas "huele" bien. Es decir, usando solo los postulados más generales de simetría se han encontrado resultados matemáticos que resuelven un montón de problemas en la Teoría de Campos Cuánticos, elimina varios cálculos problemáticos que daban resultados infinitos y absurdos, produce una acción idéntica a la de la Relatividad de Einstein que es finita y consistente en todos los términos de una expansión perturbativa, etc. Aunque estos éxitos solo son logros matemáticos sin contenido empírico apuntan a que esta teoría tiene futuro, resuelve muchos problemas de forma natural aún cuando uno no estaba buscando la solución, y apunta hacia un gran potencial si tan solo uno lograra dar con las ecuaciones exactas de la teoría y un set de estados de "ground state" sobre los cuales montar cálculos que predigan cosas concretas. Pero su multidimensionalidad, y las infinitas maneras de empaquetar y hacer invisibles las 7 dimensiones adicionales que necesita la teoría (pero que no vemos), es lo que hace de esta tarea como buscar una aguja en una galaxia con billones de planetas llenos de pajares. El armazón de la teoría es exquisitamente bello y sus simetrías poseen un gran potencial para unificar todas las fuerzas y partículas en un mismo paquete, pero como no tenemos absolutamente ninguna pista experimental en la que basarnos eso la hace una teoría "no falsable". A los seguidores de la filosofía de la ciencia según Karl Popper eso la hace ser un embeleco no científico sin nada más que decir, pero muchos físicos (incluyéndome a mí) tenemos serias dudas epistemológicas de que el criterio de falsabilidad de Popper sea universalmente válido para toda la ciencia, y que quizás esta controversia de las supercuerdas sea una situación novel para la cual este criterio no estaba diseñado.

En este interesante artículo que salió el 15 de Mayo en el archivo electrónico hep-th ("High Energy Physics – Theory") escrito por Mauricio Gasperini del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare de Italia se usa un modelo genérico de Braneworld para descubrir otra de esas coincidencias asombrosas que produce la teoría de supercuerdas y que quizás pueda explicar el gran problema de la constante cosmológica de una manera empíricamente accesible.

El misterio de la constante cosmológica es el siguiente: Se supone que en Relatividad General toda forma de energía o materia tenga efectos gravitacionales. Si solo existiera la materia que vemos el universo no sería plano sino abierto (expandiéndose lentamente por siempre). Pero vemos de la data precisa del fondo de microondas de WMAP que tenemos un universo plano. Y peor aún, de la data de lejanas supernovas 1A podemos inferir que la expansión está acelerándose según pasa el tiempo. Eso requiere que la constante cosmológica no sea cero y el universo esté lleno de algún tipo de "energía oscura". Hemos discutido estos descubrimientos de la cosmología moderna en artículos anteriores del blog. Pero como hemos explicado antes se supone que según la Mecánica Cuántica el universo estuviese lleno de partículas virtuales que harían que el espacio vacío tuviese una energía no cero con efectos gravitacionales. Parecería que esto es lo que necesitamos pero hay un problema. La energía que predice la Teoría de Campos Cuánticos es 10¹²⁰ veces mayor que la observada. Esto es un error tan y tan y tan grande que implica que hay algo mal con alguna de las 2 teorías, sino las dos. Ese número es tan grande que es casi infinito. En Mecánica Cuántica se ha encontrado este problema antes. La cura generalmente estaba en usar simetrías matemáticas para renormalizar el resultado. Es decir, buscar otro cálculo simétrico que produzca un resultado infinito en la dirección contraria y que al sumarse cancele las dos cantidades infinitas dejando solo términos finitos que encajan muy bien con los datos experimentales observados. Pero aquí este truco no va a funcionar. Si cancelamos la energía del punto cero con simetrías nos quedaríamos con una constante cosmológica igual a cero, pero la data experimental dice QUE NO ES CERO sino un valor muy pequeño.

Aquí es donde las teorías del Braneworld vienen al rescate según el artículo de Gasperini. Supongamos que existiera supersimetría, tal y como predicen las teorías de supercuerdas, pero que esté rota y postulamos que se restablece a energías de Teraelectronvoltios (TeV) (según los modelos más simples compatibles con la evidencia moderna de aceleradores de partículas que aun no han visto ninguna de las super-contrapartes que predice la supersimetría). Si eso fuese así la existencia de supersimetría a esas energías permitiría cancelar parte de la energía del vacío reduciéndola a solo 10⁶⁰ de lo observado. Todavía es una energía gigantescamente grande, pero por lo menos reducimos el problema a la mitad. Para un optimista esto es progreso.

El próximo paso del trabajo de Gasperini es mucho más bonito y sorprendente. En las teorías de Braneworld la gravedad, al ser un campo de spin 2 y acoplarse a todo el espaciotiempo, puede salir fuera de la brana que es nuestro universo. Eso quiere decir que a distancias de escalas bien pequeñas en donde la gravedad pueda propagarse a las dimensiones adicionales se reduciría la fuerza de gravedad grandemente ya que decaería como 1/rⁿ en vez de decaer como 1/r² que vemos en la gravedad Newtoniana en nuestra brana de espacio tridimensional. Si quedara en nuestra brana solo la constante cosmológica de 10^-120 M_P⁴ que vemos eso requeriría una curvatura en las dimensiones adicionales que al romper la supersimetría de la teoría RESULTARÍA JUSTAMENTE en la escala de TeV que necesitamos postular al principio.

Esta coincidencia matemática no solo es hermosa y increíblemente asombrosa, sino que mejor aún predice que debiéramos ver super-contrapartes de las partículas materiales de nuestro universo en el Large Hadron Collider (LHC). O sea, que hace una predicción experimental (bueno, a medias). Si vemos estas partículas en el LHC la reputación de los modelos de supercuerdas crecería inmensamente. Pero como argumentan los críticos la teoría es "no falsable" porque si no se viesen hay montones de parámetros extradimensionales que harían que la teoría siguiese vigente. Es decir, podemos tener evidencia confirmatoria y eso sería excelente. Pero si no la tenemos no demostramos con eso que la teoría sea falsa.

Pero algo es algo, ¿no? Al menos Gasperini tiene un pequeño chance de ser el próximo Einstein.

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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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Ciencia, verdad y consenso

Hemos recalcado antes que la ciencia es una disciplina humana que busca la "verdad". Su meta es explicar de la forma más certera posible las cosas que todos podemos ver cuando observamos el mundo con cuidado. Detesta la falsedad, y si encuentra que alguna explicación de los sucesos del mundo no concuerda con lo que todos objetivamente pueden ver la descarta. Es por eso que se considera a la ciencia como una disciplina confiable y siempre en progreso. Porque su método de estudio y su ética de trabajo es "auto-correctiva". Se puede decir que el método científico es el mejor "detector de mentiras" inventado por la humanidad. Y la mejor prueba de esto es el impresionante historial de progreso de todas las ciencias desde que en el Siglo 17 Galileo Galilei sentó las bases fundamentales de cómo hacer una ciencia moderna y exitosa.

En esencia la ciencia moderna se caracteriza por ser "falsable". Es decir que nunca se sabe a ciencia cierta si una teoría científica es cierta. Lo que sí se sabe con certeza es que si una teoría no concuerda con la realidad empírica que se puede observar de manera objetiva pues entonces es FALSA. Según Karl Popper ese es el criterio definitorio de esa empresa colectiva que conocemos como CIENCIA. Pero en verdad a nosotros nos interesa saber cómo funciona el mundo y que va a pasar en el futuro, aunque técnicamente lo único que sabemos con seguridad es COMO NO FUNCIONA.

La "verdad" científica es un concepto más elusivo y difícil de tener. En esencia algo es "verdad" en la ciencia si la mayoría de los científicos creen en ese momento de la historia que es verdad. La verdad la deciden por consenso la mayoría de los que componen la comunidad científica de la época. Lo que hoy es verdad, mañana puede que no lo sea. Sin embargo, no siempre hay consenso entre los científicos sobre cuando una cosa es verdadera o no. A veces se suscitan debates grandísimos entre dos o más contendientes al título de "Verdad Científica". Los debates duran hasta que uno de los grupos logra convencer a los demás usando la lógica y la evidencia, ya sea confirmando algunas predicciones importantes de uno de los contendientes o demostrando que algo de lo que se alega es falso y no corresponde con la evidencia que se obtuvo.

Lo más impresionante de la historia de la ciencia es que estos debates se rigen totalmente por la lógica y la razón, con unas reglas de debate justas y equitativas, donde se les da oportunidad a todos por igual de presentar su caso, y con una ética de honestidad intelectual envidiable. Como en toda empresa humana, siempre se cuelan algunos embusteros, tramposos y chanchulleros pero en mucha menor cantidad que en la política, la religión, los negocios, los vecindarios o las disputas familiares. De nuevo, y aunque suene un poco arrogante, la física y las ciencias naturales son las actividades humanas donde se adquiere EL MEJOR TIPO DE CONOCIMIENTO CONFIABLE y ÚTIL. Todos debiéramos de emular la forma lógica de pensar, la duda institucionalizada, y la ética del debate de las ciencias en muchos otros ámbitos de nuestra sociedad y nuestra vida diaria.

En este video se ve al Dr. Lee Smolin comentando sobre cómo se dan estos debates en la ciencia. El Dr. Smolin es un cosmólogo muy famoso del Perimeter Institute for Theoretical Physics de Canadá y que acaba de publicar un excelente pero controversial libro criticando la teoría de las supercuerdas titulado "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next". Es el último y el más famoso de una serie de libros que han salido recientemente con este tipo de críticas. Smolin argumenta que la teoría no es falsable porque no se pueden hacer experimentos para probar si es cierta o no. Esto no es culpa de la teoría sino de que ella postula que las supercuerdas son de tamaños del orden de un largo de Planck (una unidad natural en gravedad cuántica construida de G, c y ħ y que es del orden de 10^-35 cm. En gravedad cuántica esta es la unidad más pequeña que puede haber. Ninguna partícula material puede estar a menor distancia de otra que esto). Esto hace que sea totalmente imposible tener evidencia experimental sobre las supercuerdas y sus propiedades en detalle, pues para resolver cosas tan pequeñas se necesitarían aceleradores de partículas billones de veces más potentes que los que tenemos y que usarían más energía que la que emiten todas las estrellas de nuestra galaxia. Muchos críticos argumentan que una teoría del mundo sobre la cual no se pueden hacer predicciones experimentales no es ciencia sino filosofía.

Los defensores de las supercuerdas argumentan que si se puede lograr una teoría consistente y completa que se reduzca a la Mecánica Cuántica y a la Relatividad General pues se está de acuerdo con toda la evidencia que tenemos, lo que ninguna teoría ha logrado hacer hasta ahora. Han diseñado propuestas para tratar de medir efectos de scattering sobre las supercuerdas de la luz que viene de quasares a billones de años-luz de distancia, y que puede que esos efectos ultra-minúsculos se sumen hasta producir efectos medibles luego de que la luz recorra tan grandes distancias. También se busca medir en aceleradores de partículas efectos que denoten la existencia de supersimetría o de dimensiones grandes adicionales a las 4 de nuestro espaciotiempo que proponen ciertas cosmologías de "brane-worlds" basados en teoría de supercuerdas (de todo esto habrá que hablarse en más detalle en entradas futuras del blog). La cuestión es que aunque aceptan que es casi imposible verificar predicciones nuevas de la teoría de supercuerdas, los defensores creen que esto se puede hacer en un futuro, y que quizás la ciencia no necesariamente tiene que cumplir con el criterio Popperiano de falsabilidad.

Otra de las críticas de Smolin indica que la teoría de las supercuerdas creció desde la Mecánica Cuántica y luego descubrió que puede incorporar el Lagrangiano de la Relatividad General, en esencia creando la curvatura del espaciotiempo y la gravedad de enjambres de supercuerdas en un universo plano y con una estructura del espaciotiempo fija y definida. Pero esto va contra el espíritu de la teoría de Einstein de que toda teoría debe ser relativa en donde cualquier marco de referencia debe ser tan válido como cualquier otro y no hay observadores privilegiados. Esto implica que cualquier teoría de física fundamental debe ser válida en cualquier espaciotiempo de cualquier forma que tenga la misma topología del que estemos usando en un momento dado. A esto Smolin le denomina como que la teoría debe ser "independiente del fondo" ("background independent"). Es decir que la teoría correcta del universo no debiera de casarse con, o solo funcionar en un espaciotiempo de fondo particular. Como la teoría de supercuerdas adolece de esto, los críticos dicen que es muy improbable que funcione.

Otro problema de la teoría de supercuerdas es que algunos de sus resultados más famosos y elegantes son en casos particulares de mucha simetría que no se han visto en la naturaleza y la empresa depende de que estos resultados se puedan generalizar a TODOS los casos del universo en donde apliquen. Los teóricos de supercuerdas asumen implícitamente que esto es cierto pero no tienen ni seguridad ni pruebas matemáticas de que esto sea así. Por eso Smolin, que es uno de los campeones de una teoría de gravedad cuántica competidora con las supercuerdas conocida como "loop quantum gravity" argumenta que las fundaciones como NSF que financian la investigación científica y las universidades no debieran poner todos los huevos en la canasta de las supercuerdas. Que les debieran tirar con chavos y trabajos académicos a los estudiantes graduados de proyectos minoritarios y medio "loquillos" como los de Smolin y otros grupos que cada vez más fuerte critican la empresa de la teoría de supercuerdas.

Es un debate científico la mar de interesante que está empezando a ganar atención de revistas populares, estaciones de radio, programas de TV de PBS como NOVA, y blogs (como éste). Y de nuevo ilustra nítidamente como se llevan las "guerras" en la ciencia entre adversarios acérrimos. Ojalá las peleas de presupuesto, status, y desarrollo de nuevas leyes entre populares y penepés se diera con el civismo, la inteligencia y la lógica de los debates entre físicos teóricos.

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La Madre de las Teorías Científicas

Como ayer fue el Día de las Madres, (¡Hola mami!, espero que estés leyendo esto), pero yo vivo obsesionado con la Física por su belleza, asombro y esplendor, pues voy a dedicar esta entrada al candente debate que se está suscitando actualmente entre dos campos opuestos de físicos teóricos sobre las TEORÍAS DE TODO. El “Santo Grial” de la Física, (es decir, la meta deseada de todo físico), es poder explicar TODO lo que se ve en la naturaleza con un set de ecuaciones matemáticas lo más reducido posible, donde cada una de ellas sea lo más chiquita, simple y elegante posible. Esto, claro está, es relativo. Lo que es simple y elegante para uno puede ser muy complejo y feísimo para otro. Pero al menos para la gente con un doctorado en Física esta ciencia debe ser lo más “fácil” y “bonita” que se pueda tener.

Aunque mucha gente encuentra esto sorprendente e increíble por los mitos y la mala fama que adquiere la Física desde la escuela elemental, y los clichés sobre la ciencia que vemos en películas y novelas de ciencia-ficción. El que no es físico cree que la Física es una disciplina horrendamente difícil, fea, incomprensible y odiosa que es bueno verla de afuerita, pero que solo un loco bien “nerdy” escogería como profesión para toda la vida. Pero para los físicos teóricos lo que nosotros estudiamos es una disciplina creativa sumamente hermosa y elegante. La Física de los últimos 30 años ha estado motivada casi totalmente por la estética. Como no tenemos data experimental accesible, (pues ésta requiere muy altas energías y por tanto máquinas que cuestan varios billones de dólares), pues buscamos tener las teorías más LINDAS y FÁCILES posibles. Estamos guiados por el principio de que “la belleza es la verdad, y la verdad debe ser bella”.

Claro, hay otra pequeña limitación en las ciencias. Tu hermosa y escultural teoría NO PUEDE PREDECIR NADA FALSO ni contradecir la data experimental que se conozca hasta ese momento. En esencia eso quiere decir que bajo las condiciones de relativamente baja energía a la que los humanos tenemos acceso tu teoría debe terminar pareciéndose mucho a las 2 teorías actuales que cumplen con este requisito de ser siempre correctas empíricamente. Como todos ya saben de leer mis entradas anteriores, estas 2 teorías son la Mecánica Cuántica y la Relatividad General.

La Madre de las Teorías de TODO es el set de teorías conocidas como “Superstring Theory” o teoría de supercuerdas. Y la teoría que postula que las diferentes teorías de supercuerdas se pueden convertir unas en las otras mediante ciertas transformaciones matemáticas conocidas como “dualidades” se conoce así como “M-Theory”. El nombre se lo puso uno de los Decanos de la teoría de supercuerdas, Edward Witten, aunque él nunca ha dicho de que palabra es inicial esa misteriosa M (¿Madre? ¿Misteriosa? ¿Maldita? ¿Mágica?) .

De una década para acá todos los físicos teóricos jóvenes e inteligentes querían trabajar en esto. Esta teoría está “pegá” y como 8 de cada 10 profesores nuevos de física teórica en universidades norteamericanas y europeas era un teórico de supercuerdas. La teoría se empezó a vender en la prensa y las conferencias científicas como la culminación del sueño de Einstein de lograr una teoría de campos unificada que explicara todas las partículas fundamentales y todas las fuerzas de la naturaleza en un marco conceptual simple, bonito y sin cálculos que dieran resultados infinitos y absurdos (como le pasa tanto a la Mecánica Cuántica como a la Relatividad General en varios casos). Todo parecía indicar que en unos pocos años se obtendría una teoría única y consistente que se redujera a la Mecánica Cuántica en el ámbito de partículas subatómicas de baja energía, y a la Relatividad General en el ámbito de gravedad y la curvatura del espaciotiempo. Muchos físicos optimistas predecían hace 15 o 20 años que la teoría de supercuerdas sería “el final de la física teórica”: la teoría final que lo explicaría todo en principio y que sería el paradigma a seguir para todas las otras ciencias de la naturaleza. Todas las universidades y las agencias gubernamentales que financian la ciencia pura se tiraron con fuerza detrás de este proyecto tan ambicioso.

Pero luego del período conocido como “La Segunda Revolución de las Supercuerdas” hace ya más de 10 años el proyecto parece avanzar a paso de tortuga. Ninguna de las promesas grandiosas se ha materializado aún. Es muy temprano para decir que la teoría de las supercuerdas está mal o que no sirve, pero han empezado a salir varios críticos vocales que creen que la teoría de supercuerdas ha sido un fraude y que no se debe gastar tanto dinero ni recursos en ella como hasta ahora. Un debate científico está tomando forma y parece que va en dirección a una guerra revolucionaria campal entre los defensores de la teoría de las supercuerdas (el “Imperio” que ahora es mayoría y tiene muchos recursos) y los críticos con teorías alternas (los “rebeldes” que quieren cambiar el estado de cosas en la Física). Esta guerra puede cambiar nuestra concepción básica de la realidad y el universo (oootra vez).

Mañana haremos un resumen de los argumentos a favor y en contra de la teoría de supercuerdas de ambos campos. No se lo pierdan. ¿Ven que la ciencia es tan excitante como una telenovela o una serie televisiva de acción y suspenso?

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Más reportes desde la frontera

Más reportes de algunas de las conferencias más interesantes que he oído acá en el Encuentro Anual de la APS

¿Adonde se fueron los quasars?

Debido a la expansión de nuestro universo y a que la velocidad de la luz es un número finito que no se puede sobrepasar, mientras más lejos vemos que está algo más tiempo se ha tardado la luz en llegar desde ese sitio hasta la Tierra. Por eso ver cosas lejanas es verlas como eran hace billones de años atrás. Los quasars (el nombre viene de “quasi-stellar objects” porque parecen estrellas pero por estar tan lejos no pueden ser estrellas porque para poder verlos cada uno solito tiene que emitir tanta luz como la producida por BILLONES de estrellas juntas) son objetos que solo se ven a distancias de más de 10 billones de años luz. Ninguno se ve cerca de nosotros. Parece que estas mega-estrellas super-brillantes aparecieron poco después del Big Bang, iluminaron el universo por un corto tiempo, y luego se desparecieron para siempre. Hace unos pocos años atrás nadie sabía que eran los quasars, ni como funcionaban, ni porque a diferencia de otros objetos astronómicos solo existieron por un corto tiempo (astronómicamente hablando). Hoy en día creemos que los quasars eran huecos negros supermasivos. Bestias que pesan más que un millón de soles, pero cuyo tamaño es menor que nuestro Sol. Con una fuerza de gravedad tan fantásticamente grande que podían tragarse trillones de toneladas de gas y materia estelar por segundo. Al tragarse tan gigantescas cantidades de gas que caían hacia el super hueco negro a la velocidad de la luz creaba unas temperaturas tan y tan grandes que emitían esas brutales cantidades de luz que vemos a billones de años luz de distancia. Parece que cuando empezaron a formarse las primeras galaxias estos super huecos negros eran comunes, y había tanto gas y materia oscura primordiales en estos bolsillos pre-galácticos que por eso se ven tantos quasars a estas distancias cosmológicas tan grandes. Varios astrofísicos han encontrado versiones de los quasares más pequeñas mirando las galaxias en rayos X en vez de con luz visible. Pues parece que estos huecos negros comelones se esconden ahora en nubes de polvo y gas que no dejan ver la intensa luz que caracterizaba a sus “abuelos”.

El paisaje de las supercuerdas y el principio antrópico

La teoría de las supercuerdas aunque es bonita y parece unificar todas las fuerzas y partículas elementales en una sola TEORÍA DE TODO tiene varios problemas que aún no se han resuelto. Uno de ellos es que como expliqué antes, la teoría predice que nuestro universo debiera tener 11 dimensiones, pero nosotros solo vemos 4. ¿Para que complicarse con 7 dimensiones extra, y por qué jamás las hemos visto? Para que esta teoría tan bonita funcione hay que esconder estas dimensiones extras de alguna manera. Mayormente se piensa que hay que de alguna manera espachurrarlas a dimensiones ultra-microscópicas para que así no se “vean”.

El problema se complica porque todas las observaciones modernas están de acuerdo en que tuvo que haber un proceso inflacionario que hiciera crecer explosivamente a nuestro universo de forma super-rápida en los primeros milisegundos después del Big Bang, pero que luego deje solo un pequeño remanente de energía oscura que continúe acelerando levemente la expansión universal por los próximos 14 billones de años.

Por razones matemáticas que no tengo tiempo de explicar parece haber millones de maneras diferentes de “apachurrar” las dimensiones extras de las teorías de supercuerdas para cumplir con estos tres requisitos de los datos que vemos de nuestro universo. ¿Cómo vamos a escoger cual es la manera “correcta” de “apachurrar” las dimensiones extra de las supercuerdas para tener UNA SOLA TEORÍA unificada que explique TODO en el universo? Porque tener millones de teorías que funcionen y que ninguna se pueda verificar experimentalmente le parece a muchos científicos MUCHO PEOR epistemológicamente hablando que no tener NINGUNA.

Varios teóricos de supercuerdas han lanzado al ruedo la idea de que quizás haya que usar el principio antrópico para decidir esto. El principio antrópico más o menos dice que si todas estas millones de maneras de construir una teoría del universo son igualmente probables debemos usar el hecho de que estamos vivos para seleccionar cual de estas posibilidades es la correcta, pues muchas de ellas producirían universos donde las estrellas brillan mucho o muy poco. O donde la gravedad es muy fuerte o muy débil. O donde los átomos de la Tabla Periódica serían muy chiquitos o muy grandes. Todas estas otras posibles “leyes de la Física” desbaratarían el fino equilibrio necesario para tener galaxias con estrellas duraderas y aisladas donde pueda haber planetas rocosos con agua líquida con la suficiente energía y estabilidad para permitir procesos de evolución biológica que duren billones de años. Es usar la biología y la vida para explicar la física y la química, en vez de al revés como uno lógicamente pensaría que debiera ser.

Este issue del principio antrópico es un problema filosófico que requiere de otros artículos subsiguientes en el blog para examinarlo adecuadamente. Es la mar de interesante y controversial. Así que lo volveré a tocar en más detalle en un futuro cercano.