Nota del editor

La ciencia es un conjunto de conocimientos y actividades. Por un lado, es conocimiento adquirido; todo aquello que sabemos acerca de la naturaleza, de los fenómenos que tienen lugar en ella: las observaciones y experimentos realizados, al igual que las teorías producidas que nos permiten ordenar conjuntos de fenómenos y así «entenderlos». La mayor parte de los libros de divulgación, ensayo o historia que se ocupan de la ciencia, tratan de esos apartados de la ciencia, del conocimiento ya adquirido. Pero la ciencia no se limita a eso, a lo que, con mayor o menor seguridad, sabemos, sino que es también —acaso sobre todo— búsqueda de soluciones y de problemas nuevos, ideas que se imaginan y que se prueban. Se trata de un mundo fascinante, en el que el científico siente la aventura y la magia de la búsqueda de lo desconocido; una búsqueda que le obliga a desplegar algo de lo mejor que posee la especie humana: la imaginación. Una imaginación sometida constantemente al control del razonamiento lógico y de la comprobación.

Los títulos que componen la presente serie, Fronteras del conocimiento, pertenecen al raro, por escaso, dominio bibliográfico en el que los protagonistas son las ideas que científicos distinguidos manejan para intentar resolver problemas abiertos en un conjunto de dominios que, sin exagerar, podemos denominar «fundamentales», «básicos»: el Universo, la Vida, la Mente, el Pensamiento y la Cultura.

Bajo la experta batuta del editor estadounidense John Brockman,* Fronteras del conocimiento ha reunido a los científicos y pensadores más influyentes de la actualidad para que presenten sus más profundos pensamientos y teorías más provocativas mediante ensayos breves y accesibles sobre los aspectos esenciales de esos dominios. Pocas veces los lectores dispondrán de una ocasión mejor para llegar a saber qué es realmente la ciencia y para hacerse una idea de cuáles son las principales incógnitas a las que se enfrentan en la actualidad los científicos; incógnitas que cuando se despejen acaso muestren la realidad bajo luces completamente diferentes a las que ahora estamos acostumbrados. En este sentido, Fronteras del conocimiento es también una puerta abierta al futuro.

José Manuel Sánchez Ron

Real Academia Española

1.

El fin del tiempo

Julian Barbour

Físico teórico, autor de The End of Time.

JULIAN BARBOUR: La pregunta que siempre me hago es: ¿qué es el universo y cómo funciona? Yo la abordo desde el punto de vista de la física fundamental: cuestiones básicas de mecánica cuántica y su relación con la mecánica clásica. La mecánica cuántica fue descubierta en 1925-1926. Dio una imagen completamente nueva de la física que entonces resultó muy sorprendente y que aun hoy sigue siendo muy difícil de entender. Sugiere que el mundo no es en absoluto como lo vemos. Esto sigue siendo un gran problema, y cada vez despierta más discusión y más interés por parte de la gente. En esto es en lo que realmente estoy pensando, en cómo explicar que el mundo parece ser clásico. Parece que tenemos un pasado único, parece que los objetos están en posiciones definidas y tienen un futuro definido; eso es lo que parece, pero la mecánica cuántica nos dice que es diferente, que no es así en absoluto. El objetivo es tratar de encontrar una descripción del universo entero que sea mecano-cuántica y entender cómo, pese a todo, puede presentarse como el mundo clásico que en realidad vemos y experimentamos.

Llegué a ello por casualidad, leyendo un artículo en un periódico sobre los intentos que el gran Paul Dirac, uno de los descubridores de la mecánica cuántica, estaba haciendo hace unos cuarenta años para unificarla con la teoría de la relatividad general de Einstein. Él había tropezado con un hecho bastante sorprendente y esto le llevó a preguntarse si la imagen del espacio-tiempo que era la base de la teoría de Einstein era realmente tan fundamental como la gente había pensado. Esto me impulsó a pensar en el tiempo mismo. Durante casi 36 años he estado pensando en el tiempo y tratando de entenderlo en el nivel más fundamental. Si nos fijamos en la historia de la física, sorprende el pequeño número de personas que han pensado en el tiempo y en lo que realmente es. El propio Einstein solo pensó sobre ciertos aspectos del tiempo; nunca se preguntó qué significa decir que un segundo hoy es lo mismo que un segundo mañana. Esta es una pregunta muy fundamental. Einstein supuso que tiene significado, pero en realidad nunca se preguntó de dónde sale y cómo puede ser eso. Él nunca definió la noción de duración. Así que, en mi opinión, hay aspectos del tiempo que no han sido completamente estudiados.

EDGE: ¿Puede darme otro ejemplo, además de la duración?

BARBOUR: Por supuesto. Una de las grandes preguntas de la física es si hay algún tipo de marco invisible en el que todo se desarrolla. Newton introdujo las nociones de espacio absoluto y tiempo absoluto. El espacio absoluto es como un bloque de vidrio translúcido que se extiende desde el infinito hasta el infinito; es un marco de referencia fijo en el que todo sucede. El tiempo newtoniano es como un río invisible que fluye uniformemente y para siempre. El problema con esto es que no podemos ver ese marco invisible; todo lo que vemos son cosas que se mueven unas con respecto a otras. Este es el punto de vista relacional, frente al punto de vista absoluto de Newton. El reto ha sido crear una teoría que contenga relaciones genuinas entre cosas genuinas, y no relaciones entre cosas reales y cosas no observables. A eso es a lo que he dedicado gran parte de mi tiempo. Me ha dado las ideas que ahora estoy tratando de desarrollar en una cosmología completa, una explicación completa de lo que es el universo.

EDGE: ¿Alguna vez llegó a hablar con Dirac?

BARBOUR: Lo intenté. Yo estaba estudiando en Múnich cuando leí el artículo sobre él. Me quedé tan enganchado en la cuestión del tiempo que volví a Inglaterra para tratar de ver a Dirac en Cambridge. En realidad hablé con él por teléfono, pero no era una persona muy habladora y no estaba muy interesado en conocer a alguien que tenía algunas ideas imprecisas sobre el tiempo. Puedo entenderlo, desde luego.

EDGE: ¿Están las ideas bien horneadas ahora?

BARBOUR: Desde luego no están tan a medio hornear como lo estaban entonces. Definitivamente han tomado una forma. Confío en que algunas tendrán al menos un lugar en la nueva imagen del universo que tantos físicos están buscando a tientas, una imagen que sea completamente mecano-cuántica, y no mitad cuántica y mitad clásica. Lo que mi colaborador italiano Bruno Bertotti y yo conseguimos demostrar es que el mundo es fuertemente relacional de acuerdo con la física tal como la conocemos ahora, pero esto no ha sido reconocido adecuadamente. Las personas como Leibniz y Ernst Mach que criticaban a Newton realmente tenían razón. Einstein de una u otra manera introdujo esto en su teoría sin que nadie, incluyendo el propio Einstein, lo apreciara adecuadamente. El mundo es relacional. Trata de cómo las cosas reales se relacionan con cosas reales. Esto es potencialmente importante para la forma en que tratamos de imaginar el universo cuántico.

EDGE: ¿Cómo encaja usted en la vanguardia de la investigación actual, los teóricos de cuerdas, la gente de la gravedad cuántica?

BARBOUR: Mi trabajo tiene poca conexión directa con lo que hacen los teóricos de cuerdas. Hay dos aproximaciones principales a la gravedad cuántica; una de ellas es la teoría de cuerdas, que es decididamente mucho más popular que la otra. Yo estoy siguiendo una línea al menos dos veces más antigua, pero que es seguida por muchas menos personas. Está estrechamente relacionada con preguntas básicas: ¿qué es el tiempo, qué es el espacio, qué es el movimiento? La ciencia tiene sus modas. Los teóricos de cuerdas son un poco como una jauría de sabuesos siguiendo un olor muy prometedor. Pero es un olor particular. Si pierden el rastro, nada saldrá de la gran cacería. Por el contrario, estas preguntas básicas nunca desaparecerán. De hecho, si la teoría de cuerdas tiene éxito, será muy interesante ver cómo las responde.

EDGE: ¿Qué es lo distintivo de su aproximación?

BARBOUR: Mi idea básica es que el tiempo como tal no existe. No hay ningún río invisible del tiempo. Sin embargo, hay cosas que se podrían llamar instantes de tiempo, o «Ahoras». Conforme vivimos parece que nos movemos a través de una sucesión de Ahoras, y la pregunta es, ¿qué son? Son configuraciones de todas las cosas en el universo, unas con respecto a otras, en cualquier momento, por ejemplo, ahora.

Tenemos la viva impresión de que usted y yo estamos sentados uno frente al otro, que hay un ramo de flores sobre la mesa, que hay una silla ahí y cosas así, que están en posiciones definidas unas con respecto a otras. Mi objetivo es abstraer todo lo que no podemos ver (directa o indirectamente) y simplemente mantener esta idea de muchas cosas diferentes que coexisten en una relación mutua definida. La totalidad interconectada se convierte en mi objeto básico, un Ahora. Hay muchos de tales Ahoras, todos diferentes unos de otros. Esa es mi ontología del universo: hay Ahoras, nada más ni nada menos.

EDGE: Pero ¿de dónde viene nuestra experiencia del paso del tiempo?

BARBOUR: Eso siempre ha resultado difícil de abordar, porque si uno trata de agarrar el tiempo con las manos, siempre se le escapa entre los dedos. La gente está segura de que está ahí pero no pueden hacerse con él. Yo pienso que no pueden hacerse con él porque no está ahí en absoluto. Lo que pensamos que es el flujo del tiempo, e incluso lo que vemos como movimiento, es en realidad una ilusión. Pero yo llego a eso después de ver cómo podría ser la mecánica cuántica del universo entero.

EDGE: Eso suena difícil. ¿Puede dar una imagen sencilla?

BARBOUR: Tomemos un modelo simple; supongamos que solo hubiera tres partículas en el universo y nada más. En algún instante estarían en ciertas posiciones relativas unas respecto a otras y formarían un triángulo. Newton afirmaba que este triángulo tiene además una posición en el espacio absoluto y que está cambiando en el tiempo. Lo que yo estoy diciendo es que no existe ese marco externo de espacio y tiempo, solo existen los posibles triángulos que forman las partículas. Los triángulos no se dan en algún lugar en el espacio absoluto en algún instante de tiempo, algún Ahora. Los triángulos son los Ahoras. Uno se ve obligado a un punto de vista como este si se niega el marco invisible. Si tuviéramos un universo con un millón de partículas, habría alguna configuración relativa de ese millón de partículas y nada más. Esto constituiría un Ahora, y todas las maneras diferentes en que se podría disponer el millón de partículas constituirían los diferentes Ahoras posibles. Creo que los Ahoras reales de este universo son constructos más sofisticados que incluyen campos, pero Ahoras formados por disposiciones de partículas pueden dar la idea.

EDGE: ¿No abolió Einstein los Ahoras?

BARBOUR: En realidad no. Él solo demostró que no se suceden uno tras otro en una secuencia única. No hay simultaneidad absoluta en el universo, o al menos no en el universo clásico. Pero la simultaneidad relativa se mantiene, y los Ahoras como yo los defino son parte integrante de la teoría de Einstein. En realidad, el descubrimiento de Dirac que despertó mi interés por el tiempo era que los Ahoras parecían ser mucho más significativos en el mundo cuántico que lo que cabría haber esperado a partir de la interpretación normal de la relatividad de Einstein.

Lo que realmente me intriga es que la totalidad de los posibles Ahoras de cualquier tipo definido tiene una estructura muy especial. Puede considerarse como un paisaje o terreno. Cada punto en el terreno es un Ahora. Yo lo llamo Platonia, porque es atemporal y está creado por reglas matemáticas perfectas. Y lo que es más sorprendente, es desigual, con unos límites y fronteras muy definidos que existen por pura necesidad lógica. Por ejemplo, si uno considera los triángulos como Ahoras, la tierra de estos Ahoras llega a un límite absoluto en el triángulo degenerado en el que coinciden las tres partículas. Este punto es tan especial que yo lo llamo Alfa. Otras fronteras, como cuadernas, están formadas por los triángulos especiales en que dos partículas coinciden y la tercera está a una cierta distancia de ellas. Por último, otro tipo de frontera está formada por configuraciones colineales: las tres partículas están alineadas. El Platonia en el caso de los triángulos es como una pirámide con tres caras. Su cúspide es Alfa. Todos los puntos en sus caras corresponden a configuraciones colineales, y las caras se encuentran en las cuadernas formadas por los triángulos con dos vértices coincidentes.

EDGE: Me gusta el sonido de Platonia, pero ¿para qué sirve?

BARBOUR: Mi conjetura es que algún Platonia es el verdadero escenario del universo y que su estructura tiene una profunda influencia en cualquier física, clásica o cuántica, que se desarrolle en él. En particular, creo que el fenómeno que llamamos el Big Bang no es una violenta explosión que tuvo lugar en el pasado distante. Es simplemente el muy especial lugar en Platonia que yo llamo Alfa.

EDGE: Nunca he escuchado o leído a otros físicos decir algo parecido. ¿Qué piensan ellos de Platonia?

BARBOUR: Platonia es un caso especial de un concepto muy básico de la física llamado espacio de configuración. Ha existido durante mucho tiempo, mucho antes de la relatividad. El nombre técnico para cualquier Platonia es el de variedad estratificada: los estratos son lo que yo llamo las fronteras. Las variedades estratificadas son lo que queda si se saca la estructura absoluta potencialmente redundante de los espacios de configuración. La importancia de las variedades estratificadas ha sido reconocida durante al menos sesenta años. Pero de alguna manera los espacios de configuración, o las más sutiles variedades estratificadas, nunca han tenido el glamour del espacio-tiempo de Einstein o el espacio de Hilbert de la mecánica cuántica. Son las cenicientas de la física teórica. Yo veo la cosmología cuántica como el príncipe azul que no puede vivir sin ellas. Es una corazonada que he tenido de tanto pensar sobre estas preguntas básicas: ¿qué es el tiempo? ¿Qué es el movimiento?

EDGE: Entonces, ¿qué hace usted en Platonia?

BARBOUR: Hay dos tareas: en primer lugar, ¿se puede describir la física clásica utilizando esa imagen? En esto es realmente en donde he hecho mi trabajo más importante, demostrando que todo lo que Newton podía hacer con el espacio y el tiempo absolutos se puede hacer de forma más económica en Platonia. Eso es lo primero que Bertotti y yo demostramos. Luego encontramos que la relatividad general de Einstein, que fue creada como una teoría del espacio-tiempo, puede ser reformulada como una teoría intemporal en el Platonia adecuado. Esto está estrechamente relacionado con el descubrimiento que hizo Dirac y nos lleva a la segunda tarea: ¿cuáles son las implicaciones de la «estructura platónica» de la relatividad general en el universo cuántico? Esto es relevante porque generalmente se llega a las teorías cuánticas partiendo de una imagen clásica y realizando algo que se llama cuantización.

Para quienes no son físicos es algo bastante difícil de entender. Sin embargo, se puede ver de dónde vendrá la idea de un universo intemporal si se considera cómo descubrió Schrödinger la mecánica cuántica ondulatoria en 1926. En la física clásica newtoniana, si tenemos tres partículas, estarán siempre en posiciones definidas en instantes definidos. Formarán un triángulo, y el centro de masas del triángulo estará en algún lugar y el triángulo tendrá una orientación. Ahora bien, lo que dice la mecánica cuántica es que, mientras no se hagan observaciones de todas estas cantidades, no hay valores definidos, sino solo probabilidades, y todas ellas cambian en el tiempo.

La razón por la que Schrödinger pudo crear una imagen de la mecánica cuántica como esta es porque estaba utilizando los conceptos newtonianos de espacio y tiempo absolutos. El marco que estos crean hace posible dar probabilidades de que los triángulos formados por tres partículas estén en diferentes posiciones y que las probabilidades cambien con en el tiempo. Hay un tiempo independiente que no tiene nada que ver con los contenidos del universo. Pero si se está tratando de construir un universo en donde no hay un marco externo de espacio y tiempo en el que existen los contenidos, entonces no se pueden dar probabilidades de que las partículas estén en ciertas posiciones generales en el universo y tengan una orientación general, porque eso no tiene significado. Y tampoco pueden cambiar las probabilidades en el tiempo, porque no hay ningún tiempo en el que puedan cambiar. El intento más simple de reconciliar la física cuántica con la idea de que no hay ningún marco invisible que soporta el universo —y esa idea se hace muy plausible por la «estructura platónica» de la relatividad general— lleva a una imagen en la que solo hay probabilidades dadas de una vez por todas para las configuraciones relativas del universo. De modo que si tuviéramos un universo de tres partículas solo habría probabilidades de dónde están unas partículas con respecto a otras; por ejemplo, dos próximas y una más separada. Esa es toda la historia: probabilidades estáticas para las configuraciones estáticas, que son las que yo identifico con los Ahoras.

Así pues, un argumento simple lleva a una imagen en la que solo hay Ahoras posibles, y los Ahoras se definen por la manera en que están dispuestas las cosas en el universo. Eso es todo lo que sale de la teoría. De hecho, esta imagen, que Dirac ayudó a crear, cristalizó hace unos treinta años. Se describe por una ecuación denominada ecuación de Wheeler-DeWitt. (John Wheeler instó a Bryce DeWitt a que la derivara. Si realmente resulta ser la ecuación del universo, el episodio será una repetición de la forma en que Hooke incordió a Newton para que diera su solución del problema de Kepler.) La gente encontró muy difícil dar sentido al universo estático que parecía emerger. Sin embargo, encuentro que los argumentos que llevan a ella son muy fuertes. Hay soporte para ello en la estructura de la teoría de Einstein y en la estructura de la mecánica cuántica. Si no fuera así, nunca se habría encontrado la ecuación. Así que yo tomé la imagen en serio y traté de darle sentido, y me pregunté ¿cómo podemos, pese a todo, recuperar a partir de ella una imagen de nuestro mundo?, ¿cómo es posible que pueda sentarme aquí y ver mis propias manos en movimiento, y también las de usted, si el mundo es completamente estático?

EDGE: ¿Tiene esto algo que ver con su idea de cápsulas del tiempo?

BARBOUR: Si. Supongamos que aceptamos que el universo cuántico es estático e intemporal. ¿Cómo podemos reconciliarlo con el hecho de que realmente vemos el movimiento y recordamos el pasado? De hecho, aparte de la sensación directa de cambio de un tipo u otro, la única evidencia directa que tenemos del tiempo y el pasado proviene de los registros, lo que incluye los recuerdos. Ahora bien, los registros, ya sean naturales, como los fósiles, o de origen humano, son tan ubicuos que fácilmente podemos olvidar lo notable que es su existencia de acuerdo con la comprensión actual de la mecánica clásica. Este es el problema de la entropía extraordinariamente baja del universo. Fue puesto de manifiesto hace un siglo por Boltzmann; y Roger Penrose, en el contexto moderno de la relatividad general, sigue señalando que es un problema enorme. Todos los argumentos estadísticos basados en la mecánica clásica sugieren que el universo debería tener una entropía muy alta y existir en un estado en el que los registros simplemente no se pueden formar. Penrose quiere explicar la baja entropía y la flecha del tiempo por una nueva física que es explícitamente asimétrica con respecto al tiempo y viene con una flecha del tiempo incorporada que obliga al universo a comenzar en un estado muy uniforme. Mi propia opinión es que, paradójicamente, la flecha del tiempo puede ser más fácil de explicar en una teoría en la que no hay tiempo en absoluto.

Sugiero que nuestra creencia en el tiempo y en un pasado surge únicamente porque toda nuestra experiencia nos llega a través de configuraciones estáticas de materia, en Ahoras, que crean la apariencia de tiempo y de cambio. Ciertamente los geólogos dedujeron que la Tierra tiene una historia inmensamente larga a partir de las estructuras congeladas en las rocas; es decir, pruebas a favor del tiempo y del movimiento en forma estática. Nuestras memorias a largo plazo también deben estar firmemente cableadas en los patrones de la red neuronal de nuestros cerebros. Una vez más, tenemos registros mutuamente compatibles en forma estática. Incluso es posible que cuando vemos movimiento, la contrapartida material del fenómeno sea un patrón de conexiones neuronales que codifica a la vez varias posiciones diferentes de un objeto en movimiento, y la apariencia de movimiento surge de su presencia simultánea en una configuración del cerebro. Como no soy experto en neurociencia, no quiero forzar más esta idea. Solo quiero sugerir que la apariencia del tiempo surge exclusivamente de configuraciones de materia muy especiales que pueden interpretarse como registros mutuamente compatibles de procesos que se desplegaron en un pasado de conformidad con leyes físicas definidas que implican tiempo. Yo llamo a tales configuraciones cápsulas de tiempo, y adopto el punto de vista realista y perfectamente convencional de que existen en un mundo externo. Sin embargo, creo que pueden surgir de una manera sujeta a leyes que no implican tiempo en absoluto. Si tomamos la ecuación de Wheeler-DeWitt al pie de la letra, esto es lo que debe suceder.

EDGE: Eso es bastante difícil de creer.

BARBOUR: Yo soy más optimista y no soy ni mucho menos el único que piensa que la apariencia de tiempo puede surgir de un universo esencialmente intemporal. Hay un consolidado programa de investigación dedicado a este problema en el que han participado al menos veinte físicos reconocidos. Uno de los principales artículos de Hawking contribuyó al mismo hace unos 15 años. El aspecto del problema que más me estimula es que se podría abolir la dicotomía entre las leyes de la naturaleza y las condiciones iniciales que hay que añadir a ellas antes de que podamos hacer predicciones. Lo realmente interesante de la cosmología cuántica es que debería estar en condiciones de hacer predicciones sobre el universo que no se pueden hacer dentro de la física clásica.

La física clásica, tal como existe ahora, tiene leyes y tiene condiciones iniciales. Si la cosmología cuántica es realmente estática, no hay condiciones iniciales. No hay tiempo. No se pueden establecer las condiciones en un instante inicial. En mi opinión, esto significa que la cosmología cuántica es potencialmente mucho más predictiva. Debería ser capaz de predecir fenómenos como la flecha del tiempo y la baja entropía del universo, algo que en la física clásica habría que atribuir precisamente a las condiciones iniciales y limitarse a decir, bueno, resulta que el Big Bang tomó esta forma y no una forma diferente.

Aquí es donde creo que la estructura fuertemente asimétrica de cualquier Platonia que utilicemos para describir el universo podría ser muy importante. Esta posibilidad no parece habérseles ocurrido a otros físicos, pero creo que debe ser relevante. Si realmente el universo se rige por algo parecido a la ecuación de WheelerDeWitt y la interpretamos como algo que determina las probabilidades relativas de que se realicen, o se experimenten, las diferentes configuraciones posibles en el universo, entonces un factor importante para determinar cómo se distribuyen estas probabilidades debe ser la forma general del escenario en el que actúa. Pero eso es algún Platonia, en el que siempre hay un punto distinguido Alfa a partir del cual se abre el escenario completo, un poco como se abre una flor. Sin duda esta estructura tiene que introducir un sesgo en el juego. Mi conjetura es que este sesgo estático en la estructura del escenario canaliza las probabilidades más altas hacia las configuraciones especiales que son cápsulas del tiempo, que, al ser más probables, son las que tenemos más oportunidades de experimentar. La estructura general del escenario se refleja en las configuraciones experimentadas e interpretadas por nosotros como tiempo y un pasado. Esto puede parecer una fantasía, pero creo que los argumentos a favor de un universo intemporal son muy fuertes. Si los aceptamos, entonces tenemos que buscar algo realmente radical y poderoso que introduce la apariencia de tiempo en el universo. La diferencia entre pasado y futuro es una asimetría masiva. Creo que solo puede surgir de alguna otra asimetría masiva, que yo encuentro en la estructura de Platonia.

EDGE: ¿Hay alguna manera de poner a prueba su idea observacionalmente?

BARBOUR: Todavía no puedo ver ninguna manera experimental directa de poner a prueba esta idea concreta. Lo que se necesita, sobre todo, es el desarrollo de las matemáticas. En mi opinión, la cosmología cuántica es como la física cuántica de los estados estacionarios de moléculas enormes, y el desarrollo de las ideas utilizadas en física atómica y molecular podría ayudar. Ya se ha hecho mucho trabajo en esta dirección en el programa que mencioné anteriormente. Pero en principio se pueden hacer predicciones en el contexto de la ecuación de Wheeler-DeWitt. Sin embargo, casi todo en esta etapa es bastante difícil debido a las matemáticas. Estamos tratando con sistemas complicados, no sabemos cómo encontrar las soluciones; hay un montón de problemas.

Otra cuestión es que la cosmología es un tema muy especial porque está tratando con un objeto único. Solo hay un universo. Aquí se plantea una pregunta filosófica: ¿cómo se puede hacer ciencia real con un objeto único?

EDGE: ¿Alguna vez ha considerado que el mundo es una invención, y que no hay una existencia a priori antes de los descubrimientos de personas como usted?

BARBOUR: Yo creo en el mundo; soy un realista, pero sigue siendo una conjetura.

EDGE: ¿No es esto una especie de materialismo ingenuo? Wallace Stevens abordó la idea de que las palabras del mundo son la vida del mundo. Norman O. Brown señaló que la naturaleza no se crea, se dice. Pero no sé de ningún físico notable de hoy que esté seriamente preocupado por el papel que desempeña el lenguaje en la creación de la realidad.

BARBOUR: Las palabras están significando algo. Lo que me impresiona es que, a pesar de lo que usted dice, las reglas del juego de la ciencia han permanecido asombrosamente constantes pese a los cambios fantásticos en la forma en que vemos el mundo. Básicamente, la hipótesis ha sido siempre que hay cosas materiales que se mueven sujetas a las limitaciones de la geometría. Hay cambio sujeto a orden. La ciencia —o al menos la física— ha tratado de establecer cómo tienen lugar estos cambios y describirlos matemáticamente. De vez en cuando llevan a una nueva y muy diferente manera de ver el mundo, pero las reglas del juego han sido siempre las mismas, que se remontan a la geometría y la astronomía antigua.

Yo personalmente creo que el mundo sigue siendo probablemente mucho más rico de lo que imaginamos, y que quizá estemos solo arañando su superficie. Si escalas una montaña ganas diferentes puntos de vista a medida que subes. Cuando llegas a la cima puedes comprender lo que podías ver más abajo, pero no podías comprenderlo correctamente cuando estabas en ese punto. Yo veo el progreso de la ciencia como algo en que de repente se abren horizontes completamente nuevos, y se encuentran nuevas maneras de pensar en ello. Yo creo que estamos descubriendo el mundo, no inventándolo. Sin embargo, John Wheeler parece sugerir a veces que nosotros creamos el universo. Piensa que al insistir en encontrar una descripción coherente del mismo, lo invocamos en una especie de conjuro. Él ilustra la idea con una variante del juego de las veinte preguntas en el que no hay ningún objeto cuando comienza el interrogatorio. En su lugar, cada respuesta que se da debe ser compatible con todas las ya dadas. Con el tiempo surge un objeto que encaja con las respuestas.

EDGE: El físico y poeta William Empson escribió lo siguiente en «Punto doctrinal» de sus Poemas escogidos:

Toda la física es una tautología;

si describes las cosas con los tensores correctos

toda ley se reduce al hecho de que pueden ser descritas con ellos;

esta es la Hipótesis de la descripción.

BARBOUR: Esto lleva a una cuestión estrechamente relacionada con la cosmología cuántica. ¿Cuál es el significado de la covarianza general? Empson está argumentando que es una tautología. Creo que tiene razón en eso, pero no en la afirmación de que toda ley se reduce a la hipótesis de la descripción. Los tensores relacionan objetos diferentes y los ponen en conexión sujeta a ley.

Consideremos una gran experiencia que tuve hace poco. Fui testigo del eclipse total de sol en Francia el 11 de agosto. Recuerdo vivamente haber leído cuando era niño que se produciría este eclipse en 1999,* el primero visible en Inglaterra en mucho tiempo (en realidad me fui a Francia para verlo). No hay ninguna duda acerca de un eclipse: o ves el eclipse o no lo ves. Los astrónomos predijeron que se vería como eclipse total en la ciudad medieval de Senlis, al norte de París, y ciertamente lo vimos total. Eso es bastante impresionante. Yo no creo que tenga nada que ver con inventar: la impresión de ver realmente el sol totalmente eclipsado es bastante inequívoca. Mis recuerdos de leer acerca del eclipse cuando era niño y mi recuerdo del eclipse real no son tensores sino que son cosas reales y diferentes que encajan. Por eso es por lo que creo que hay algo real en el mundo y que estamos poniendo nuestras manos en ello.

EDGE: Sus teorías parecen estar chocando con las ideas de muchos de sus colegas. ¿Quiénes podrían simpatizar con ellas?

BARBOUR: Los teóricos de cuerdas probablemente no las toman muy en serio porque yo adopto una cierta aproximación para atacar el problema y quizá ellos digan, bien, él está haciendo la cosa equivocada. Pero yo no me preocupo demasiado por eso ya que ciertas aproximaciones pueden hacerse impopulares durante un largo periodo de tiempo y luego vuelven a ser aceptadas. Es cierto que hay personas que piensan en las cuestiones fundamentales sobre la forma de describir el mundo y en preguntas muy básicas cómo ¿qué es el movimiento? y otras de este tipo; ellos deberían ser receptivos a mi enfoque. Las personas que no simpatizarán conmigo son las personas que no quieren tomar en serio la interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica, y que están tratando de modificar la mecánica cuántica a fin de desterrar ese fantasma. Yo no creo que Roger Penrose tome mi enfoque en serio porque a él no le gusta ninguna forma de la interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica. Stephen Hawking podría simpatizar, porque él ha estado trabajando básicamente en esta línea desde hace muchos años. Otras personas que yo no esperaría que fueran comprensivos son Murray Gell-Mann, Jim Hartle, y varios otros que han desarrollado la denominada aproximación de las historias coherentes a la interpretación de la mecánica cuántica. Empiezan tomando una historia completa como un concepto fundamental, mientras que para mí el Ahora es el punto de partida. Ellos comienzan con una cadena de Ahoras.

EDGE: Lee Smolin sí habla de sus ideas.

BARBOUR: Lee y yo somos grandes amigos, y hemos hablado mucho y hemos desarrollado ideas juntos. Ahora no seguimos exactamente la misma línea, pero tenemos mucho en común. Los dos estamos muy interesados en la estructura, y pensamos que la manera en que las cosas están estructuradas es lo realmente importante. Esto está relacionado con esta cuestión básica de si el mundo existe en algún fondo todopoderoso, o si el mundo es en realidad tan solo una interacción entre las cosas que están en él. Compartimos ese punto de vista.

EDGE: ¿Qué piensa acerca de la discusión de sus ideas en Edge?

BARBOUR: Las personas que hicieron comentarios solían ser las personas que conocen el denominado problema del tiempo, que el tiempo parece desaparecer por completo cuando uno trata de hacer un universo cuántico en esta aproximación concreta. En general fueron bastante comprensivos con mi punto de vista.

EDGE: ¿En que está trabajando en este momento?

BARBOUR: En primer lugar, estoy trabajando en algunas ideas para excluir las escalas de la física. Esto es análogo a la cuestión de la duración: ¿cómo se puede decir que un segundo hoy es lo mismo que un segundo mañana? De la misma forma se puede preguntar, ¿cómo se puede decir que una pulgada aquí es lo mismo que una pulgada en la nebulosa de Andrómeda? También esa es una pregunta muy profunda, y creo que trabajando en esto con un colega irlandés he hecho algunos progresos.

Lo que realmente espero es acumular cada vez más pruebas a favor de mi imagen global de cómo es el universo. Nunca se puede saber si uno está en la línea correcta, pero no puedo dejar de pensar en estas cosas. Si nos fijamos en la historia de la física, vemos muy a menudo que antes de que se produzca un avance definido aparece algún tipo de idea cualitativa, que luego se hace más precisa, más matemática. Espero que esté haciendo alguna contribución a ese desarrollo, no solo con ideas cualitativas como Platonia y cápsulas del tiempo, sino también con modelos simplificados como en mi trabajo con Bertotti.

EDGE: Algunos han dicho que si sus teorías son correctas nuestra percepción del mundo va a cambiar drásticamente.

BARBOUR: Es indudable que si yo, u otros investigadores, estamos en el camino correcto, la visión general que lleguemos a tener del mundo será muy diferente. Pero es muy difícil predecir exactamente cómo cambiarían las cosas. ¿Cómo podía saber Copérnico lo que iba a salir de su propuesta? Lo que yo siento es que concentrarnos en las cosas que sabemos que están en el mundo nos hace pensar más en el mundo real, y yo diría que apreciarlo y valorarlo más, y tal vez adoptar una actitud más relajada hacia la vida y sentarnos y disfrutar más de ella. Esto me está sucediendo realmente a mí; tal vez es solo porque me estoy haciendo mayor y no quiero perderme cosas, pero sin duda soy consciente de disfrutar del momento más que cuando era joven. Y es en parte influenciado por mi idea de que realmente el universo es estático, y las únicas cosas que son reales son Ahoras, en uno de los cuales estamos ahora.

Hace algunos años seguí por la radio una entrevista con Dame Janet Baker. Le preguntaron si alguna vez escuchaba sus grabaciones y, en caso afirmativo, cuáles eran sus favoritas. Ella dijo que casi nunca las escuchaba. Para ella, cada Ahora era tan emocionante y nuevo que era un gran error tratar de repetir uno. Cuando cantaba, ella no intentaba en absoluto recrear actuaciones previas y hacer los agudos de la misma manera que la noche anterior. Una y otra vez hablaba con la más profunda reverencia del Ahora y de cómo debería ser nuevo y suceder espontáneamente. «El Ahora es lo que es real», dijo. Yo pensé que era la perfecta expresión artística de mi visión intemporal de la cosmología cuántica.

EDGE: Bueno, usted está claramente por las grandes preguntas. ¿No significa nada para usted algo que sea menos que todo?

BARBOUR: Yo no soy nada si no soy ambicioso en este sentido. En qué medida lo consiga es otra cosa, pero intentarlo me mantiene feliz.

EDGE: ¿Está tan enamorado del universo que tiene que fingir sentimientos humanos?

BARBOUR: En absoluto. No, yo soy profundamente humano, pero también amo el universo. Me gustaría demostrar que el universo es tan rico como se nos revela a través de nuestros sentidos y no gris como parece en ciencia. Para mí, uno de los grandes milagros son los colores, y los diferentes sonidos y sensaciones. Este es el problema de los qualia. Me gustaría crear una física en la que estos existen y constituyen una parte fundamental de la física como lo son la masa y la carga eléctrica. Pero eso es en verdad un sueño lejano.

2.

Bucles de tiempo

Paul Davies

Físico teórico, cosmólogo, astrobiólogo y codirector de

BEYOND, Arizona State University, autor de Un silencio inquietante y de The Cosmic Jackpot.

He estado leyendo el último libro de Michael Crichton, Timeline (Rescate en el tiempo), que se incluye en una serie de libros y películas que han salido en los últimos años explorando la idea del viaje en el tiempo. No es una idea nueva, se remonta cien años atrás hasta H. G. Wells, y probablemente aun antes. La idea básica de una máquina del tiempo, ya recogida en la historia original de Wells, dice que es posible viajar en el tiempo de la misma manera que se puede viajar en el espacio. Es fácil imaginar que uno construye una máquina, mueve una palanca y se lanza al futuro o regresa al pasado. ¡Eso no sería divertido! Wells ya reconoció las paradojas que se darían si fuera posible viajar hacia atrás en el tiempo, aunque no las abordó en detalle. Sin embargo, viajar hacia adelante en el tiempo no implica ningún tipo de paradoja, siempre que el viajero en el tiempo no pueda regresar a su tiempo original.

Resulta sorprendente que la historia de Wells fuera escrita unos diez años antes de la publicación de la teoría de la relatividad especial de Einstein. La relatividad especial demostró que el tiempo es elástico y flexible. No está simplemente ahí, el mismo para todos, como supuso Newton. Hay su tiempo y mi tiempo, y pueden diferir dependiendo de cómo nos movamos. Si salto a una nave espacial y me dirijo a casi la velocidad de la luz a una estrella cercana y luego vuelvo diez años más tarde a la Tierra, puedo haber envejecido solamente un año, pongamos por caso. Esto se conoce como la paradoja de los gemelos, porque si hubiera dejado a mi hermano gemelo en casa, cuando yo volviera ya no tendríamos la misma edad. Él sería diez años más viejo, y yo solo un año más viejo. En efecto, yo habría viajado en el tiempo a nueve años en su futuro. Por extraño que parezca este efecto de estiramiento del tiempo, sabemos que es cierto. De hecho, incluso se puede medir utilizando el movimiento de un avión.

Por ejemplo, si yo vuelo a Londres desde Nueva York perderé unas pocas milmillonésimas de segundo con respecto a usted, que permanece aquí en tierra. Ese es un efecto medible utilizando relojes atómicos. Se ha comprobado. Así que sabemos que el viaje en el tiempo es posible, pero estoy hablando de viaje al futuro. Es fácil, se ha hecho. Uno solo tiene que moverse suficientemente rápido para conseguir un efecto significativo. Dado que en la vida diaria nuestras velocidades son mucho menores que la de la luz, no advertimos nada extraño en el paso del tiempo. Pero el efecto es decididamente real.

Sin embargo, el viaje al pasado es mucho más problemático. Lo importante es que nuestra mejor comprensión de la naturaleza del tiempo, que viene de la teoría de la relatividad general de Einstein, deja abierta la posibilidad de viajar al pasado. No dice que no se pueda hacer, no hay ninguna ley conocida dentro de la teoría de la relatividad que lo prohíba. Pero encontrar un escenario plausible para viajar realmente al pasado no es cosa fácil.

La primera persona que sugirió una manera de hacerlo fue Kurt Gödel, el lógico y matemático austriaco que trabajaba en el Instituto para Estudios Avanzados de Princeton, donde también lo hacía Einstein, en la década de 1940. Gödel descubrió que si el universo estuviera rotando, entonces sería posible que un objeto viajara en un bucle cerrado en el espacio y volviera a su punto de partida ¡antes de salir! En otras palabras, una persona podría recorrer un bucle en el espacio... y descubrir que es también un bucle en el tiempo. Hay que decir que el escenario de Gödel es muy poco realista: hay buena evidencia de que el universo en conjunto no está rotando, pero el hecho de que la teoría de la relatividad general no prohíba viajar al pasado es profundamente inquietante. Desde luego hubiera inquietado a Einstein. La razón principal es que da lugar a paradojas causales. Por ejemplo, imagine que usted visitara el pasado haciendo un viaje a través del espacio y regresara ayer, y luego, suponiendo que aún tuviera libre albedrío, hiciera algo ayer que hacía imposible su partida inicial (por ejemplo, volar la máquina del tiempo). Si usted nunca se fue, entonces no habría viajado atrás en el tiempo para cambiar el pasado. Pero si usted no lo cambió, nada le impediría emprender el viaje. En cualquier caso se llega a una contradicción. Puesto que la ciencia es racional, siempre debe dar una imagen coherente de la realidad, por lo que este tipo de paradojas causales golpea en el corazón mismo de la comprensión científica de la naturaleza.

Las paradojas del viaje en el tiempo son muy familiares para los autores de ciencia ficción. La pregunta es, ¿qué vamos a hacer los físicos con ellas? ¿Implican que viajar en el tiempo simplemente no es posible, o que la realidad es más sutil de lo que suponemos? Aquí es donde las opiniones empiezan a diferir. Algunos físicos, muy en particular David Deutsch, creen que la manera de salir de esto es asumir que hay múltiples realidades, de modo que cuando uno viaja al pasado el mundo que cambia no es el mismo que el que dejó, sino una imitación paralela.

Este tema se suele presentar en la parábola de la paradoja de la abuela: uno retrocede 50 años y mata a su abuela, lo que asegura que nunca podía haber nacido. Una forma de evitarlo es que si uno va a un mundo paralelo, y mata a su abuela paralela, puede volver a su propio tiempo para encontrar a la abuelita todavía viva y sana. Esa es una posible solución. No hay ningún consenso sobre ello. Tal vez la existencia de realidades paralelas es una perspectiva peor que la de las paradojas de bucle causal.

Algunas personas piensan que los problemas del viaje al pasado son tan grandes que debe haber algo en la naturaleza que impide que realmente suceda. Durante un tiempo Stephen Hawking flirteó con esta posición y formuló lo que él llamó la hipótesis de protección de la cronología. Esto implicaba que, aunque las leyes de la física parecerían permitir el viaje hacia atrás en el tiempo, en cada caso práctico algo intervendría para evitar que esto ocurriera. La naturaleza siempre desbarataría los intentos de cambiar el pasado. Pero no lo sabemos, esto sigue siendo una pregunta abierta.

Hoy en día, buena parte de la investigación en este campo está buscando formas más plausibles de viajar hacia atrás en el tiempo. La idea de Gödel del universo en rotación es solo un escenario, pero hay otros. El más popular es el agujero de gusano en el espacio, que es un poco como un agujero negro pero diferente. Los agujeros de gusano se hicieron famosos gracias a Jodie Foster, quien caía en uno en la película Contact. Esta película se basaba en el libro de Carl Sagan del mismo título. Lo que sucede en la película es que este agujero de gusano se fabrica siguiendo unas instrucciones enviadas a la Tierra por seres extraterrestres en un mensaje por radio. Jodie Foster se deja caer en lo que parece una batidora gigantesca y 18 minutos más tarde emerge en una parte diferente de la galaxia. El agujero de gusano conecta en efecto dos puntos distantes en el espacio, de manera que se forma un atajo. Es un poco como perforar un túnel desde Nueva York a Sídney. Si usted quisiera ir a ver los Juegos Olímpicos,* la forma más rápida sería sumergirse en el agujero, en vez de hacer un largo vuelo alrededor de la superficie de la Tierra. La teoría de la relatividad de Einstein nos dice que el espacio está curvado por la gravedad, así que imagínese que estuviera deformado de tal manera que conectara la Tierra con el centro de la galaxia a través de un tubo o de un túnel que podría tener solo unos pocos kilómetros de largo, ¡quién sabe!

El punto importante es que si un agujero de gusano es posible, puede ser adaptado para ser utilizado como máquina del tiempo, como demostraron Kip Thorne de Caltech, y sus colegas, y ahora es tema de una industria artesanal internacional en trabajos de investigación. Para viajar en el tiempo, lo que uno tiene que hacer es esto: primero salta a través del agujero de gusano y sale en el extremo remoto, y luego vuelve de nuevo a casa a través del espacio ordinario a una velocidad próxima a la de la luz. Si las circunstancias son las correctas, uno puede estar de vuelta antes de salir.

Los agujeros de gusano son una idea marginal y muy especulativa, pero por lo que entendemos de la naturaleza de la gravedad cuando se combina con la física cuántica, parece que un objeto semejante sería posible en teoría. En la práctica, sin embargo, tengo que decir que sería una propuesta muy cara. Para hacer uno, probablemente habría que capturar algo similar a un agujero negro, y luego adaptar su interior para crear un agujero de gusano. Estamos hablando de ingeniería a escala cósmica; no creo que ninguno de mis colegas de profesión lo considere muy creíble. Pero esa no es la cuestión. El punto importante es que si en teoría es posible que exista un agujero de gusano, si pudiera fabricarse o bien se nos presentara ya hecho por la madre naturaleza, entonces se abre la posibilidad de bucles temporales paradójicos.

Toda esto es realmente fascinante, ya que proporciona una idea sobre la naturaleza de la realidad y la naturaleza del universo físico. He pensado mucho en ello durante años, y todavía no tengo una idea clara acerca de si la naturaleza podría permitir una cosa tan loca, o si los agujeros de gusano, o algún otro tipo de sistema gravitatorio, podrían existir, de modo que, en teoría, fuera posible visitar el pasado. Si es así, tenemos que encontrar alguna manera de evitar las paradojas, tal vez renunciando al libre albedrío. En la vida diaria nos imaginamos que somos libres de hacer casi todo lo que queremos, pero si usted se encuentra en un bucle causal, podría descubrir que no puede hacer algo que vaya a cambiar el mundo de una manera que sea incompatible con el futuro del que usted ha venido.

Hay una famosa historia, creo que se originó con Richard Feynman, sobre el viajero en el tiempo que vuelve atrás en el tiempo y, en una variante del escenario del asesinato de la abuela, decide matar a su yo más joven para ver qué va a suceder. Él lleva un rifle, busca a su yo más joven y le apunta con el rifle para atravesarle el corazón. Pero su puntería no es muy buena, está temblando un poco y por ello solo hiere a su yo más joven en el hombro. La razón por la que su puntería no es tan buena es que tiene una herida en el hombro ¡debida a que fue víctima de un disparo anterior! Así que, ya ve, es posible concebir bucles temporales de ese tipo sin tropezar con una paradoja.

Si uno se fija en cómo tratan esto los escritores de ciencia ficción... bueno, la mayoría de ellos simplemente eluden la cuestión. Algunos de ellos hacen que el viajero en el tiempo retroceda en el tiempo y cambie el pasado, tal vez pisando un escarabajo, o disparando a Adolf Hitler, y luego, cuando regresan a su propio tiempo, encuentran que todo ha cambiado. Bien, eso es sencillamente inconsistente si hay un solo mundo, una sola realidad. Esa no es una salida, en absoluto. Puede dar lugar a una buena historia, pero no tiene sentido. Así que este es un tema que va directamente al corazón de la física, y directo al corazón de la naturaleza de la realidad. Creo que es un tema estupendo.

EDGE: Sé muy bien que el trabajo de los físicos influye en los escritores de ciencia ficción, pero ¿es una vía de doble sentido?

DAVIES: ¡Oh!, sí, no hay duda sobre eso. Para empezar, muchos jóvenes entran en la ciencia a través de la lectura de ciencia ficción. Recuerdo a un colega posdoctoral que contaba que entró en la física por leer cómics de Superman. «Tengo una gran deuda de gratitud con ese tipo», comentó una vez. Si pienso en mi propio desarrollo científico, leí mucho a H. G. Wells en mi adolescencia —La guerra de los mundos, La máquina del tiempo, además de varios de sus libros sobre temas sociales y políticos— por lo que sin duda me ha influido. También leí la mayoría de los libros de John Wyndham —esto fue en los años cincuenta y principios de los sesenta. Es difícil decir si la ciencia ficción me orientó a la ciencia, o si yo ya estaba interesado en la ciencia y tenía una predisposición natural hacia la ciencia ficción. Nunca fui un gran fan de Isaac Asimov, pero muchos de mis amigos científicos lo han sido. Yo prefiero a Arthur C. Clarke. Estos escritores son sin duda fuente de inspiración. Si piensas en los años sesenta, para mucha gente esa fue una época de rebelión, drogas, protestas contra la guerra de Vietnam y todo eso. Pero para mí las influencias de los años sesenta fueron menos John Lennon y más Arthur C. Clarke. La película de Stanley Kubrick 2001: una odisea del espacio se estrenó a finales de los años sesenta cuando yo era un estudiante de doctorado en Londres, y la encontré maravillosamente correcta y estimulante, un gran antídoto contra la cultura pesimista y de abandono de entonces.

EDGE: ¿Cómo ha influido su propio trabajo en los escritores de ciencia ficción?

DAVIES: Varias veces al año recibo manuscritos de ciencia ficción basados en mi trabajo. De hecho, acabo de recibir la semana pasada uno de un escritor de ciencia ficción australiano que era precisamente una historia de viajes en el tiempo. Él quería que la física fuera correcta. Los escritores de ciencia ficción más conocidos que se han inspirado en mi trabajo son Gregory Benford y Margaret Atwood. Benford vino a verme en los años setenta para hablar del viaje en el tiempo, y en su libro de Timescape, que ganó el premio Nebula, ¡yo aparezco como un personaje! Es la primera vez que aparecí en la novela de alguien. El libro de Atwood Ojo de gato tiene algo de física, por lo que ella me da las gracias. Más recientemente he aconsejado a un director de cine en una película sobre un científico que es blanco de un admirador obsesivo.

Aunque es una vía de dos sentidos, yo diría que los científicos profesionales están más influidos por la ciencia ficción que a la inversa. Ya se sabe, un escritor de ficción puede crear un mundo puramente imaginario. Está en la naturaleza de la ficción que uno no tiene que atenerse a las reglas. La gente usa el término ciencia ficción como si se refiriera a un género uniforme, pero no lo es. Va desde lo que podríamos llamar ciencia ficción dura —el tipo de cosas que podría escribir Michael Crichton, que es la que yo prefiero— hasta las historias fantásticas, cuentos de hadas con connotaciones científicas. Terry Pratchett, que escribe cuentos de hadas humorísticos con una base científica, es un ejemplo clásico de esto último. Me temo que no me gusta mucho este tipo de cosas, aunque las novelas del Mundodisco de Pratchett tienen un éxito enorme. De todos modos, el punto importante es que él no tiene obligación de atenerse a las leyes usuales de la naturaleza. De hecho, hay incluso un libro titulado The Science of Discworld, muy bueno, que inventa una ciencia imaginaria para Mundodisco. Aunque la mayoría de los escritores de ciencia ficción tienen un cierto conocimiento de la ciencia básica, no están estudiando con mucha atención lo que está pasando en la vanguardia de la ciencia. Pueden tomar algunas ideas, pero en general no van a estudiar los aspectos técnicos detallados de la propia ciencia. Muy pocos de ellos tratan de ser perfectamente correctos. Michael Crichton y Arthur C. Clarke son excepciones. Pero supongo que se aplica el viejo adagio de por qué dejar que los hechos interfieran en una buena historia.

EDGE: Volvamos a la ciencia. ¿Cómo y cuándo se pondría de manifiesto un viaje en el tiempo?

DAVIES: Bueno, ya he mencionado que el viaje hacia el futuro es una realidad, aunque por supuesto es trivial: el tipo de saltos al futuro que uno hace viajando en un avión a reacción es de unas pocas milmillonésimas de segundo, así que no va a excitar a nadie. Y el único lugar donde se ven distorsiones temporales muy importantes es en la física de partículas, donde las partículas se mueven a velocidades próximas a la de la luz. Pero para la mayoría de las personas estas partículas subatómicas no son objetos muy interesantes. Un ser humano nunca va a viajar, en un futuro previsible, a una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Por lo tanto, no estamos hablando de un efecto que tenga valor práctico, ni siquiera un valor como curiosidad: sencillamente es demasiado pequeño para que lo advirtamos. Pero si se pudieran alcanzar velocidades cercanas a la velocidad de la luz, o encontrar otra manera de viajar al futuro, entonces supongo que sería de gran interés, porque entonces sería posible hacer viajes espaciales de muchos años luz en lo que dura una vida humana. Sería un error suponer que si uno quisiera viajar a una estrella a un centenar de años luz de distancia, el viaje iba a durar cien años en su sistema de referencia. Si viajara a una velocidad próxima a la de la luz, el viaje podría durar tan solo diez años. Si de lo que se trata es de llegar dentro del tiempo de una vida humana, este es un efecto significativo. Pero, de nuevo, estamos hablando de algo que está mucho más allá de la tecnología actual; es pura fantasía.

Cuando se trata de viajar atrás en el tiempo... bueno, uno podría pensar que, si se logra en algún momento en el futuro, llegaremos a ver a viajeros en el tiempo que vuelven para visitarnos. Este es un argumento que se utiliza a menudo en contra del viaje en el tiempo. ¿Dónde están? ¿Dónde están estos temponautas? ¿No deberían estar surgiendo por todas partes en Nueva York diciendo: «Sí, es posible viajar en el tiempo, hemos inventado la máquina del tiempo en el año 3000 y estamos volviendo para contárselo». Sin embargo, hay una vía de escape para este argumento en el caso de la máquina del tiempo agujero de gusano. De acuerdo con la física del agujero de gusano, no se puede utilizar para viajar de regreso a un tiempo anterior a la construcción del propio agujero de gusano. Si logramos construir una máquina del tiempo agujero de gusano este año, podríamos ponerla en un almacén y esperar diez años, y viajar de regreso al año 2000,* pero no podríamos ir a ver a los dinosaurios ni nada por el estilo. La única manera de hacerlo sería que unos extraterrestres hubieran hecho un agujero de gusano hace millones de años y nos lo prestaran. Así que tal vez la razón por la que no vemos viajeros en el tiempo procedentes del futuro es simplemente porque el único tipo de máquina del tiempo que se puede hacer es aquella que no puede ser utilizada antes de la fecha de fabricación de la máquina. Entonces no vamos a ver a estos turistas del tiempo. Nadie sabe cuándo podría construirse una máquina semejante. Pero si el agujero de gusano es la única manera de hacerlo, entonces estamos hablando de ingeniería a escala cósmica, algo en los márgenes de lo posible.

Si adoptamos una visión a lo Freeman Dyson sobre el futuro del universo, de la humanidad o, quizá, de descendientes robóticos, o descendientes de los seres humanos fabricados artificialmente, que se extienden por el sistema solar y finalmente por toda la galaxia, aprovechando la energía natural en dimensiones galácticas, estaríamos hablando de cientos de millones de años de desarrollo. En ese momento nuestros descendientes podrían ser capaces de manipular estrellas enteras o agujeros negros, y crear algo parecido a un agujero de gusano, pero ese no es el tipo de cosas que se van a hacer en cien años o incluso en mil de años... a menos que haya otra forma de hacerlo. Siempre está, por supuesto, la excitación de un tema científico: ¿hemos pasado algo por alto? Y dado que sabemos que el tiempo es elástico, que ese tiempo puede ser manipulado, parece que sea posible alguna manera de viajar hacia el pasado. Entonces, ¿hay un método mucho más fácil que hemos pasado por alto? La gran esperanza para la construcción de una máquina del tiempo en un futuro previsible es que ese sea el caso, que tal vez algo relacionado con los aspectos extraños de la física cuántica va a hacerlo por nosotros, algún otro tipo de proceso físico que todavía no hemos descubierto pero en donde va a intervenir la gravitación en alguna parte.

EDGE: Tal vez sea solo esa píldora roja.

DAVIES: Lo siento, pero no. Aquí es donde H. G. Wells se equivocaba. Su viajero en el tiempo se sentaba en la máquina y luego presionaba algunos botones o algo así y efectivamente pasaba al revés la gran película cósmica. Todo corría hacia atrás. Luego, cuando llegaba adonde quería ir, apretaba el botón de parada, como si fuese el rebobinado rápido en un reproductor de vídeo. Pero el viaje en el tiempo del que estoy hablando no es así. No es un método de invertir de alguna manera la flecha del tiempo. Es salir de viaje a través del espacio, en un circuito cerrado, y volver al punto de partida antes de salir. No hay inversión de la flecha del tiempo, no es pasar al revés la gran película cósmica. Todo a su alrededor sigue en dirección hacia adelante, así que en su entorno la flecha del tiempo no ha cambiado. Los huevos se siguen rompiendo y no se reconstruyen. No es que usted vaya hacia atrás en el tiempo, es que usted visita el pasado. Hay una diferencia entre retroceder en el tiempo, en el sentido de invertir el curso del tiempo, e ir al pasado, que es de lo que estoy hablando.

EDGE: ¿Cómo encaja todo esto con las opiniones expresadas por Julian Barbour en su libro El fin del tiempo?

DAVIES: Barbour afirma que el tiempo no existe en realidad, por expresar su trabajo de forma un tanto simplista. Es evidente que el tiempo existe en el nivel práctico, en el nivel de la gravitación y la ingeniería y la mecánica newtoniana de cada día. Decir que no hay tiempo es como decir que no hay materia, sobre la base de que, en última instancia, la materia está compuesta de supercuerdas vibrantes o algo así. Uno podría estar tentado a decir de la materia, «Bueno, en realidad no está ahí». La verdad es que la materia se manifiesta en nuestro mundo cotidiano cuasimacroscópico y cuasiclásico, y el espacio y el tiempo también se manifiestan en ese mundo. Admito que quizá el espacio y el tiempo no sean la realidad última. Bien podría ser que el espacio y el tiempo —y realmente tenemos que unirlos— sean en última instancia conceptos derivados o propiedades derivadas del mundo. Podría ser que la realidad última sea algo más abstracto, algún tipo de preespaciotiempo, un componente a partir del cual se construye el espaciotiempo. Igual que la materia, el tiempo puede ser un concepto secundario o derivado. Sin embargo, cuando se alcanza un tamaño suficientemente grande, existe el espacio-tiempo que conocemos. Uno no puede hacer que desaparezca, o deshacerse de él por medio de las matemáticas; es algo que se puede tratar de explicar. La madera, por ejemplo, no es una sustancia primaria, está hecha de alguna otra cosa, que a su vez esta hecha de algo más, y así sucesivamente. Pero eso no quiere decir que la madera sea irreal. Sigue estando ahí. Lo mismo ocurre con el tiempo. Sabemos que el tiempo es real en un nivel porque puede ser manipulado, estirado y contraído por los procesos que he estado discutiendo.

Su pregunta es muy pertinente, sin embargo, porque antes de la teoría de la relatividad estaba de moda en algunos sectores, y quizá lo sigue estando, tratar de hacer que el tiempo sea de alguna manera simplemente una construcción humana, que se deriva de nuestra sensación del flujo o caudal de sucesos, que es algo que tiene que ver con la forma en que percibimos el mundo como una secuencia temporal. No voy a negar que percibimos el tiempo como un flujo, pero el tiempo no es solo una invención humana o una categoría humana. Para el físico, el tiempo y el espacio, junto con la materia, forman parte del equipamiento con que viene el universo. O más bien, es de lo que el universo está hecho. Decir que no existe en absoluto no tiene sentido.

EDGE: Usted menciona a los extraterrestres. ¿Quiénes son los extraterrestres?

DAVIES: No lo sabemos. Podríamos estar completamente solos en el universo; en este momento particular es imposible saberlo. Sin embargo, podemos especular que podría existir vida, incluso vida inteligente, en otros lugares.

EDGE: ¿Podrían ser nuestros antepasados? ¿O nuestro Dios?

DAVIES: Descendientes tal vez, no antepasados. Bueno, supongo que si es posible viajar a través del tiempo, tanto como a través del espacio, podemos imaginar que el universo esté poblado por una sola especie en el futuro lejano y también en el pasado, de modo que también podrían ser nuestros antepasados. No sería necesario que la vida apareciera de forma independiente en muchos lugares diferentes. Eso sería un curioso giro en la historia del viaje en el tiempo. Retrocederíamos en el tiempo y sembraríamos de vida otros planetas en una época anterior. Sí, eso siempre es concebible.

EDGE: ¿Podría ser que el universo sea un dispositivo computacional?

DAVIES: Es interesante reconsiderar la historia sobre esto. Cada época tiene una máxima expresión en su tecnología, y cada época utiliza esa tecnología como una metáfora de la naturaleza, del universo. En la antigua Grecia las maravillas tecnológicas eran los instrumentos musicales y la regla y el compás. Los filósofos griegos trataron de construir toda una cosmología a partir del número, armonía, proporción, forma y demás cosas tomadas básicamente de las matemáticas. ¿Recuerda la música de las esferas? Los pitagóricos creían que la naturaleza era una manifestación de las matemáticas racionales. Más tarde, la más alta expresión de la tecnología fue el mecanismo de relojería. Newton quería un universo mecánico, el universo entero como un gigantesco mecanismo de relojería, con todas las partes interconectadas y marchando con precisión infinita. Luego, en el siglo XIX, llegó la máquina de vapor y el universo fue representado entonces como una enorme máquina térmica, o una máquina termodinámica, deslizándose hacia la muerte térmica. Hoy el computador es la culminación de la tecnología, de modo que ahora está de moda hablar de la naturaleza como un proceso computacional. Todas estas formas de describir el mundo captan hasta cierto punto cómo es, pero yo diría que el universo es un universo, no es simplemente un mecanismo de relojería o un computador o lo que sea.

EDGE: ¿No es su corazón una bomba? ¿No es su cerebro un computador? ¿No borra su memoria RAM dando un largo paseo, o durmiendo un poco?

DAVIES: La manera útil de pensar en el universo es en términos de procesamiento de información. Basta pensar en el sistema solar, en los planetas que orbitan alrededor del sol; si anotamos las posiciones y movimientos de todos los planetas hoy en día, entonces esto se puede considerar como información de entrada para un proceso algorítmico. Podemos dejar que el sistema solar evolucione y luego medir de nuevo dichas cantidades la semana que viene; esa es la información de salida. Se podría decir que el sistema solar ha hecho una aplicación de la entrada en la salida, que es un proceso computacional. Se podría examinar la totalidad de la naturaleza de esa manera. Lo que me impresiona es que si nos fijamos en el nivel subatómico, o el nivel cuántico, lo que encontramos es que el poder de procesamiento de información de la naturaleza aumenta de forma exponencial. La información se puede asociar a la amplitud de la función de onda, más que a la probabilidad. Es mucho mayor porque implica efectos de interferencia e información de fase. Si se puede mantener la coherencia cuántica, la cantidad de información que se puede procesar es muchísimo mayor que con objetos materiales clásicos.

Los computadores que tenemos en nuestras mesas de trabajo son computadores clásicos, que computan utilizando conmutadores ordinarios de encendido-apagado. El computador cuántico puede estar en una superposición de estados encendido-apagado, así que, si se tiene toda una serie de conmutadores, el número de combinaciones posibles crece exponencialmente. Si se puede mantener la coherencia cuántica, se puede obtener una enorme potencia de computación. Ahora bien, ¿por qué la naturaleza llegó a ello? ¿Por qué vivimos en un universo que tiene la capacidad de procesar una cantidad tan enorme de información a nivel subatómico? Por supuesto, eso no es una pregunta científica, es una pregunta filosófica. Pero tengo la sensación de que sé la respuesta, y es que eso desempeña un papel crucial en el origen de la vida, y posiblemente también en la naturaleza de la conciencia. No estoy tan seguro de que sea así en el caso de la conciencia.

La vida es un claro ejemplo de dónde la naturaleza es un proceso computacional, porque la célula viva no es una especie de materia mágica, sino un sistema de replicado y procesamiento de información de enorme poder. Si se tiene en cuenta la estructura y funcionamiento de la célula viva, es un estado muy particular y peculiar de la materia, una combinación muy rara de moléculas que uno no esperaría crear si simplemente las barajara al azar. ¿Cómo descubrió la vida la naturaleza? ¿Cómo se transforma la materia, cómo un revoltijo desordenado de moléculas se convierte en algo tan especial y tan específico como un organismo vivo? Se puede considerar esta cuestión como un problema de búsqueda que requiere un algoritmo de búsqueda. Imaginemos una red de reacciones químicas posibles en una sopa prebiótica primordial. Constituye un enorme árbol de decisión; cada vez que ocurre una reacción química aparece una nueva rama en el árbol de decisión. Con el tiempo estamos tratando con un árbol de complejidad casi infinita, con algunas ramitas diminutas en el árbol que representan esta cosa muy especial y peculiar que llamamos vida. El resto es basura química.

¿Cómo encuentra la naturaleza un estado tan extraño entre océanos de basura? La respuesta podría ser la computación cuántica. La computación cuántica permitiría buscar en enormes bases de datos con una eficacia extraordinaria. Así que si la naturaleza aprovechó de alguna manera el poder de procesamiento de información a nivel subatómico, quizá fuera así como comenzó la vida: una búsqueda cuántica en el árbol de decisión química, en donde la vida es «el ganador». Por supuesto, esta es una hipótesis bastante especulativa. Pero vuelvo a esta pregunta, ¿por qué la naturaleza necesita toda esta potencia de cálculo? ¿Por qué no podemos vivir en un universo que solo procesa información de la manera clásica? Tal vez la respuesta es que no podríamos vivir en tal universo, porque la vida misma depende precisamente de esa enorme potencia de computación. Pero esa es una afirmación casi religiosa, no es una afirmación científica.

Para terminar donde empezamos, me hizo gracia ver que en Rescate en el tiempo Michael Crichton hace uso de las ideas de computación cuántica como una manera de viajar atrás en el tiempo. Básicamente, la espuma espacio-temporal cuántica ofrece un laberinto de minúsculos agujeros de gusano por el cual (al menos en la narración) los átomos de los viajeros del tiempo pueden introducirse uno a uno. Este podría ser un método mucho mejor de viajar en el tiempo que el aprovechamiento de un agujero de gusano gigante. Así que tal vez existe un vínculo entre la vida, el procesamiento de información cuántica y el viaje en el tiempo. ¡Eso sería algo!

3.

Es una cosa mucho más grande de lo que parece

David Deutsch

Físico, Universidad de Oxford, autor de The Beginning of Infinity y La estructura de la realidad.

EDGE: ¿Qué tipo de preguntas se está usted planteando principalmente en este momento?

DEUTSCH: Me planteo preguntas que buscan conexiones aun más profundas entre la física y la teoría de la computación. Tenemos la teoría cuántica de la computación —que, por cierto, es LA teoría de la computación. Como siempre digo, tenemos que considerar la teoría de Turing (la teoría tradicional de la computación) solo como la aproximación clásica a la teoría real, la teoría cuántica de la computación. Ya sabemos de algunas cuestiones en física teórica (como la cuestión del demonio de Maxwell, y la relación entre la termodinámica y la mecánica estadística) que es útil considerar como cuestiones computacionales, cuestiones acerca de cómo la información puede o no puede ser procesada. Lo que estoy buscando ahora es un nuevo tipo de teoría, una teoría constructora cuántica, que es la teoría de lo que se puede construir o, más generalmente, la teoría de lo que se puede hacer físicamente

Nosotros construimos computadores y rascacielos y naves espaciales, y clonamos animales, y cosas así. En el fondo se puede considerar que todo esto son también computaciones, porque cuando uno construye una nave espacial y vuela a otro lugar obtiene nueva información, o más bien una perspectiva diferente sobre la misma información, que es precisamente lo que sucede cuando se introduce información en un computador y se observa el resultado. Sin embargo, volar en una nave espacial no es lo mismo, ni siquiera computacionalmente hablando, que poner una cámara en la nave espacial, enviarla a alguna parte y observar, porque, por ejemplo, hay un retardo temporal, y por ello se hace más difícil interactuar con la máquina si está muy lejos. La experiencia es intrínsecamente interactiva, de modo que hay una diferencia fundamental, impuesta por las leyes de la física, entre el procesamiento de información que se puede hacer yendo allí de forma vicaria utilizando un robot y lo que se puede hacer yendo allí en persona.

He estado pensando acerca de esas cuestiones, es decir, a qué tipo de computaciones corresponden los procesos físicos; ¿cuáles de estas «computaciones» pueden manejarse y con qué recursos? ¿Y qué tipo de ellas son absolutamente intratables? Lo poco que sabemos sobre este nuevo tema se reduce a unas pocas limitaciones muy generales tales como la finitud de la velocidad de la luz. La teoría de la computabilidad y la teoría de la complejidad nos dan más detalles sobre el lado cuántico. Pero una gran pregunta tecnológica en mi campo en este momento es: ¿pueden construirse realmente computadores cuánticos útiles? Las leyes básicas de la física parecen permitirlo. Podemos diseñarlos en teoría. Sabemos qué operaciones físicas tendrían que realizar. Pero aún hay margen para la duda acerca de si se pueden construir a partir de átomos reales y hacerlos trabajar de una manera útil. Algunas personas siguen siendo pesimistas acerca de eso, pero en cualquier caso ese debate no es realmente un debate científico en este momento, porque no hay una teoría científica de lo que se puede y no se puede construir. Preguntas similares se plantean en todo el dominio de la nanotecnología donde se han hecho propuestas teóricas. Así que ahí es donde se necesita una teoría constructora cuántica.

EDGE: ¿Por qué específicamente una teoría constructora cuántica?

DEUTSCH: Porque la teoría cuántica es nuestra teoría básica del mundo físico. Toda la construcción es construcción cuántica.

EDGE: ¿Qué distingue a un computador cuántico de los computadores que conocemos hoy día?

DEUTSCH: La computación cuántica es procesamiento de información cuya operación depende de una propiedad intrínsecamente cuántica: la superposición. Normalmente superpondríamos un gran número de computaciones diferentes —posiblemente más que átomos hay en el universo— y luego las reuniríamos mediante interferencia cuántica para obtener un resultado. Otras computaciones cuánticas, en particular la criptografía cuántica, no podrían hacerse, ni siquiera en teoría, con computadores clásicos.

EDGE: ¿Cuál es la importancia de este trabajo?

DEUTSCH: Aparte de la criptografía cuántica es poco probable que tenga aplicaciones prácticas en un futuro cercano o a medio plazo. Es teórica. Pero, como tal, nos da algunos beneficios inmediatos. Uno de ellos es el beneficio de mirar hacia atrás. Déjeme darle un ejemplo reciente de mi propio trabajo.

La mecánica cuántica, en la formulación tradicional, parece tener un carácter «no local»; es decir, cosas que se hacen AQUÍ afectan instantáneamente a cosas que ocurren ALLÍ. Desde el principio se ha sabido que esta «no localidad» no se puede utilizar para enviar señales o cualquier otra cosa. Pero aparte de esto, desde una perspectiva filosófica, ¿qué vamos a hacer con ello? ¿En qué tipo de realidad nos dice la mecánica cuántica que vivimos? Y por supuesto, es difícil no preguntarse: «Bueno, si algo llega allí de forma instantánea, va más rápido que la luz, así que en otro sistema de referencia está viajando hacia el pasado. Por lo tanto, podría crear paradojas; ¿no podría eso resolver el problema de la conciencia, explicar la telepatía, invocar fantasmas...?» —lo que sea—. Esta idea de la no localidad es una de las cosas que ha ayudado a alimentar el misticismo terrible y el doble discurso que ha crecido en torno a la mecánica cuántica durante décadas.

Pero una vez que se entiende que todo se trata de procesamiento de información, se hace mucho más fácil dejar de decir vaguedades y empezar a calcular dónde va realmente la información en los fenómenos cuánticos. Eso es lo que hicimos Patrick Hayden y yo. Los resultados (recientemente publicados en los Proceedings of the Royal Society —véase http://xxx.lanl.gov/abs/quant.ph/9906007—) acaban con la falsa concepción de «la no localidad cuántica». Las cosas que se hacen AQUÍ solo pueden afectar a las cosas ALLÍ (de manera visible o invisible) una vez que la información sobre lo que hemos hecho aquí ha viajado hasta allí en algún objeto físico que porta información. No hay nada instantáneo, nada no local, nada místico.

EDGE: ¿Qué pasa con los famosos experimentos que muestran la no localidad cuántica en el laboratorio?

DEUTSCH: No lo hacen. Muestran entrelazamiento cuántico: uno de los fenómenos cuánticos fundamentales, pero un fenómeno local. Lo que realmente está sucediendo cuando aparentemente hay un efecto no local —como en los experimentos sobre la desigualdad de Bell— es que parte de la información en los objetos cuánticos se ha hecho inaccesible a la observación directa. Y en nuestro análisis hemos hecho un seguimiento de cómo viaja la información durante los fenómenos de entrelazamiento. Nunca supera la velocidad de la luz, y siempre interactúa de una manera puramente local.

Por cierto, la presencia de tal información no directamente accesible puede verse como la responsable de la potencia de los computadores cuánticos. Los conocimientos que obtuvimos de ese trabajo están llevando también en otras direcciones muy prometedoras.

EDGE: ¿Por ejemplo?

DEUTSCH: Bueno, actualmente estoy trabajando en dos derivados de ese artículo. Uno de ellos trata de la estructura del multiverso, precisando lo que entendemos por términos anteriormente algo vagos como «paralelo», «universos» y «consiste en». Resulta que la estructura del multiverso está determinada fundamentalmente por el flujo de la información cuántica dentro del mismo, y estoy aplicando las técnicas que utilizamos en ese artículo para analizar ese flujo de información. El otro es una generalización de la teoría cuántica de la computación, que permite describir tipos exóticos de flujo de información tales como los que esperamos que existan en los agujeros negros y en el nivel de gravedad cuántica.

Todo esto en el contexto de mi convicción creciente en que la teoría cuántica de la computación es la teoría cuántica.

Hablando de eso, otro derivado de la teoría cuántica de la computación es que proporciona el lenguaje, y el formalismo matemático, más claro y más simple para formular la propia teoría cuántica. Estoy preparando una serie de conferencias en vídeo que creo que será bastante revolucionaria. Constituirán un curso en teoría cuántica para un público que no tenga conocimientos previos de ella —por ejemplo, en el nivel de acceso a la universidad— y abarcará hasta los temas de vanguardia en computación cuántica, en tan solo doce conferencias (¡por cierto!, actualmente estamos buscando un patrocinador).

Creo que en el futuro los libros de texto de mecánica cuántica utilizarán las computaciones cuánticas como ejemplos introductorios, en lugar de calcular los niveles de energía del átomo de hidrógeno y cosas así, que contienen una alta proporción de material irrelevante. La computación cuántica se reduce a lo básico, porque la computación cuántica es lo básico.

EDGE: Pero para usted, ¿la principal aplicación de la teoría es cambiar nuestro sentido de la naturaleza de la realidad?

DEUTSCH: Si. Por útil que sea la teoría tal como está hoy y por espectaculares que puedan ser las aplicaciones prácticas en un futuro lejano, lo realmente importante son las implicaciones filosóficas —epistemológicas y metafísicas— y las consecuencias para la propia física teórica. Una de las consecuencias más importantes desde mi punto de vista es una que sacamos incluso antes de construir el primer qubit [bit cuántico]. La propia estructura de la teoría ya nos impone una visión de la realidad física como un multiverso. Ya lo llamemos multiverso o «universos paralelos» o «historias paralelas», o «muchas historias» o «muchas mentes» —ahora hay media docena o más de variantes de esta idea— la teoría de la computación cuántica nos obliga a revisar nuestras teorías explicativas del mundo, a reconocer que es una cosa mucho más grande de lo que parece. Estoy tratando de decir esto de una manera que sea independiente de la «interpretación»: es una cosa mucho más grande de lo que parece.

EDGE: ¿Qué quiere decir con «más grande»?

DEUTSCH: Lo que quiero decir es... supongamos que fuéramos a medir «cantidades» de realidad, los tamaños de objetos, en términos de la cantidad de información necesaria para describirlos. Para especificar las posiciones de los átomos en esta habitación necesito tres números por cada átomo. Cuantos más átomos quiera describir, más números necesito. Cuanto más exactamente quiera hacerlo, más cifras decimales necesito. Así que eso requiere una cierta cantidad de información. Puedo pensar en hacerlo para todo el universo. Esto puede parecer una gran cantidad de información, ya que hay del orden de 10⁸⁰ átomos en el universo conocido, por no hablar de los otros grados de libertad. Por lo tanto, puede parecer increíblemente vasta. Sin embargo, es minúscula en comparación con la cantidad de información que sería necesaria para especificar el estado computacional de un único computador cuántico, situado en algún laboratorio futuro. Así que en términos de visión del mundo, o de modelo conceptual, un computador cuántico es un objeto mucho más grande que la totalidad del universo clásico. Este hecho nos obliga a un gran cambio en nuestra visión del mundo.

EDGE: Así que la teoría nos dice que un computador cuántico es en sí mismo un universo.

DEUTSCH: Sería un objeto mucho más complejo que la totalidad del universo clásico. La totalidad de la realidad física también lo es, por supuesto, y a veces la llamamos el multiverso. Vemos, a grandes rasgos, un universo clásico ahí fuera porque la mayor parte del multiverso no nos es directamente accesible. Solo indirectamente se puede inferir la existencia de la información cuántica oculta, como en los experimentos de entrelazamiento que he mencionado.

Para muchas personas esta conclusión ya era convincente incluso antes de los computadores cuánticos. La interpretación de los muchos-universos fue propuesta en 1957. Pero también se pueden reconstruir todos los argumentos anteriores como argumentos computacionales. Las personas que los hacían no pensaban en ellos como tales, pero eso es lo que eran. Ellos decían: miramos a nuestro alrededor y vemos algo que es aproximadamente un universo clásico; y cabría esperar que si se toma la mecánica cuántica en cuenta, eso podría añadir una cierta cantidad de «material» extra —como sucedió con la relatividad— que se comporta de manera diferente pero sigue habiendo más o menos la misma «cantidad» de realidad que pensábamos que había. Pero no es eso lo que sucede cuando se tiene en cuenta la mecánica cuántica. La realidad se convierte en algo enorme y exponencialmente grande y más complejo de lo que era en la física clásica.

EDGE: ¿Cómo podemos decir que hay tanta de esta «información oculta» en un sistema cuántico?

DEUTSCH: Si el sistema es un computador cuántico, podemos decirlo por las respuestas que nos da. Tomemos, por ejemplo, el algoritmo cuántico de búsqueda de Grover. Funciona así: digamos que usted está escribiendo un programa de ajedrez; está buscando entre todas las continuaciones posibles de una posición dada. Partiendo de una posición podría haber 20 movimientos posibles, y desde cada uno de estos hay 20 para el otro jugador, y así sucesivamente, de modo que después de N movimientos hay 20 elevado a N diferentes continuaciones posibles. Y usted quiere programar el computador para buscar entre todas las continuaciones y evaluar un movimiento determinado. Digamos que usted quiere buscar entre un billón de continuaciones. Un teorema trivial de la computación clásica dice que si se quiere buscar entre un billón de cosas desconocidas, en general hay que hacer un billón de operaciones físicas de algún tipo. Se podrían hacer algunas de ellas en paralelo, pero un computador determinado solo podrá hacer en paralelo un número fijo en cada momento. De una forma u otra hay que hacer un billón de cosas, así que, si desea utilizar el mismo computador para buscar entre dos billones de cosas, se necesitará al menos el doble de tiempo, y así sucesivamente.

Pero con un computador cuántico podría hacerse mejor: en primer lugar, para buscar en una lista de un billón de cosas solo se necesita un millón de operaciones. En general, para buscar entre N posibilidades solo hay que hacer raíz cuadrada de N operaciones físicas. Y entonces, si usted deja que su máquina de ajedrez cuántica piense durante el doble de tiempo, la máquina examinará cuatro veces más continuaciones. En el triple de tiempo, nueve veces más, y así sucesivamente. La explicación de esto, en términos de muchos universos, es muy simple. Es simplemente que hay raíz cuadrada de N universos que colaboran en esa tarea. Pero, una vez más, no importa la cuestión de la interpretación como tal. Si nos limitamos a pensar en lo que implica está computación para la realidad en que nos encontramos, la respuesta es, de nuevo, que la realidad es mucho más grande de lo que parece. El movimiento ganador, cuando lo encontramos, depende lógicamente de todas las posiciones que buscábamos. De modo que, como cuestión de lógica, todas estas posiciones deben haber existido en alguna parte, y haber sido comparadas con la respuesta que obtuvimos.

EDGE: Parece que hay aquí un vacío entre la información abstracta, por un lado, y los objetos físicos tales como computadoras y estrellas y universos, por el otro. ¿Cuál es la conexión?

DEUTSCH: En última instancia, la información ha tenido que tener una realización física; por eso por lo que al final se reduce a átomos, o estrellas, o lo que sea. Pero debido a la universalidad de la computación, no hay que pensar en términos de implementaciones específicas. Yo no tengo que saber si mi información va a ser almacenada en un disco magnético, o lo que sea. Solo sé que más información significa un objeto más grande.

EDGE: ¿Dónde se está trabajando en computación cuántica?

DEUTSCH: En más lugares cada día, eso parece. Tan solo en Estados Unidos hay alrededor de una docena de grupos de investigación de muy alta calidad que trabajan a toda máquina en computación cuántica, teórica y experimental. Probablemente hay otra docena en Europa. También en Japón, Australia, Israel ...

EDGE: Vamos a hablar de cosas prácticas. Uno está en Microsoft, en Intel, en Sun Microsystems, y lee sobre David Deutsch y sus teorías acerca de la computación cuántica. ¿Cómo va a afectar a su empresa? ¿Qué medidas tendría que tomar?

DEUTSCH: Para que los computadores puedan seguir haciéndose más potentes, los procesadores y dispositivos de memoria deben hacerse más pequeños. Solo por esa sola razón hay que aprovechar los procesos cuánticos. Que se hagan computadores cuánticos o no realmente no importa. Incluso para hacer computadores clásicos a partir de componentes de escala atómica habría que utilizar la física cuántica y, en última instancia, la teoría cuántica de la computación. Y una vez que se están haciendo, la misma tecnología podría hacer también computadores cuánticos. Y habría un incentivo debido a las varias ventajas inherentes a la computación cuántica.

EDGE: ¿Cómo se construiría uno?

DEUTSCH: Actualmente compiten varias tecnologías propuestas para construirlos. No sabemos en qué dirección se va a ir. Podrían ser trampas para iones o podrían ser puntos cuánticos u otros dispositivos de estado sólido, o podrían ser lazos superconductores. Podrían ser moléculas o algo que aún no conocemos.

En la actualidad el mayor computador cuántico en el mundo tiene unos 3 qubits. No tiene mucha utilidad práctica, y requiere todo un gran aparato para hacer que funcione. Sin embargo, con 3 qubits ya se pueden implementar algoritmos cuánticos que ningún ordenador clásico con 3 bits podría imitar.

Ya existen dispositivos de criptografía cuántica en el laboratorio. Con el tiempo eso va a proporcionar una comunicación completamente segura. La criptografía ya no dependerá de la dificultad, o la intratabilidad, de adivinar una clave desconocida. Sencillamente será físicamente imposible descubrir la clave si no se tiene el objeto físico relevante. Así que eso es lo último en criptografía.

EDGE: Sabemos que, históricamente, los avances en criptografía han sido ocultados por los gobiernos. ¿Podría ser que los computadores cuánticos nunca lleguen al mercado porque alguien se asegurará de que no lo hagan?

DEUTSCH: Si eso está pasando, no sé nada al respecto. Tanto en Gran Bretaña como en Norteamérica hay agencias gubernamentales que trabajan en criptografía cuántica y, por lo que puedo decir, participan de la misma manera que lo harían si fueran instituciones académicas. Es de suponer que tengan sus secretos —¡espero que los tengan!— pero yo no soy consciente de que hayan tratado de impedir el desarrollo de cualquiera de estas tecnologías, y mucho menos los avances teóricos. Pero, ahora que usted lo menciona, encuentro un poco sorprendente que no haya ya un dispositivo criptográfico cuántico en el mercado.

EDGE: ¿Para comercio electrónico?

DEUTSCH: No. El problema es que en este momento el alcance de las transmisiones de mensajes con criptografía cuántica es muy limitado. No pueden hacerse a través del aire. Tienen que hacerse a través de fibra óptica, y creo que el récord mundial está en unos 100 kilómetros. Pero aun así, se podría cablear la City de Londres, o el centro de Washington DC, para comunicaciones absolutamente seguras. No sé por qué eso no se ha hecho. Dudo, no obstante, que tenga algo que ver con siniestras maquinaciones por parte del gobierno. Quizá se trata simplemente de que se necesita mucho tiempo para que una idea se convierta en algo verdaderamente viable desde el punto de vista comercial.

EDGE: ¿Qué pasaría si se diera una situación crítica tal como una guerra que requiriera seguridad?

DEUTSCH: En ese caso ya sabemos cómo utilizar comunicaciones absolutamente seguras, si lo queremos, con alcances de algunos kilómetros. Distancias más largas presentarían un problema, pero al menos un grupo en Los Álamos está trabajando en un sistema que permitiría rebotar en un satélite mensajes cuánticamente encriptados, y eso resolvería esencialmente el problema.

A largo plazo el problema también podría resolverse mediante estaciones repetidoras cuánticas. Por desgracia, se requieren computaciones cuánticas mucho más sofisticadas que las que hace la criptografía cuántica más simple. Llegarán con el tiempo, tal vez en una década o dos.

Otra cosa que llegará, probablemente después de más de una década o dos, es el criptoanálisis cuántico, en el que se utilizará un computador cuántico para descifrar los códigos existentes. Las máquinas de descifrado cuántico harían obsoletos los actuales sistemas de cifrado.

EDGE: ¿Tendré dentro de diez años toda la tecnología de un computador cuántico en mi mesa de trabajo?

DEUTSCH: Supongo que no. Pero ¿quién sabe? Más de una vez me han sorprendido los experimentadores con su capacidad para poner en práctica conceptos teóricos en computación cuántica. Pero, aparte de la criptografía cuántica, me sorprendería si algo tecnológicamente útil llegara en diez años, veinte años, incluso más. Aunque no sería la primera vez que me sorprendiera.

4.

El universo ultraprimitivo

Martin Rees

Expresidente de la Royal Society, profesor emérito de

Cosmología y Astrofísica de la Universidad de Cambridge, máster del Trinity College, y autor de Seis números nada más y de Our Final Century.

En los últimos años el problema de comprender el universo ultraprimitivo ha sido foco de atención. Ahora conocemos las propiedades clave del universo: su densidad, su edad y sus constituyentes principales. De hecho, los últimos tres años serán recordados como especialmente notables en los anales de la cosmología, pues solo en ese tiempo hemos precisado la forma y el contenido del universo, al igual que en siglos anteriores los navegantes pioneros determinaron el tamaño de la Tierra y la disposición de sus continentes. El reto ahora es explicar cómo llegó a tener esa forma. La nueva física está tratando de entender por qué el universo se está expandiendo como lo hace, y por qué terminó con el contenido que tiene. Podemos rastrear su historia hasta un microsegundo después del supuesto Big Bang que le dio origen, pero ¿qué ocurrió en ese primer microsegundo de formación? La rica variedad de ideas que se están discutiendo —branas, inflación, etc.— deja claro que las cuestiones son fascinantes, pero también que aún estamos muy lejos de la respuesta correcta. Estamos en la fase en la que todas las posibilidades deben ser exploradas. Vale la pena considerar las consecuencias incluso de las ideas más descabelladas, aunque la posibilidad de que alguna de ellas realmente resulte válida a largo plazo no es muy alta.

En mi propio trabajo trato de estar abierto a varias ideas a la vez (incluso si son incompatibles) porque quiero saber la respuesta. Si un fenómeno es enigmático, una buena idea es explorar todas las opciones: con ello tal vez se encuentren nuevas formas de discriminar entre ellas, o un estudio más profundo puede revelar contradicciones que descarten algunas. Obviamente es eso lo que hace la comunidad en conjunto, pero los científicos individuales se dividen en dos categorías. Algunos no se ven motivados para trabajar en una teoría a menos que (al menos en ese momento) estén muy convencidos de que es probable que sea correcta; ellos apuestan todo su dinero a un caballo particular. Pero otros científicos (y yo estoy en esta segunda categoría) se sienten felices repartiendo sus apuestas, y para ellos el deseo de aclarar la cuestión es una motivación suficiente.

Yo no pretendo ser un experto en ninguna de las teorías específicas para el universo ultraprimitivo. Parece probable que las dimensiones extra del espacio van a tener un papel; es bueno que la idea de inflación, que ha dominado el campo durante 20 años, se esté generalizando ahora en otros conceptos que vienen de gente como Lisa Randall, Neil Turok y Paul Steinhardt. Es importante explorar todas estas posibilidades.

El objetivo principal es, por supuesto, desarrollar una teoría convincente y completamente general que describa el universo primitivo y que haga predicciones comprobables acerca del mundo actual. Si tuviéramos una teoría acerca de las masas de los electrones y los protones, y de las fuerzas que los gobiernan, que nos diera una comprensión más profunda y más específica que la que hoy nos da el denominado «modelo estándar», entonces la teoría ganaría credibilidad, y tendríamos que tomar en serio sus implicaciones para el universo ultraprimitivo. Cabe esperar que alguna de las nuevas teorías exóticas haga predicciones comprobables ya sea sobre el mundo ordinario de las partículas o sobre el universo. Por ejemplo, algunas hacen predicciones distintas acerca de la cantidad de radiación gravitatoria que llena el universo. Todavía no podemos medir esto hoy, pero quizá dentro de diez años seamos capaces de hacerlo. Esa es una manera en que las observaciones astronómicas podrían reducir la gama de opciones.

La idea más fácil de entender conceptualmente es la inflación eterna, que Guth defiende y en la que Andrei Linde ha hecho un gran trabajo de detalle. Esto da lugar de modo natural a muchos Big Bang. Si estos Big Bang son o no réplicas parecidas unos de otros o si el material en cada uno de ellos está regido por leyes diferentes es algo que no sabemos. La inflación eterna puede superar las complicaciones de las dimensiones extra y la gravedad cuántica, pues estas quedan relegadas al pasado infinito.

La mayoría de nosotros, sin embargo, sospechamos que un prerrequisito para avanzar será una teoría elaborada que relacione la gravedad con el micromundo. En el mismísimo principio, el universo entero podría haber estado comprimido hasta el tamaño de una partícula elemental; las fluctuaciones cuánticas podrían agitar el universo entero y habría un vínculo esencial entre la cosmología y el micromundo. Por supuesto, la teoría de cuerdas y la teoría M son los intentos más ambiciosos y más de moda actualmente para hacerlo. Cuando dispongamos de esa teoría deberíamos ser capaces al menos de formular una física para el comienzo exacto del universo. Una cuestión que se plantea, por supuesto, es si vamos a encontrar que el espacio y el tiempo son tan complicados y retorcidos que no podamos hablar realmente de un comienzo en el tiempo. Hemos tenido que aceptar que tendremos que deshacernos de muchos de nuestros conceptos de sentido común a medida que nos acerquemos a estas condiciones extremas.

El principal escollo en este momento es que las matemáticas que intervienen en estas teorías son tan difíciles que no es posible relacionar la complejidad de este espacio de 10 u 11 dimensiones con algo que realmente podamos observar. Además, aunque estas teorías pueden resultar estéticamente atractivas, y aunque nos dan una interpretación natural de la gravedad, todavía no nos dicen por qué nuestro mundo tridimensional contiene los tipos de partículas que estudian los físicos. Esperamos que un día esta teoría, que ya ha hecho más profunda nuestra comprensión de la gravedad, ganará credibilidad al explicar algunas de las características del micromundo que el actual «modelo estándar» de la física de partículas no explica.

Aunque probablemente Roger Penrose puede manejarse con cuatro dimensiones, no creo que ninguno de esos teóricos pueda imaginar de una manera intuitiva las dimensiones extra. Sin embargo, pueden visualizarlas como construcciones matemáticas, y ciertamente las matemáticas pueden ser desarrolladas y estudiadas. Lo que es bastante inusual en la teoría de cuerdas, desde el punto de vista de la sociología y la historia de la ciencia, es que es uno de los pocos casos en que la física se ha visto retenida por falta de las matemáticas relevantes. En el pasado, los físicos han utilizado por lo general matemáticas que ya estaban disponibles. Einstein empleó la geometría no euclidiana del siglo XIX, y los pioneros de la teoría cuántica utilizaron la teoría de grupos y las ecuaciones diferenciales que en esencia habían sido elaboradas con mucha antelación. Pero la teoría de cuerdas plantea problemas matemáticos que no están aún resueltos, y de hecho han aproximado mucho más las matemáticas y la física.

La teoría de cuerdas es la aproximación dominante en este momento, y ya ha logrado algunos éxitos, pero la pregunta es si va a desarrollarse hasta una fase en donde realmente podamos resolver problemas que se puedan poner a prueba observacionalmente. Si no se puede cerrar la brecha entre esta teoría decadimensional y algo que podamos observar, la teoría dejará de avanzar. En la mayoría de las versiones de la teoría de cuerdas las dimensiones extra además de las tres habituales están apretadamente enrolladas, de modo que cada punto de nuestro espacio ordinario es como un origami apretadamente enrollado en seis dimensiones. Vemos tan solo tres dimensiones: las demás son invisibles para nosotros, ya que están apretadamente enrolladas. Una aguja parece una línea unidimensional si la miramos desde una gran distancia, pero en realidad es tridimensional. Del mismo modo, las dimensiones extra además de nuestras tres dimensiones usuales podrían verse si se miran las cosas muy de cerca. El espacio en una escala muy pequeña es granuloso y complicado; su suavidad es una ilusión de la gran escala. Esa es la visión convencional en estas teorías de cuerdas.

Otras idea que se ha hecho popular en los últimos dos o tres años es que no todas las dimensiones extra están enrolladas, sino que podría haber al menos una dimensión extra que existe en una gran escala. Lisa Randall y Raman Sundrum han desarrollado esta idea en su trabajo sobre branas. Según su teoría podría haber otros universos, tal vez separados del nuestro por tan solo una distancia microscópica. Sin embargo, esa distancia se mide en una cuarta dimensión espacial de la que no somos conscientes. Puesto que estamos presos en nuestras tres dimensiones, no podemos detectar directamente esos otros universos. Es algo así como una gran cantidad de insectos arrastrándose en una gran hoja de papel bidimensional, que no serían conscientes de otro grupo de insectos que estuvieran arrastrándose por otra hoja de papel y que podrían estar solo a una corta distancia en la tercera dimensión. De una manera diferente, este concepto interviene en un modelo simple que Paul Steinhardt y Neil Turok han discutido y que permite un universo permanente y cíclico. Estas ideas, una vez más, pueden dar lugar a nuevas intuiciones. Ellos hacen algunas predicciones aún no comprobables sobre la fluctuación de las ondas gravitatorias, pero la pregunta clave es si llevan la marca de la verdad. Quizá lo sepamos cuando hayan sido desarrolladas con más detalle.

Por el momento todas estas ideas son muy especulativas. La situación es similar a la que había en los años 1930 y 1940, cuando personas como George Lemaître, George Gamow y Alexander Friedman tenían ideas básicas sobre el Big Bang aun cuando nadie podía realmente ponerlas a prueba. De la misma manera, las teorías de las supercuerdas y de la inflación en el universo ultraprimitivo están muy por delante de cualquier predicción comprobable. La pregunta es si en diez o veinte años tendremos maneras de comprobarlas igual que en los últimos diez años hemos tenido tests muy buenos de la teoría del Big Bang hasta la etapa en que el universo tenía un segundo de edad. Si estas ideas nunca pudieran ser puestas a prueba, entonces ciertamente se podría argumentar que no son más que «ciencia irónica», en el sentido peyorativo de esa expresión introducida por John Horgan. Pero espero que dentro de diez o veinte años sabremos cuál de ellas está en el buen camino, si es que alguna lo está, ya sea porque una de ellas forme parte de una teoría general unificada que explique las fuerzas básicas y las leyes de la naturaleza, o porque se haya realizado algún test astronómico capaz de discriminar entre las diferentes ideas. Del mismo modo que habría sido injusto criticar a Gamow en la década de 1940 por trabajar en el Big Bang cuando no podíamos ponerlo a prueba, también sería injusto criticar ahora a estas personas. Una vez más, los teóricos están dirigiendo, provocando y estimulando a los observadores y los experimentadores.

Una característica casi genérica de los modelos inflacionarios —que Alan Guth, Andrei Linde, Alexander Vilenkin y muchos otros han discutido— es que el cosmos se extiende mucho más allá del horizonte de nuestras observaciones (tal vez incluso más allá de cualquier observación futura concebible) y que incluso puede haber muchos Big Bang. Lo que los astrónomos llaman nuestro universo, la parte que podemos observar dentro del horizonte de nuestros telescopios, es solo una pequeña fracción de todo lo que hay, y podría ser una parte atípica. Por ejemplo, Vilenkin ha estudiado algunos modelos explícitos tratando de estimar en qué fracción de su volumen total habría condiciones propicias para la vida. Esto encaja bien con el denominado «razonamiento antrópico», la idea de que aunque la vida quizá solo sea posible en una minúscula parte del dominio cósmico total, nosotros nos encontramos en esa parte. Algunos físicos echan espuma por la boca ante cualquier mención de «la palabra-A». Sin embargo, si el cosmos contiene dominios tan vastos y variados como sugieren muchas teorías, entonces algunas características de nuestro universo no tendrán una mejor explicación que una explicación antrópica.

Yo estoy interesado en algunas preguntas fundamentales acerca de la unicidad de las leyes físicas. Siempre me han impresionado los llamados «argumentos de ajuste fino» según los cuales nuestro universo parece ser bastante especial y las leyes tienen un carácter inusual para permitir que se desarrolle un cosmos tan complejo. Cómo sucedió esto es un auténtico misterio, ya que es fácil imaginar un conjunto de leyes que llevarían a un universo estéril o un universo muerto. La respuesta más natural al misterio sería que nuestro Big Bang no fuera el único: que hubiera muchos universos y los diferentes universos terminaran gobernados por leyes diferentes, algunas de las cuales permiten estructuras y que, finalmente, surja vida. Me siento atraído por estos modelos cosmológicos que permiten no solo un Big Bang, sino muchos. Ese es un aspecto del escenario de la inflación eterna avanzado por Linde, y también de algunos de estos universos con dimensiones extra. Lo que me gustaría saber es si estos universos están basados en la física y resultan ser correctos, y si los diferentes universos estarían gobernados por diferentes leyes físicas. ¿Estarían gobernados por leyes con diferentes fuerzas? ¿Contendrían diferentes tipos de partículas? Si hay una gran variedad entre los diferentes universos, entonces no debería producir ninguna sorpresa que hubiera al menos un universo como el universo en que vivimos.

Otro punto de vista proviene de David Deutsch, quien ha refinado la denominada teoría de los «muchos mundos» de la mecánica cuántica. Él está considerando estos universos como si estuvieran de alguna manera superpuestos unos a otros, que no es el mismo concepto de los universos paralelos de Lisa Randall. Me siento muy atraído por la idea de que se pueda llegar a una mejor comprensión de la teoría cuántica y de la computación cuántica pensando en la línea de David Deutsch. La suya es una manera mucho más clara de considerar lo que los computadores cuánticos pueden hacer. Dicho sea de paso, también podría suceder que una nueva teoría como la teoría de cuerdas nos diera una comprensión más profunda de la naturaleza de la teoría cuántica. Hay verdad en la observación de John Polkinghorne de que «tu mecánica cuántica promedio no es más filosófica que tu mecánica del motor promedio»; la mayoría de los físicos simplemente utilizan la teoría de una manera más bien mecánica. Podría dar las respuestas, pero sigue habiendo misterios en ella, y no deberíamos suponer que tenemos ya la manera correcta de verla. Gente como David Deutsch nos está llevando quizá en una dirección productiva.

Hay una tendencia a utilizar términos como «teoría de todo» y «teoría final» para referirse a lo que gente como Edward Witten (y cientos de otros teóricos de talento) está buscando. La teoría que persiguen daría fin a una búsqueda que comenzó con Newton y continuó con Einstein y sus sucesores. Pero, por supuesto, no sería el fin de la ciencia: sería simplemente el final de una búsqueda particular. No nos ayudaría a entender la mayor parte de las complejidades del mundo. A la mayoría de los científicos, incluida la mayor parte de los físicos, no les será de mucha ayuda una teoría fundamental, porque las dificultades a las que se enfrenta la mayoría de los científicos no son el resultado de no conocer las leyes básicas. El reto de la ciencia no es solo lo que los físicos teóricos están haciendo, sino también comprender cómo emerge la complejidad. Este es un reto tan fundamental como el de la llamada «teoría de todo», y es independiente de ella. Steve Weinberg dice que si uno sigue preguntando «¿por qué, por qué, por qué?» acaba llegando a una pregunta en física de partículas o en cosmología. Eso es verdad hasta cierto punto, pero solo en un sentido limitado. Una pregunta difícil es por qué un líquido a veces se comporta de una manera regular y a veces de una forma caótica —entender la turbulencia o los grifos que gotean, por ejemplo— pero la respuesta no va a venir de analizar el líquido hasta sus constituyentes subatómicos. Vendrá de pensar de una manera muy diferente acerca de la complejidad.

Por poner un ejemplo, el descubrimiento de Mitchell Feigenbaum de que la misma serie de números aparece en la transición del comportamiento ordenado al comportamiento caótico es un descubrimiento importante sobre el mundo, pero no tiene absolutamente nada que ver con la física de partículas, incluso si es igual de fundamental. Por eso yo simpatizo con gente que, como Phil Anderson, quieren bajar los humos de los físicos fundamentales que afirman que su tema de estudio es el más profundo y el que tiene mayor prioridad. Tan importante como eso es entender la complejidad, verla en la forma más simple en la transición al caos y en formas más complicadas en todo el resto de la ciencia: el código genético, los flujos de fluidos y todo lo demás. Son desafíos iguales.

Es importante que se exploren alternativas a las ideas dominantes; por ejemplo, el trabajo de Lee Smolin sobre gravedad cuántica de lazos. Desde una perspectiva sociológica, la única cosa que me preocupa de la teoría de cuerdas es la concentración tal vez excesiva de talentos en este campo en comparación con los demás. No es solo un reparto no óptimo del esfuerzo científico, sino que es seguro que va a causar mucha desilusión cuando hay ahora tantos jóvenes brillantes que están persiguiendo las mismas ideas. Sería bueno que más gente explorara enfoques alternativos, o incluso dejara esa clase de física fundamental para explorar los desafíos del mundo complejo. Por cierto, hace unos meses Lee publicó un bonito artículo en la revista New Scientist acerca de cómo el sistema universitario, al decidir a quién dar las plazas, suele penalizar a las personas que trabajan en las áreas más originales, porque es obvio que si uno está trabajando en un área que aún no es apreciada por una gran cohorte de sus colegas, entonces no lo va a tener muy fácil para hacer una carrera. Hay mucha verdad en lo que él dice.

Paul Davies ha expresado algunas ideas interesantes sobre los bucles de tiempo. La cuestión del tiempo es importante conceptualmente porque hay debate entre los físicos sobre si estos son imposibles en teoría o si son simplemente imposibles de realizar técnicamente. Hay ahora un consenso en que no se pueden descartar sobre la base de un principio general. No se puede decir rotundamente que violan la causalidad. Podrían llevar a incoherencias —habría que hacer que algo se mueva en un bucle de tiempo cerrado que sea totalmente coherente para evitar las paradojas obvias y asegurarse de que el bucle se cierre de forma consistente— pero creo que todo el mundo acepta que se pueden hacer aun evitando las paradojas bien conocidas. Me gusta bastante la forma en que lo expone Igor Novikov. Él dice que no es absurdo tener una ley de la naturaleza que te impida disparar a tu abuelo si vas en un bucle en el tiempo. Esto limita nuestro libre albedrío, pero Novikov señala que las leyes de la naturaleza ya restringen el libre albedrío de muchas otras maneras. Las leyes físicas nos impiden ejercer nuestro libre albedrío para caminar por el techo; del mismo modo puede haber una ley física que te impida, si estuvieras en un bucle de tiempo, hacer algo que fuera incompatible, como disparar a tu abuelo en su cuna.

La controversia está entre quienes piensan que los bucles de tiempo están prohibidos por una ley básica, y quienes sostienen que «simplemente» son técnicamente difíciles. Para poner una analogía, la mayoría de nosotros diría que un cohete que vaya más rápido que la luz es imposible, pero un cohete que vaya al 99 por 100 de la velocidad de la luz es posible en teoría, a pesar de que, por supuesto, es igualmente imposible en la práctica. La pregunta es si el bucle del tiempo es análogo a ir a un 99 por 100 de la velocidad de la luz, o a ir más rápido que la luz. En el primer caso, es solo técnicamente imposible hacer una máquina del tiempo, pero no imposible en principio; en el segundo caso sería imposible en principio. Muchas ciencia futurista suena un poco a ciencia ficción. El punto clave, sin embargo, es que a medida que exploramos ambientes más extremos —lo muy grande, lo muy pequeño, etc.— tenemos que estar preparados para renunciar a más de nuestras nociones de sentido común. Esa es la fascinación del tema.

Cuando hablábamos antes usted me preguntó qué tiene que ver la computación con todo esto. Por supuesto, ni siquiera los resultados de Feigenbaum habrían sido posibles sin una calculadora HP posterior a 1970 en la que se podían realizar iteraciones simples. Otro ejemplo se puede ver en los patrones fractales como el conjunto de Mandelbrot —maravillosas imágenes que tienen capas y capas de complejidad. Antes de la era de los computadores no se podían dibujar estos patrones. No se podía apreciar por completo cómo un simple algoritmo podría dar lugar a una complejidad tan tremenda. Es gracias al computador como hemos sido capaces de hacer este nuevo tipo de ciencia —del que, por supuesto, Wolfram es el propagandista de más alto perfil— que nos permite desarrollar nuevas ideas acerca de cómo patrones simples y algoritmos simples pueden tener consecuencias muy complejas. Eso es un ejemplo de un tipo de ciencia que está perfectamente al mismo nivel que la física de partículas y la teoría de cuerdas desde un punto de vista intelectual, pero está bastante disociado de ellas. Steve Wolfram ha hecho un excelente manifiesto a favor de este tipo de ciencia. Yo no sé si su forma de ver las cosas es en realidad la clave para entender el espacio, el tiempo y las partículas. Para ser honesto, soy más bien escéptico sobre eso, pero es importante para ilustrar cómo simples algoritmos pueden generar una gran cantidad de las complejas estructuras de nuestro mundo.

Aparte de ser un espectador de los excitantes debates sobre el universo ultraprimitivo, mi preocupación en este momento —como de hecho lo ha sido durante más de veinte años— es entender cómo finalizó la «edad oscura cósmica». Después del resplandor inicial del Big Bang, el universo se enfrió y oscureció, hasta que se iluminó de nuevo cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias. Estamos haciendo grandes progresos (con la ayuda de observaciones y computaciones) en la comprensión de cómo el universo pasó de ser amorfo y carente de estructura a hacerse complejo. Esta transición clave ocurrió muy tarde, quizá cien millones de años después del Big Bang. La física básica a las densidades y temperaturas bajas ahora reinantes es indiscutible, pero las cosas se complican por la misma razón que lo hace toda la ciencia medioambiental. Estoy tratando de entender cómo evolucionaron las primeras estructuras, cómo se desarrollaron las primeras estrellas, agujeros negros y galaxias, y cómo el universo pasó de ser una bola de fuego amorfa en expansión a consistir en estrellas y galaxias y las demás cosas que observamos.

Los cosmólogos no están menos preocupados que cualquier otro por lo que suceda la semana que viene o el próximo año. De hecho, su conciencia de los vastos eones que se extienden por delante quizá los hace especialmente conscientes del futuro potencial poshumano de la vida. Otra cosa que estoy haciendo en estos momentos es escribir un libro centrado en los escenarios para el próximo siglo. Hay mucho júbilo sobre el progreso acelerado de ciertas ciencias y, por supuesto, hay personas —como Ray Kurzweil en particular— que piensan que el progreso técnico se está precipitando hacia algún tipo de singularidad o cúspide, que podría alcanzarse en unos cincuenta años. Mi preocupación es que cada uno de estos avances, en particular los avances en biotecnología, conduzca a una mayor inestabilidad. Aumenta la influencia y el poder que tiene una sola persona descontenta o un pequeño grupo. Solo serían necesarias unas pocas personas, con la enorme influencia que ofrece la tecnología, para causar desastres que podrían acabar con toda nuestra sociedad. La cuestión es si superaremos este período. El episodio del ántrax mostró que no es necesario hacer mucho para afectar la psique de una sociedad entera, porque los medios de comunicación, y la publicidad exagerada en general, pueden agrandar cualquier temor. Un escándalo o un desastre son amplificados por los medios de comunicación y por el hecho de que estamos muy interconectados, participamos en muchas redes. No puedo ver cómo podemos evitar episodios que se apoderan por completo de la sociedad, o que incluso provocan su colapso. Soy pesimista porque me parece que va a ser muy difícil prevenirse contra estas cosas. Veamos lo que ha sucedido en el mundo. Hace veinte años nos preocupaba la confrontación entre las superpotencias. En la década de 1990 nos preocupaban los nacionalismos y los conflictos a menor escala. Ahora nos preocupamos por los terroristas y otros grupos descontentos, y en el futuro tendremos que preocuparnos por individuos contrariados, con la mentalidad de quienes hoy diseñan virus informáticos pero con el poder de hacer un mal mucho mayor.

A menos que tengamos una vigilancia absoluta sobre todo el mundo todo el tiempo, va a ser muy difícil garantizar que una o dos personas no generen algún tipo de evento catastrófico. La gente aceptará un alto nivel de vigilancia. Ciertamente ya lo hemos visto en Gran Bretaña y Estados Unidos con circuitos cerrados de televisión en lugares públicos. Tenemos que cambiar un poco nuestra forma de pensar, antes de que esto llegue a ser algo aceptable. No solo las personas que acuden a estos reality shows de televisión son exhibicionistas. Lo realmente sorprendente es que muchas personas ponen un montón de cosas personales en sus páginas web. La reticencia y la valoración de la intimidad entre las personas de mi generación (y de los aún más antiguos que yo) puede estar erosionándose. La vigilancia será más aceptable si todos podemos elegir ser voyeurs incluso cuando estamos siendo observados. Si la gente llega a la fase en que todos están dispuestos a aceptar este tipo de vigilancia intrusiva, eso se convertirá en una forma de reducir el riesgo.

Estos pensamientos me hacen sentirme deprimido por lo que vaya a pasar en los próximos diez o veinte años. Sin embargo, si podemos evitar el desastre, entonces coincido con Kurzweil en que el ritmo de cambio en nuestra vida va a ser aún más rápido en los próximos 50 años que lo ha sido en los últimos 50 años. En particular, si es verdad que vamos a tener computadores con capacidades humanas, entonces eso será un cambio cuántico real. No basta con tener computadores con la potencia de procesamiento de un cerebro humano: tienen que ser capaces de sentir e interactuar con el mundo exterior y no solo estar atrapados en una caja. Deben relacionarse con el mundo exterior, como lo hacemos nosotros a través de nuestros sentidos. Cuando eso suceda, tendremos máquinas que serán de un nivel humano, y por supuesto podrán empezar a resolver problemas por nosotros. La verdadera prueba será si realmente pueden resolver algunos de estos problemas científicos mejor que lo que nosotros hemos sido capaces de hacer hasta ahora. Para dar un ejemplo, ha habido grandes progresos en la superconductividad a alta temperatura. La gente ha estado aumentando gradualmente la temperatura, incluso si no entienden muy bien lo que está pasando, ensayando recetas de sustancias químicas muy complicadas. Pero supongamos que usted estuviera trabajando con una máquina que escupía las fórmulas y luego le daba un superconductor que trabaja a temperatura ambiente. Quizá lo haya hecho ensayando miles de millones de alternativas, y no con el tipo de ideas que podrían conducir a los teóricos humanos al mismo resultado. Pero, al igual que tenemos que aceptar que Deep Blue juega muy bien al ajedrez (incluso si piensa y analiza, como Kasparov) tendríamos que aceptar que se merecían el Nobel de Física. Podría haber un aumento descontrolado en nuestra capacidad científica cuando las máquinas alcancen ese umbral... Tal vez incluso resolverán los problemas cosmológicos fundamentales.

5.

Gravedad cuántica de lazos

Lee Smolin

Físico del Instituto Perimeter de Física Teórica, y autor de Three Roads to Quantum Gravity y de Las dudas de la física en el siglo XXI: ¿es la teoría de cuerdas un callejón sin salida?

Hace varios años, tuve la oportunidad de trasladarme al Imperial College de Londres con la posibilidad de poner en marcha un grupo de investigación. Después de haber pasado allí algún tiempo, alguien vino a verme y me dijo: «Represento a algunas personas que quieren crear un instituto de física teórica. Quieren que en él se trabaje en temas fundamentales como gravedad cuántica, teoría de cuerdas, cosmología y mecánica cuántica, y están dispuestos a aportar al menos 100 millones de dólares. ¿Qué haría usted? ¿Qué campos incluiría? ¿Cómo lo estructuraría? ¿A quién sería bueno contratar? ¿Nombraría un director? ¿Escogería a alguien famoso y sabio y le daría todo el poder para estructurarlo, o simplemente contrataría a un grupo de jóvenes procedentes de la escuela de posgrado, les daría un modelo empresarial de alta tecnología y les dejaría correr con ello?». Hablamos sobre esto, y él también habló con muchas personas que trabajaban en estos campos —Fotini Markopoulou-Kalamara, Carlo Rovelli, Chris Isham, Roger Penrose y muchos otros—.

Muy importante en estas discusiones fue la estructura que habría que dar al instituto. Mi opinión era que es un error dar a una persona todo el poder, porque se trata de ciencia y la ciencia funciona mejor cuando las personas son independientes y hay una comunidad. El instituto propuesto —el Instituto Perimeter de Física Teórica, en Waterloo, en las afueras de Toronto— pretendía en particular ser una incubadora de ideas innovadoras sobre cuestiones fundamentales, y las nuevas ideas suelen venir o bien de gente joven o de personas que se mantienen jóvenes por que constantemente se introducen en nuevas áreas. Nosotros los científicos nos criticamos constantemente unos a otros, y trabajamos mejor en una atmósfera abierta donde cualquiera puede criticar a cualquiera, de forma honesta y directa. Uno también desea una atmósfera de apoyo, donde la gente sea generosa y comprensiva acerca de las dificultades y los fracasos. Hablamos de todas estas cosas, y con el tiempo la perspectiva comenzó a parecer más atractiva que permanecer en Londres.

El padre de la idea y el principal donante para el Instituto Perimeter es Michael Lazaridis, quien es copresidente ejecutivo de Research in Motion, la compañía que fabrica Blackberry. Él y el consejo que creó dejaron claro que lo que querían, en el aspecto estructural, era algo así como el Instituto para Estudios Avanzados en Princeton. Ellos fijan el mandato, fijan el marco, pero no se involucran en las cuestiones del día a día de la dirección científica y la contratación. Mike es absolutamente esencial, pero nunca se nos ha acercado para decirnos: «Yo creo que hay que contratar a esta persona» o «Yo creo que esa no es una buena dirección a seguir». Una cosa que hicieron muy pronto fue crear un comité de científicos prominentes como asesores, para supervisar lo que hacemos. Están ahí para ver que no nos perdemos en direcciones científicamente extrañas, para mantenernos honestos.

Ahora estamos en un viejo edificio en Waterloo, que antes era un restaurante; mi despacho está al lado del antiguo bar. Hay una atmósfera maravillosa, a la gente le encanta. Ha comenzado la construcción de un nuevo edificio diseñado por dos fantásticos jóvenes arquitectos de Montreal, Gilles Saucier y André Perrotte. Cuando se inició el proceso viajamos con ellos a Cambridge y Londres, donde se han construido recientemente edificios para físicos y matemáticos, y hablamos sobre lo que funciona, lo que no funciona y por qué. Creo que nuestro edificio va a ser un lugar para hacer física teórica mejor que cualquiera de los que existen ahora. Ya se nos ha dicho que será un lugar caliente en dos campos: la gravedad cuántica y la teoría cuántica de la información. Abrimos en septiembre de 2001,* que era un momento extraño para comenzar cualquier actividad, empezando con tres científicos con contratos a largo plazo: Robert Myers, Fotini Markopoulou y yo —un teórico de cuerdas y dos personas que trabajan en gravedad cuántica—. Desde el principio tuvimos muy presente la idea de que no se iba a favorecer un enfoque particular. Tenemos gente buena en ambos bandos, y estamos creando una atmósfera en donde personas de diferentes campos hablan unos con otros. Hemos tenido mucha buena ciencia hasta ahora. Hemos contratado a dos personas muy buenas en teoría cuántica: Lucien Hardy, de Oxford, quien ha hecho un trabajo interesante sobre los fundamentos de la teoría cuántica y la teoría cuántica de la información, y Daniel Gottesman, una joven estrella de la teoría cuántica de la información. En 2002 tuvimos diez investigadores posdoctorales, varios visitantes, un montón de gente yendo y viniendo. En junio, el primer ministro y el ministro de Industria de Canadá nos visitaron y prometieron un apoyo de más de 25 millones de dólares. También vino el viceministro de la provincia de Ontario y se comprometió a aportar como mínimo 11 millones de dólares. Fue alentador ver que los líderes de al menos un país entienden que el apoyo a la ciencia pura es esencial para una democracia moderna.

La ciencia es una especie de laboratorio abierto para una democracia. Es una manera de experimentar con los ideales de nuestras sociedades democráticas. Por ejemplo, en ciencia uno debe aceptar el hecho de que vive en una comunidad que hace el juicio definitivo sobre el valor de su trabajo. Pero al mismo tiempo, cada uno tiene su propio juicio. La ética de la comunidad requiere que uno defienda lo que cree y que se esfuerce todo lo que pueda en obtener resultados para probar sus corazonadas, pero tiene que ser honesto al informar de los resultados, cualesquiera que sean. Uno tiene la libertad e independencia para hacer lo que quiera, siempre y cuando al final acepte el juicio de la comunidad. La buena ciencia proviene de la colisión de ideas contradictorias, del conflicto, de personas que tratan de hacerlo mejor que lo hicieron sus maestros, y creo que aquí tenemos un modelo de lo que debe ser una sociedad democrática. Hay una gran fuerza en nuestra forma de vida democrática, y la ciencia está en la raíz de la misma.

Ahora quiero hablar sobre el problema de la gravedad cuántica y las dos aproximaciones mejor desarrolladas que se han propuesto para resolverlo, que se llaman gravedad cuántica de lazos y teoría de cuerdas. Este es un caso en el que diferentes personas han adoptado diferentes aproximaciones para resolver un problema científico fundamental, y hay lecciones interesantes que aprender de cómo se han desarrollado estas teorías desde principios de la década de los años ochenta del siglo pasado, lecciones acerca del espacio y el tiempo y también acerca de cómo funciona la ciencia.

Gravedad cuántica es el nombre que damos a la teoría que unifica toda la física. Sus raíces están en la teoría de la relatividad general de Einstein y en la teoría cuántica. La teoría de la relatividad general de Einstein es una teoría del espacio, el tiempo y la gravitación, mientras que la teoría cuántica describe todo lo demás que existe en el universo, incluidos las partículas elementales, los núcleos, los átomos y la química. Estas dos teorías fueron inventadas en el siglo XX y su ascensión marcó el derrocamiento de la teoría anterior, que era la mecánica newtoniana. Ellas son los legados principales de la física del siglo XX. El problema de su unificación es la principal cuestión abierta en física que nos queda por resolver en este siglo.

La naturaleza es una unidad. Este lápiz está hecho de átomos y cae en el campo gravitatorio de la Tierra. Por lo tanto debe haber un marco, una ley de la naturaleza de la cual estas dos teorías son aspectos diferentes. Sería absurdo que hubiera dos leyes de la física irreconciliables, una para un dominio del mundo y otra para otro dominio. Incluso en 1915 Einstein era consciente del problema, y en su primer artículo sobre las ondas gravitatorias menciona la paradoja de cómo encajar la relatividad con la cuántica.

Solo a partir de mediados de los años ochenta empezaron a hacerse progresos reales en la unificación de la relatividad y la teoría cuántica. El punto clave fue la invención de ya no una, sino dos aproximaciones: la gravedad cuántica de lazos y la teoría de cuerdas. Desde entonces hemos estado haciendo progresos constantes en estas dos aproximaciones. En una y otra somos capaces de hacer cálculos que predicen nuevos fenómenos sorprendentes. Sin embargo, no hemos terminado. Ninguna de las dos está aún en su forma final; todavía hay cosas por comprender. Pero la noticia realmente importante es que ahora hay una oportunidad real de hacer experimentos que pondrán a prueba las nuevas predicciones de estas teorías.

Esto es importante, porque estamos en la incómoda situación de tener dos candidatas bien desarrolladas a la teoría cuántica de la gravedad. Tenemos que reducirlas a una teoría. Podemos hacerlo o bien encontrando que una está equivocada y la otra es correcta, o bien considerando que las dos teorías pueden ser unificadas. (Por supuesto, el resultado de poner a prueba las teorías podría ser que ambas queden eliminadas, pero también esto sería un avance.)

Hasta hace unos años, la situación era muy diferente. No sabíamos cómo poner a prueba las teorías en cuya construcción estábamos trabajando arduamente. De hecho, para toda una generación científica —es decir, desde mediados de la década de 1970— la física fundamental ha estado en crisis porque no ha sido posible someter nuestras especulaciones teóricas a pruebas experimentales. Esto se debe a que los nuevos fenómenos que predicen nuestras teorías de la gravedad cuántica ocurren a escalas de energía que superan en muchos órdenes de magnitud a las que se pueden crear en el laboratorio, incluso en los grandes aceleradores de partículas. La escala en la que la física cuántica y la gravedad se unen se llama la escala de Planck, y su energía es unos quince órdenes de magnitud mayor que la que se puede alcanzar en los aceleradores más grandes ahora en construcción.

En la teoría cuántica la distancia es inversamente proporcional a la energía, porque se necesitan partículas de muy alta energía para sondear distancias muy cortas. La inversa de la energía de Planck es la longitud de Planck. Es en esta longitud donde deja de ser válida la imagen clásica de un espacio suave y continuo que predicen nuestras teorías, y es unas veinte potencias de diez más pequeña que un núcleo atómico. Puesto que la escala de Planck está tan alejada de la experiencia, la gente comenzó a poner gran confianza en las matemáticas y en la teoría. Hubo incluso algunos teóricos de cuerdas que dijeron tonterías como «Desde Galileo hasta 1984 fue el período de la física moderna, en el que comprobábamos nuestras teorías experimentalmente. Desde entonces trabajamos en la era de la física posmoderna, en la que la consistencia matemática basta para demostrar la corrección de nuestras teorías y el experimento no es posible ni necesario». No estoy exagerando, hubo quien dijo realmente cosas como esta.

La idea de que se podrían hacer experimentos para poner a prueba la teoría cuántica de la gravedad fue mencionada ocasionalmente por unas pocas personas a lo largo de los años noventa, pero para nuestra vergüenza las ignoramos. Una persona que propuso la idea con firmeza es un joven de Roma llamado Giovanni AmelinoCamelia. Él sencillamente ignoró a todos los que decían: «Nunca se van a sondear escalas tan pequeñas. Nunca se van a poner a prueba estas teorías». Él se dijo que debe de haber una manera de hacerlo, y examinó muchos experimentos posibles, buscando formas en que pudieran aparecer efectos de la gravedad cuántica. Y las encontró. Ahora sabemos de más de media docena de experimentos diferentes que podemos hacer para poner a prueba distintas hipótesis acerca de la física en la escala de Planck. De hecho, en el último año varias propuestas sobre la física en la escala de Planck han sido descartadas por el experimento.

La clave de la que se dieron cuenta Amelino-Camelia y otros es que podemos utilizar el propio universo como un dispositivo experimental para sondear la escala de Planck. Hay tres formas diferentes en que el universo nos proporciona sondas experimentales de la escala de Planck. En primer lugar, existen aceleradores en galaxias distantes que producen partículas con energías mucho más altas que las que podemos producir incluso en los más grandes aceleradores construidos por el hombre. Se han observado algunos de estos rayos cósmicos de ultra alta energía que inciden en nuestra atmósfera con energías más de 10 millones de veces más altas que las que hemos llegado a producir. Estos nos proporcionan una serie de experimentos ya hechos, porque en su camino hacia nosotros han recorrido grandes distancias a través de la radiación y la materia que llenan el universo. De hecho, ya hay sorpresas en los datos que, si se mantienen, pueden interpretarse como debidas a los efectos de la gravedad cuántica.

En segundo lugar, detectamos la luz y las partículas que han viajado miles de millones de años luz en su camino hacia nosotros a través del universo. Durante los miles de millones de años de viaje, efectos muy pequeños debidos a la gravedad cuántica pueden ser amplificados hasta el punto de que podamos detectarlos.

Por último, la inflación postulada por la que el universo se expandió muy rápidamente en momentos tempranos sirve como una especie de microscopio que amplía las características de la escala de Planck a escalas astronómicas, donde podemos verlas en las pequeñas fluctuaciones en la radiación cósmica de microondas.

Entonces, ¿cuáles son las teorías que se están poniendo a prueba con estos efectos? Una de ellas es la gravedad cuántica de lazos.

La gravedad cuántica de lazos tuvo su inicio a principios de los años ochenta con algunos descubrimientos acerca de la relatividad general clásica por parte de Amitaba Sen, entonces un estudiante posdoctoral en la Universidad de Maryland. Estos se convirtieron en una hermosa reformulación de la teoría de Einstein por parte de Abhay Ashtekar, entonces en la Universidad de Syracuse y ahora director del Centro de Física Gravitacional en la Penn State; una reformulación que acercaba el lenguaje matemático y conceptual que utilizamos para describir el espacio y el tiempo al lenguaje utilizado en la física de partículas y la física cuántica. Luego, mi colega Ted Jacobson, de la Universidad de Maryland, y yo encontramos en 1986 que se podía utilizar este nuevo formalismo de Ashtekar para obtener resultados reales sobre el espacio-tiempo cuántico. Desde los años cincuenta del siglo pasado, la ecuación fundamental de la gravedad cuántica ha sido la llamada ecuación de Wheeler-DeWitt. Bryce DeWitt y John Wheeler la establecieron, pero en todo el tiempo transcurrido desde entonces nadie había sido capaz de resolverla. Nos dimos cuenta de que se podía resolver con exactitud, y de hecho encontramos un número infinito de soluciones exactas. Estas revelaban una estructura microscópica de la geometría del espacio y nos decían que el espacio, en la escala de Planck, se parece a una red con aristas discretas unidas en grafos. Al año siguiente se me unió Carlo Rovelli (ahora en el Centro de Física Teórica en Marsella), y juntos fuimos capaces de hacer una completa teoría cuántica de la gravedad a partir de estas soluciones. Esto se convirtió en la gravedad cuántica de lazos. Rápidamente se nos unieron muchos otros, y ahora es un importante campo de investigación.

La gravedad cuántica de lazos se diferencia de otras aproximaciones a la gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas, en que, aparte de utilizar el formalismo de Ashtekar, no hacemos ninguna modificación de los principios de la relatividad y la teoría cuántica. Estos principios han sido bien probados por el experimento, y nuestra teoría se basa en su unificación coherente, y nada más. Nuestra aproximación une la relatividad en el mundo tal como lo vemos, con tres dimensiones espaciales y materia más o menos como lo vemos, con la mecánica cuántica más o menos en la forma que nos la presentaron Paul Dirac, Werner Heisenberg y sus amigos. Aunque la mayoría de la gente se había dado por vencida y estaba tratando de modificar los principios de la relatividad o de la teoría cuántica, nosotros mismos (y muchas otras personas) nos sorprendimos por tener éxito en juntarlas sin modificar sus principios.

Esto ha llevado a una teoría detallada que nos da una nueva imagen de la naturaleza del espacio y el tiempo tal como aparecen cuando se analizan en la escala de Planck. El aspecto más sorprendente de esta imagen es que en esa escala el espacio no es continuo sino que está hecho de elementos discretos. Hay una unidad mínima de espacio: su volumen mínimo está dado aproximadamente por el cubo de la longitud de Planck (que es 10⁻³³ cm). Una superficie que separa una región del espacio de otra tiene un área que se presenta en unidades discretas, la más pequeña de las cuales es más o menos la longitud de Planck al cuadrado. Por lo tanto, si uno toma un volumen de espacio y lo mide con una precisión muy fina, descubre que el volumen no puede ser cualquier cosa. Tiene que caer en una serie discreta de números, como sucede con la energía de un electrón en un átomo. Y como en el caso de los niveles de energía de los átomos, podemos calcular las áreas y volúmenes discretos a partir de la teoría.

Cuando elaboramos por primera vez las predicciones para estas unidades más pequeñas de área y volumen, no teníamos idea de que iban a ser observadas en experimentos reales durante nuestra vida. Sin embargo, varias personas —empezando por Rodolfo Gambini, de la Universidad de la República en Montevideo, y Jorge Pullin, entonces en la Penn State— demostraron que hay consecuencias realmente observables. Casi al mismo tiempo, Amelino-Camelia y otros fueron señalando que si hubiera tales efectos, serían detectables en experimentos que implican rayos cósmicos y estallidos de rayos gamma. Estos efectos son causados por dispersión de luz por la estructura discreta de la geometría cuántica, análoga a la difracción y refracción de la luz por las moléculas del aire o el líquido que atraviesa. El efecto de la gravedad cuántica es minúsculo, muchos órdenes de magnitud menor que el debido a la materia. Sin embargo, observamos luz procedente de estallidos de rayos gamma —enormes explosiones posiblemente causadas por la fusión de estrellas de neutrones binarias o agujeros negros— que ha viajado a través del universo unos diez mil millones de años luz.

Sobre distancias tan largas, los pequeños efectos se amplifican hasta el punto en que se pueden observar. Puesto que las partículas elementales viajan como ondas en la teoría cuántica, lo mismo sucede con tales partículas —protones y neutrinos, por ejemplo. Es posible que estos efectos sean responsables de las sorpresas que he mencionado en las observaciones de rayos cósmicos de muy alta energía.

Ahora viene la parte realmente interesante: algunos de los efectos predichos por la teoría parecen estar en conflicto con uno de los principios de la teoría especial de la relatividad de Einstein, la teoría que dice que la velocidad de la luz es una constante universal, la misma para todos los fotones e independiente del movimiento del emisor o del observador.

¿Cómo es esto posible, si la propia teoría se basa en los principios de la relatividad? El principio de la constancia de la velocidad de la luz es parte de la relatividad especial, pero nosotros cuantificamos la teoría de la relatividad general de Einstein. Puesto que la teoría especial de Einstein es solo un tipo de aproximación a su teoría general, podemos implementar los principios de esta última pero encontrar modificaciones a la primera. ¡Y esto es lo que parece estar sucediendo!

Por ello, Gambini, Pullin y otros calcularon cómo viaja la luz en una geometría cuántica y encontraron que la teoría predice que la velocidad de la luz tiene una pequeña dependencia de la energía. Los fotones de alta energía viajan ligeramente más lentos que los fotones de baja energía. El efecto es muy pequeño, pero se amplifica con el tiempo. Dos fotones producidos por un estallido de rayos gamma hace 10 millones de años, uno más rojo y otro más azul, llegan a la Tierra en momentos ligeramente diferentes. El retardo de tiempo predicho por la teoría es lo suficientemente grande como para ser detectable por un nuevo observatorio de rayos gamma llamado GLAST (por Gamma-ray Large Area Space Telescope, o telescopio espacial de campo amplio para rayos gamma), que está programado para ser puesto en órbita en 2006.* Esperamos con gran interés el anuncio de los resultados, pues estarán poniendo a prueba la predicción de una teoría cuántica de la gravedad.

Una pregunta muy interesante a la que nos enfrentamos ahora es: ¿hasta qué punto vamos a vernos obligados a modificar la teoría de la relatividad especial de Einstein si se observa el efecto predicho? La posibilidad más grave es que el principio de relatividad simplemente falle. El principio de relatividad significa básicamente que la velocidad es relativa y no hay significado absoluto en estar en reposo. Contradecir esto significaría que después de todo hay una noción preferida de reposo en el universo. Esto, a su vez, significaría que la velocidad es una magnitud absoluta. Revertiría 400 años de física y nos retrotraería hasta antes de que Galileo enunciara el principio de que la velocidad es relativa. Aunque el principio puede haber sido aproximadamente cierto, nos hemos enfrentado a la aterradora posibilidad de que el principio falle cuando se tienen en cuenta los efectos de la gravedad cuántica.

Recientemente se ha llegado a la conclusión de que esta posibilidad parece estar descartada por experimentos que ya se han realizado. Es decir, si el principio de relatividad fallara cuando se tienen en cuenta los efectos de la gravedad cuántica, los efectos ya se habrían visto en algunas medidas muy delicadas que implican relojes atómicos y en ciertos procesos astrofísicos que afectan a los remanentes de supernova. Estos efectos no se ven, por lo que esta posibilidad drástica parece menos probable. ¡Así que una hipótesis sobre la estructura del espacio y el tiempo en escalas veinte órdenes de magnitud más pequeñas que un núcleo atómico ha sido descartada por el experimento!

Pero hay otra posibilidad, y es que el principio de relatividad se conserva pero la teoría de la relatividad especial de Einstein requiere una modificación de modo que permita que los fotones tengan una velocidad que depende de la energía. Lo más impactante que he aprendido en el último año es que esta es una posibilidad real. ¡Un fotón puede tener una velocidad dependiente de la energía sin violar el principio de relatividad! Así lo entendió hace unos años Amelino Camelia. Me involucré en esta cuestión a través del trabajo que hice con João Magueijo, un cosmólogo joven con mucho talento, en el Imperial College de Londres. Durante los dos años que estuve trabajando allí, João venía a verme y me incordiaba con este problema. Su razón para preguntar era que se había dado cuenta de que si la velocidad de la luz pudiera cambiar según las circunstancias —por ejemplo, cuando el universo fuera muy caliente y denso— se podría tener una teoría cosmológica alternativa. Él y Andreas Albrecht (y John Moffat antes que ellos) habían encontrado que, si la velocidad de la luz fuera mayor en los inicios del universo, habría una alternativa a la cosmología inflacionaria que explica todo lo que hace la inflación, sin cargar con todo el equipaje de esta.

Todas estas ideas me parecían una locura, y durante mucho tiempo yo no las acepté. ¡Estaba seguro de que eran erróneas! Sin embargo, João siguió importunándome y poco a poco me di cuenta de que ellos tenían razón. Desde entonces hemos escrito varios artículos conjuntos que muestran cómo los postulados de Einstein pueden ser modificados para dar una nueva versión de la relatividad especial en la que la velocidad de la luz puede depender de la energía.

Mientras tanto, en los últimos años se han producido algunos resultados nuevos e importantes sobre gravedad cuántica de lazos. Uno de ellos es que se puede calcular la entropía de un agujero negro, y sale exactamente la correcta. Jacob Bekenstein encontró en su tesis doctoral en 1971 que cada agujero negro debe tener una entropía proporcional al área de su horizonte, la superficie más allá de la cual la luz no puede escapar. Stephen Hawking lo refinó mostrando que la constante de proporcionalidad debe ser exactamente un cuarto, en unidades en las que el área se mide en longitudes de Planck al cuadrado. Desde entonces, un desafío para todas las teorías cuánticas de la gravedad ha sido reproducir este resultado. Además, se supone que la entropía corresponde a una medida de la información: cuenta el número de bits de información que pueden faltar en una observación particular. Así que si un agujero negro tiene entropía, hay que responder a la pregunta, ¿cuál es la información que cuenta la entropía de los agujeros negros?

La gravedad cuántica de lazos responde a estas preguntas dando una descripción detallada de la estructura microscópica del horizonte de un agujero negro. Esto se basa en la descripción atómica de la geometría espacial, que implica que el área del horizonte de un agujero negro está cuantificada, igual que lo está el espacio, que está compuesto de unidades discretas. Resulta que un horizonte puede tener un número finito de estados por cada unidad de área cuantizada. Contándolos, obtenemos exactamente el resultado de Bekenstein, incluido el un cuarto.

Este es un resultado muy reciente. Cuando hicimos por primera vez un cálculo de este tipo, en la década de los noventa, obtuvimos la entropía correcta salvo una constante general. Hace unos meses, en un brillante artículo, Olaf Dreyer, un posdoctorado en el Instituto Perimeter, encontró un argumento muy simple y original que fija esa constante utilizando una propiedad completamente clásica de los agujeros negros. Él utiliza un viejo argumento de Niels Bohr llamado el principio de correspondencia, que nos dice cómo empalmar las descripciones clásica y cuántica de un mismo sistema. Una vez que se fija la constante, da la entropía correcta para todos los agujeros negros.

Otro gran desarrollo de la gravedad cuántica de lazos es que ahora sabemos cómo describir no solo el espacio sino el espaciotiempo —incluidos causalidad, conos de luz, y todo lo demás— en la gravedad cuántica de lazos. El espacio-tiempo también resulta ser discreto, descrito por una estructura llamada una espuma de espín. Recientemente se han obtenido importantes resultados que muestran que los cálculos dinámicos en los modelos de espuma de espín salen finitos. Juntos, estos dos resultados sugieren con fuerza que la gravedad cuántica de lazos está dando respuestas razonables a preguntas sobre la naturaleza del espacio y el tiempo en las escalas más cortas.

Permítanme decir ahora algo sobre la teoría de cuerdas, que es la otra aproximación a la gravedad cuántica que ha sido bien estudiada.

La teoría de cuerdas es un tema muy hermoso. Trata de unificar la gravedad con las otras fuerzas, postulando que todas las partículas y las fuerzas surgen de las vibraciones de objetos extendidos. Estos incluyen objetos unidimensionales (de ahí el nombre de «cuerdas»), pero también objetos extensos de más dimensiones que llevan el nombre de «branas» (para generalizaciones de membranas). La teoría de cuerdas procede de la observación de que todos los cuantos portadores de las fuerzas conocidas, y todas las partículas conocidas, se pueden encontrar entre las vibraciones de estos objetos extendidos.

La teoría de cuerdas no es una teoría cuántica completa de la gravedad, por razones a las que llegaré en un minuto, pero funciona hasta cierto punto. Da, hasta un cierto orden de aproximación, predicciones razonables para algunos efectos de la gravedad cuántica. Entre estos se incluyen la dispersión de gravitones (cuantos de gravedad análogos a los fotones) por otras partículas. Para ciertos tipos muy limitados de agujeros negros (en realidad, no los agujeros negros reales, sino sistemas con propiedades similares a las de algunos agujeros negros especiales) da predicciones que concuerdan con los resultados de Bekenstein y Hawking. Y tiene éxito en unificar la gravedad con las otras fuerzas.

Sin embargo hay una letra pequeña. Para que la teoría de cuerdas funcione tenemos que plantear la hipótesis de que hay seis o siete dimensiones espaciales inobservables. También tenemos que hacer la hipótesis de que hay nuevos tipos de simetrías, llamadas supersimetrías, que hasta ahora no han sido observadas. Estas simetrías asocian las partículas normalmente consideradas constituyentes de la materia (como los quarks y los electrones) con los cuantos de las fuerzas (como los fotones y los gluones).

La supersimetría es una hermosa idea y, de hecho, se presenta independientemente de la teoría de cuerdas como una conjetura interesante sobre las partículas elementales. Por desgracia no se observa. Si se observara directamente, entonces por cada partícula habría una compañera supersimétrica, con las mismas masa, carga e interacciones pero con un espín que difiere en un medio. ¡Desde luego esto no se observa! Si la supersimetría es cierta, entonces solo se realiza en la naturaleza de manera indirecta; en el habla de la física decimos que la simetría está rota. Otra forma de decirlo es que las fuerzas tienen una simetría, pero el estado del mundo no la obedece. (Por ejemplo, si usted mira a su alrededor verá que el hecho de que el espacio tiene simetría en tres dimensiones se rompe por los efectos del campo gravitatorio, que apunta hacia abajo.)

Hay alguna prueba indirecta que algunas personas toman como un indicio de que la supersimetría está presente y se verá en futuros experimentos en aceleradores. Pero hasta ahora no se ha encontrado ninguna prueba directa de la supersimetría. Tampoco ha habido ninguna prueba experimental de las dimensiones extra que requiere la teoría de cuerdas.

Un resultado interesante, y desafortunado, de esto es que, a falta de comprobación experimental, diferentes comunidades de personas se han centrado en diferentes cuestiones y han inventado diferentes mundos imaginarios. Quienes trabajan en gravedad cuántica de lazos todavía viven en el mundo que vemos, donde el espacio tiene tres dimensiones y no hay necesidad de más simetrías que las que se observan. Muchos teóricos de cuerdas viven, al menos imaginariamente, en un universo que tiene diez u once dimensiones. Una broma habitual cuenta que un teórico de cuerdas, tras escuchar una charla sobre la gravedad cuántica de lazos dice: «Esa es una teoría muy hermosa, pero tiene dos grandes fallos: en ella el espacio solo tiene tres dimensiones y no existe supersimetría». A lo que el orador responde: «¿Quieres decir que es como el mundo real?». En realidad esto no es una broma: yo lo he oído. (Y, dicho sea de paso, si el mundo tuviera más dimensiones y supersimetría, eso podría ser incorporado en gravedad cuántica de lazos.)

Resulta notable hasta qué punto la gente puede inventar mundos imaginarios cuando la ciencia se disocia del experimento. Siguen una cierta estética de elegancia matemática hasta donde les lleva. Si uno compra todo eso —las dimensiones extra y las simetrías y todo lo demás— la teoría de cuerdas tiene éxito como aproximación limitada a la unificación de la gravedad y la teoría cuántica. Sin embargo, incluso si es correcta, la teoría de cuerdas solo puede ser una aproximación a la teoría real. Una razón es que resulta haber una enorme cantidad de teorías de cuerdas. Y hasta ahora, aunque se han estudiado muchas de ellas, no se ha descubierto ninguna teoría de cuerdas que esté de acuerdo con todas las observaciones de nuestro universo. Hay tres características del mundo que ninguna teoría de cuerdas puede reproducir hasta el momento: la ausencia de supersimetría a bajas energías, la presencia de una constante cosmológica con signo positivo (veremos más sobre esto más adelante), y la ausencia total de un cierto tipo de campo, llamado campo escalar sin masa, que las teorías de cuerdas predicen en abundancia. Así pues, parece probable que, incluso si la teoría de cuerdas es cierta en algún sentido muy general, la teoría real que describa nuestro universo debe diferir significativamente de todas las teorías de cuerdas hasta ahora ideadas.

Otra razón por la que la teoría de cuerdas no puede ser la última palabra es que en la teoría de cuerdas se estudian cuerdas que se mueven en un espacio-tiempo clásico fijo. Por lo tanto, la teoría de cuerdas es lo que llamamos una aproximación dependiente del fondo, lo que significa que se definen las cuerdas moviéndose en un espacio y un tiempo fijos. Esto puede ser una aproximación útil, pero no puede ser la teoría fundamental. Uno de los descubrimientos fundamentales de Einstein es que no hay un fondo fijo. La geometría misma del espacio y el tiempo es un sistema dinámico que evoluciona en el tiempo. Las observaciones experimentales de la energía que escapa de púlsares binarios en forma de ondas gravitatorias —al ritmo predicho por la relatividad general con una precisión sin precedentes de once cifras decimales— nos dicen que la idea de un fondo fijo de la geometría del espacio-tiempo no es más cierta que la idea de la existencia de esferas cristalinas fijas que sostienen los planetas. La teoría fundamental debe unificar la teoría cuántica con una descripción completamente dinámica del espacio y el tiempo. Debe ser lo que llamamos una teoría independiente del fondo. La gravedad cuántica de lazos es una teoría así; la teoría de cuerdas no lo es.

De hecho, el debate entre los partidarios de teorías independientes del fondo y dependientes del fondo es la versión moderna de un viejo debate. Ya desde los antiguos griegos ha habido una encendida discusión entre quienes creían que el espacio y el tiempo tienen un carácter absoluto, eternamente fijo, y los que pensaban que el espacio y el tiempo no son más que relaciones entre sucesos que evolucionan en el tiempo. Platón, Aristóteles y Newton eran absolutistas. Heráclito, Demócrito, Leibniz, Mach y Einstein eran relacionalistas. Cuando exigimos que la teoría cuántica de la gravedad sea independiente del fondo, estamos diciendo que creemos que el triunfo que la relatividad general representa para el punto de vista relacional es definitivo y no va a tener vuelta atrás.

Gran parte de la discusión entre los teóricos de cuerdas y de lazos es una continuación de este debate. La mayoría de los teóricos de cuerdas se han formado como físicos de partículas elementales y han trabajado toda su vida en un espacio-tiempo fijo y único. Muchos de ellos ni siquiera han oído hablar del debate relacional/ absoluto, que es el contexto histórico y filosófico de base para el trabajo de Einstein. La mayoría de las personas que trabajan en la gravedad cuántica de lazos lo hacen porque en algún momento de su educación han entendido el carácter relacional y dinámico del espacio-tiempo tal como se describe en la relatividad general, y creen en él. Ellos no trabajan en la teoría de cuerdas porque no pueden tomar en serio una candidata a una teoría cuántica de la gravedad que sea dependiente del fondo y por lo tanto pierda (o en el mejor de los casos oculte) el carácter relacional y dinámico del espacio y el tiempo.

Del mismo modo, los teóricos de cuerdas se resistían al principio a la idea de que la teoría fundamental debe ser independiente del fondo. Sin embargo, creo que a estas alturas casi todos los teóricos de cuerdas han cambiado. Lo han hecho porque hay razones internas en la teoría de cuerdas para creer que la teoría fundamental debe ser independiente del fondo. Esto se debe a que la teoría de cuerdas resultó no ser única. Aunque originalmente, allá por la década de los años ochenta, se tenía la esperanza de que la consistencia matemática sería suficiente para determinar la teoría unificada, resulta que en realidad hay un gran número de teorías de cuerdas igualmente consistentes. Cada una de ellas es tan consistente como cualquier otra, y cada una depende de una elección diferente del fondo. Además, a pesar del gran número de teorías de cuerdas que conocemos ahora, ninguna de ellas está de acuerdo con las observaciones en los tres puntos que he mencionado anteriormente.

Como resultado, en un movimiento llamado «la segunda revolución de las cuerdas», a mediados de los años noventa, los teóricos de cuerdas postularon que todas las diferentes teorías de cuerdas descubiertas hasta entonces, más un número infinito de teorías aún por descubrir, no son sino aproximaciones a una teoría unificada. Esta teoría ha sido llamada teoría M, pero no hay un acuerdo general acerca de cuáles son sus principios o qué forma matemática toma. La idea es que la teoría M, si existe, sería independiente del fondo y tendría a todas las diferentes teorías de cuerdas que dependen del fondo como diferentes soluciones a la misma.

Muchos teóricos de cuerdas dicen ahora que el principal problema de la teoría de cuerdas es encontrar la teoría M y dar a la teoría de cuerdas una forma independiente del fondo. Pero lo curioso es que no muchos teóricos de cuerdas han tratado de trabajar en este problema. El problema es que toda su intuición y sus herramientas se basan en teorías dependientes del fondo. Cuando incordio con esto a los teóricos de cuerdas, ellos me dicen que es prematuro, que todavía no es el momento de trabajar en este problema.

He tenido un montón de interesantes conversaciones con los líderes de la teoría de cuerdas: Edward Witten, Leonard Susskind, Renate Kallosh, David Gross, John Schwarz, Michael Green, Andrew Strominger y muchos otros. Es evidente que no están de acuerdo sobre la metodología. Me dicen que tengo una idea equivocada acerca de cómo funciona la ciencia. Me dicen que uno no puede esperar resolver los problemas fundamentales atacándolos directamente. En su lugar, uno debe seguir la teoría a dónde vaya. Un destacado teórico de cuerdas me ha dicho varias veces «Hace mucho tiempo que he aprendido que la teoría de cuerdas es más inteligente que yo», y que tratar de decir a la teoría dónde debe ir sería suponer que uno es «más inteligente que la teoría». Otro me dice que la teoría de cuerdas funciona porque hay «una comunidad muy disciplinada» en la que los líderes imponen un orden en la comunidad de investigadores para asegurar que en un momento dado solo se trabaja en unos pocos problemas.

Tengo un enorme respeto por los teóricos de cuerdas como personas y por lo que han logrado. Algunos de ellos son buenos amigos míos. Pero, al mismo tiempo, creo que están equivocados acerca de cómo funciona la ciencia. Desde luego no quiero decir que yo sea más inteligente que la teoría de cuerdas o que los teóricos de cuerdas. Pero no estoy de acuerdo con ellos acerca de la metodología, porque estoy seguro de que los problemas científicos fundamentales no se resuelven de esa manera accidental. Einstein solía quejarse de que muchos científicos se limitan a los problemas fáciles —«perforar donde la madera es delgada», como él decía—. En una de las pocas ocasiones en que hablé con Richard Feynman, él me dijo que muchos físicos teóricos pasan sus carreras planteándose preguntas que solo tienen interés matemático. «Si quieres descubrir algo importante —me dijo—, hazte solo preguntas cuyas respuestas lleven a nuevas predicciones experimentales.»

También he aprendido del filósofo Paul Feyerabend la importancia del conflicto y el pluralismo en la ciencia. Lo leí en la facultad e inmediatamente sentí que, a diferencia de otros filósofos que yo había estado leyendo, él realmente entendía lo que los científicos hacen. Él señalaba que la ciencia se desarrolla a menudo a partir de la tensión que surge cuando colisionan programas de investigación rivales. Aconsejaba que en tales situaciones uno siempre debería trabajar en la parte más débil de cada uno de los programas en competencia. También hacía hincapié en que el pluralismo en ciencia es bueno, no malo. Según él, y estoy de acuerdo, la ciencia avanza con más rapidez cuando hay varias aproximaciones en sana competencia a un problema, y se estanca cuando hay una única aproximación. Creo que esto es cierto en todos los niveles: en la comunidad científica en su conjunto, en un centro o un grupo de investigación e incluso en cada uno de nosotros.

Así que, aunque no estoy de acuerdo con destacados teóricos de cuerdas acerca de la metodología, esto no me ha impedido trabajar en la teoría de cuerdas. Después de todo, no son sus dueños; sus problemas abiertos están ahí para cualquiera que trate de resolverlos. Por ello, hace unos años decidí ignorar sus consejos y traté de construir la forma de la teoría M independiente del fondo. En el proceso de invención de la gravedad cuántica de lazos hemos ganado mucho conocimiento sobre cómo hacer teorías cuánticas del espacio y el tiempo que sean independientes del fondo. Tenemos un lenguaje matemático, tenemos un lenguaje conceptual, sabemos qué preguntas plantear, y sabemos cómo hacer los cálculos. Resulta que buena parte de la gravedad cuántica de lazos puede ser generalizada y extendida, añadiendo dimensiones extra y simetrías extra para convertirla en un lenguaje adecuado para la teoría M.

Al principio algunos de mis amigos y colaboradores se sorprendieron de que yo estuviera trabajando en la teoría de cuerdas. Sin embargo, yo tenía la idea de que tal vez la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de lazos eran diferentes caras de la misma teoría, algo muy parecido a la parábola de los ciegos y el elefante. Pasé casi dos años trabajando en la teoría de cuerdas y la teoría M con el objetivo de hacerlas independientes del fondo, y con ello unificar la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de lazos. Encontré algunos resultados muy interesantes. Fui capaz de construir una posible formulación independiente del fondo de la teoría de cuerdas.

Los resultados más interesantes que encontré utilizan algunas bonitas matemáticas que tienen que ver con un tipo de número llamado octonión. Estos son números que se pueden dividir, pero que no satisfacen otras reglas, tales como la conmutatividad y asociatividad. Feza Gürsey, de la Universidad de Yale, y sus estudiantes, especialmente Murat Gunyadin, han estado explorando durante años la idea de que los octoniones podrían estar relacionados con la teoría de cuerdas. Usando octoniones fui capaz de desarrollar una idea atractiva (de Corrine Manogue y Tevian Dray de la Universidad del Estado de Oregón) que explica por qué el espacio puede parecer tridimensional aun siendo, en cierto sentido matemático, nonadimensional. No sé si la dirección que tomé es correcta, pero encontré que no es tan difícil utilizar métodos independientes del fondo para formular y estudiar conjeturas acerca de lo que es la teoría M.

Trabajar en teoría de cuerdas utilizando los métodos de la gravedad cuántica de lazos fue muy divertido. Yo estaba allí con unos pocos amigos, como lo había estado en los primeros días de la gravedad cuántica de lazos, e hice avances reales. Sin embargo, en el último año he dejado este trabajo a un lado debido a los nuevos desarrollos experimentales. En cuando comprendí lo que estaba diciendo Giovanni Amelino-Camelia, me di cuenta de que esto era ciencia y que es en eso en lo que teníamos que centrarnos. Desde entonces ha sido mucho más difícil despertarme e ir a trabajar por la mañana a un mundo imaginario con seis o siete dimensiones extra.

Hubo otra noticia impactante por parte de los experimentadores que me apartó de la teoría de cuerdas: el descubrimiento en los dos últimos años de que la mayoría de la energía en el universo está en una forma que Einstein llamó la constante cosmológica. La constante cosmológica puede interpretarse como un indicio de que el espacio vacío tiene una cierta densidad de energía intrínseca. Esto es algo difícil de creer, pero los datos cosmológicos no se pueden explicar ahora de una manera convincente, a menos que se suponga que la mayor parte de la energía del universo está en esta forma. El problema es que la teoría de cuerdas parece ser incompatible con un mundo en el que la constante cosmológica tiene signo positivo, que es lo que indican las observaciones. Este es un problema que hace pensar y que preocupa mucho a los teóricos de cuerdas. Ellos son gente con recursos y tal vez lo resuelvan; pero, tal como están las cosas en este momento, la teoría de cuerdas parece ser incompatible con esa observación.

Mientras tanto, la gravedad cuántica de lazos incorpora una constante cosmológica positiva sin ningún problema. De hecho, es nuestro mejor argumento: si hay una constante cosmológica, somos capaces de encontrar un candidato para el estado cuántico del universo y demostrar que predice que el universo a grandes escalas se rige por la relatividad general y la teoría cuántica. Así que en los últimos meses he estado estudiando sobre todo cómo hacer predicciones acerca de los nuevos experimentos a partir de una versión de la gravedad cuántica de lazos que incorpora una constante cosmológica positiva.

Lo bueno de la ciencia es que uno consigue estos resultados impactantes a partir del mundo real. Uno puede vivir durante unos años en un mundo imaginario, pero al final la tarea de la ciencia es explicar lo que observamos. Entonces uno se mira en el espejo y se pregunta: «¿Quiero estar allí en once dimensiones, jugando con bellas matemáticas, cuando los experimentos empiezan a llegar?».

6.

¿A quién le importan las luciérnagas?

Steven Strogatz

Catedrático Jacob Gould Schurman de Matemáticas Aplicadas en la Universidad de Cornell, y autor de Sync. The Calculus of

Friendship y de The Joy of X.

La historia de cómo llegué a interesarme en los ciclos se remonta hasta una revelación que tuve en la escuela secundaria. Yo estaba siguiendo un curso estándar de ciencias en primer año, Ciencia I, y el primer día se nos pidió que midiéramos la longitud del aula. Se nos dijo que nos pusiéramos a gatas, tendiéramos reglas en el suelo y averiguáramos la longitud del pasillo. Recuerdo que pensé para mis adentros: «Si la ciencia es esto, es bastante inútil», y salí con la sensación de que la ciencia era algo aburrido y polvoriento.

Afortunadamente, el segundo experimento fue un poco mejor. El maestro, el Sr. diCurcio, nos dijo: «Quiero que encontréis una regla sobre el movimiento de este péndulo». Nos entregó a cada uno de nosotros un péndulo con una lenteja que se podía desplazar en pasos discretos y con ello alargar o acortar ligeramente la longitud del péndulo. Cada uno de nosotros tenía un cronómetro. Debíamos dejar oscilar el péndulo y medir cuánto tiempo tardaba en hacer diez oscilaciones; a continuación, repetíamos la medida después de hacer el péndulo un poco más largo. El objetivo era ver cómo la longitud del péndulo determina el tiempo que tarda en hacer diez oscilaciones. Se suponía que el experimento era para enseñarnos a hacer gráficas en papel y obtener una relación entre una variable y otra, pero cuando estaba representando obedientemente el tiempo que tardaba el péndulo en hacer diez oscilaciones frente a su longitud, me pareció que después del cuarto o quinto punto empezaba a manifestarse un patrón. Estos puntos iban cayendo en una curva particular que yo reconocí porque la había visto en mi clase de álgebra: era una parábola, la misma forma que toma un chorro de agua que sale de una fuente.

Recuerdo haber tenido una envolvente sensación de temor; no era una sensación feliz, sino de sobrecogimiento. Era como si el péndulo supiera álgebra. ¿Qué relación había entre las parábolas de la clase de álgebra y el movimiento de este péndulo? Allí estaba, en el papel cuadriculado. Ese fue un momento que me impactó, y fue la primera vez que sentí que la expresión «ley de la naturaleza» quería decir algo. De repente supe de lo que hablaba la gente cuando decía que podía haber orden en el universo y que, más en concreto, uno no podía verlo a menos que supiera matemáticas. Fue una revelación de la que en realidad nunca me he recuperado.

Un experimento posterior en la misma clase trataba del fenómeno llamado resonancia. El experimento consistía en llenar un tubo largo con agua hasta una cierta altura, y el resto contenía aire. Luego se golpeaba un diapasón por encima del extremo abierto. El diapasón vibra a una frecuencia conocida —440 ciclos por segundo, la nota la 3— y el experimento consistía en subir o bajar el nivel de la columna de agua hasta alcanzar el punto en que salía un sonido intenso. El pequeño sonido del diapasón se amplificaría considerablemente cuando la columna de agua tuviera la altura justa, lo que indicaba que se había alcanzado la resonancia. La teoría era que las condiciones de resonancia se dan cuando en el extremo abierto del tubo cabe un cuarto de longitud de onda de una onda acústica, y la cuestión era que, conociendo la frecuencia de la onda de sonido y midiendo la longitud de la columna de aire, tú podías, sentado aquí en tu escuela de secundaria, obtener la velocidad del sonido. Recuerdo que en ese momento no comprendía tan bien el experimento, pero el señor diCurcio me reprendió, y dijo: «Steve, este es un experimento importante, porque no trata solo de la velocidad del sonido. Tienes que darte cuenta de que la resonancia es lo que mantiene unidos a los átomos». Una vez más tuve esa sensación de estremecimiento, puesto que yo pensaba que solo estaba midiendo la velocidad del sonido o jugando con agua en una columna, pero desde el punto de vista de diCurcio esta humilde columna de agua era una ventana a la estructura de la materia. Viendo que la resonancia podía aplicarse a algo tan inefable como la estructura atómica —lo que hace que esta mesa delante de mí sea sólida— me llamó la atención de nuevo la unidad de la naturaleza y la idea de que estos principios eran tan trascendentes que se podían aplicar a todo, desde las ondas de sonido a los átomos.

La unidad de la naturaleza no debería exagerarse, puesto que ciertamente no es afirmar que todo es lo mismo, sino que hay ciertos hilos conductores que reaparecen. La resonancia es una idea que podemos utilizar para entender las vibraciones de los puentes y pensar en la estructura atómica y las ondas sonoras, y las mismas matemáticas se aplican una y otra vez en diferentes versiones.

Hay una otra historia sobre el señor diCurcio que me gusta. En cierta ocasión yo estaba leyendo una biografía de Einstein, y diCurcio me trató como si yo fuera un científico adulto —con 13 o 14 años—. Le mencioné que Einstein quedó muy sorprendido cuando era un joven estudiante de secundaria por las ecuaciones de Maxwell, las leyes de la electricidad y el magnetismo, y que le causaron una impresión muy profunda. Yo dije que no podía esperar hasta tener la edad suficiente, o supiera suficientes matemáticas, para saber cuáles eran las ecuaciones de Maxwell y entenderlas. Siendo un internado, solíamos tener cenas de un modo familiar, así que él y yo estábamos sentados alrededor de una mesa grande con otros niños, sus dos hijas y su esposa, y él estaba sirviendo puré de patatas. En cuanto le dije que me encantaría ver las ecuaciones de Maxwell en algún momento, dejó el puré de patatas y dijo: «¿Te gustaría verlas ahora?». Y yo le dije: «Sí, está bien». Entonces empezó a escribir en una servilleta con estos símbolos muy crípticos, triángulos boca abajo y Es y Bs y cruces y puntos, y murmuró lo que parecía un trabalenguas, «el rotacional de un rotacional es el gradiente de la divergencia menos el cuadrado del ... y de esto se puede obtener la ecuación de onda ... y ahora vemos electricidad y magnetismo, y podemos explicar qué es la luz». Fue uno de esos momentos increíbles y miré a mi maestro de otra manera. Aquí estaba el Sr. diCurcio, no solo un profesor de instituto sino alguien que conocía las ecuaciones de Maxwell que tenía en su cabeza. Me dio la sensación de que no había límite a lo que yo podría aprender de este hombre.

También había un Sr. Johnson en este mismo instituto, que era mi profesor de geometría. El Sr. Johnson era un graduado del MIT y parecía saber mucho sobre matemáticas. El caso es que un día mencionó que había cierto problema sobre triángulos que no sabía cómo resolver, a pesar de que sonaba como todos los demás problemas que estábamos escuchando sobre trigonometría o geometría. La pregunta era: si dos bisectrices de un triángulo tienen la misma longitud, ¿tiene que ser un triángulo isósceles? Es decir, ¿esos dos ángulos tienen que ser iguales? Dijo que no sabía cómo resolverlo, y que en veinte años de enseñanza nunca había visto a nadie que lo supiera. Yo nunca había oído a un profesor decir que había un problema de geometría que no sabía cómo resolver, así que empecé a interesarme en ello. Yo estaba en clase de gimnasia y alguien me lanzaba el balón y yo no prestaba atención y lo dejaba caer, todavía pensando en las bisectrices de los ángulos. Este problema empezó a obsesionarme durante varios meses; llegaba a algo que estaba cerca de una solución, pero nunca podía obtenerla. Fue aproximadamente en ese momento cuando supe lo que era la investigación. Yo estaba haciendo una investigación por diversión; no me iban a poner ninguna calificación por ello, y ni siquiera le dije a nadie que estaba pensando en eso; yo solo quería resolverlo. Un día pensé que lo había hecho. Era un domingo por la mañana y llamé al Sr. Johnson y le pregunté si podía mostrarle la demostración. Él dijo: «Sí, ven a mi casa. Aquí es donde yo vivo». Me acerqué a su casa y él estaba todavía en pijama con sus hijos; comprobó paso por paso la demostración y dijo: «¡Lo has conseguido. Eso es!». Él no estaba muy sonriente, pero parecía contento. Más tarde escribió algún comentario especial al director de la escuela para decirle que yo había resuelto este problema.

Pasé de Loomis-Chaffee a Princeton, donde el camino fue un poco a trompicones. Empecé como estudiante de primer año cursando álgebra lineal —este es el curso de matemáticas para los niños que han destacado en el instituto—. El primer día un profesor llamado John Mather entró, y nosotros no podíamos decir si era un profesor o un estudiante de posgrado. Era muy tímido, tenía una barba roja muy larga y se deslizaba por la pared. En realidad no caminaba por la habitación; él era prácticamente invisible. Entonces empezó: «La definición de un campo, F, es ...». Eso fue todo. No dijo su nombre, ni «Bienvenidos a Princeton», nada. Simplemente comenzó con la definición con la que empezaba el álgebra lineal. Fue una experiencia terrible para mí. Fue la primera vez en mi vida que entendí por qué las personas tienen miedo de las matemáticas. Estuvo realmente a punto de desanimarme de querer ser un matemático.

La única razón por la que finalmente pasé a convertirme en uno fue que en mi segundo curso tuve un gran profesor, Eli Stein, que aún sigue en Princeton. Era un curso de variable compleja, que se parecía mucho al cálculo infinitesimal. Siempre me gustó el cálculo infinitesimal en el instituto, y de repente sentí que podía hacer matemáticas de nuevo, mientras que el curso anterior de álgebra lineal era un filtro. Tenía una malla muy fina, y solo algunos estudiantes podrían pasar a través de los agujeros. Lo que supuestamente se estaba poniendo a prueba era tu tendencia a pensar de manera abstracta. ¿Podía uno llegar al tipo de demostraciones rigurosas que necesita un matemático puro? Ese es el pan y la mantequilla de la matemática pura. La verdad, probablemente, es que yo no llevaba eso dentro, que no era ese mi punto fuerte natural. Lo que me gusta realmente son las matemáticas aplicadas a la naturaleza, las matemáticas del mundo real. En ese momento yo no sabía que había una cosa llamada matemática aplicada; pensaba que eso era la física. Eso es lo que hago ahora. Terminé graduándome en matemáticas por la buena experiencia en mi segundo año con Stein.

Siempre me habían animado a ser médico, pero siempre me resistí, porque sabía que yo quería enseñar matemáticas. Sin embargo, en mi primer año mis padres me animaron a seguir algunas asignaturas preparatorias para medicina, como biología y química, y a pesar de que ya era bastante tarde para hacerme médico estuve de acuerdo. Mi hermano el abogado me convenció con un argumento persuasivo de que era irracional que siguiera resistiéndome: yo no me estaba comprometiendo a ser médico y no estaría de más aprender biología y química. Yo lo acepté, y fue un año bastante infernal porque estuve cursando biología de primer año, con su laboratorio, química de primer año, con otro, y química orgánica, que supuestamente dependía de la química de primer año. Esto es mucho para alguien que no es bueno en el laboratorio.

Incluso si este año preparatorio de medicina suponía un montón de trabajo que hacer al mismo tiempo que un grado en matemáticas, realmente me gustaban los cursos de biología y de química, especialmente la idea de que el ADN era una doble hélice y que esta forma iba a indicar inmediatamente su función. Explicaba cómo funcionaba la replicación. Yo estaba muy contento, e incluso hice un curso Stanley Kaplan para preparar las pruebas de admisión en la facultad de medicina. Sin embargo, cuando llegué a casa para las vacaciones de primavera mi madre echó un vistazo a mi cara y dijo: «Algo va mal. Algo realmente te molesta. ¿Qué pasa? ¿Cómo te sientes en la escuela?». Respondí: «Me gusta, está bien, estoy aprendiendo muchas cosas». Pero ella dijo: «No tienes buen aspecto. No pareces feliz. Algo va mal, ¿qué te pasa?». Realmente yo no lo sabía. Dije: «Tal vez estoy cansado. Estoy trabajando mucho». Pero ella dijo: «No, hay algo más realmente malo. ¿Qué vas a cursar el próximo año? Ya serás un senior». Le dije: «Eso me molesta porque, al hacer el preparatorio de medicina tan tarde, voy a tener que cursar fisiología de vertebrados, algo de bioquímica y todas estas asignaturas de medicina. Además, tengo una tesis de grado en el departamento de matemáticas, lo que significa que mi calendario va a estar tan lleno que no voy a ser capaz de cursar mecánica cuántica». Y ella dijo: «¿Por qué te importa eso?». Respondí: «He estado leyendo acerca de Einstein desde que tenía 12 años. Me encantan Heisenberg, Niels Bohr, Schrödinger... finalmente puedo entender de lo que realmente hablaban. Ya no se trata de analogías verbales y metáforas; puedo entender lo que hacía Schrödinger. He trabajado toda mi vida para llegar a este punto y estoy preparado para saber qué dice realmente el principio de incertidumbre de Heisenberg, pero voy a estar en la escuela de medicina, diseccionando cadáveres, y nunca lo voy a aprender». Entonces ella me dijo: «¿Qué pasaría si pudieras decir ahora mismo, “quiero hacer matemáticas, quiero hacer física, quiero cursar mecánica cuántica. Yo no voy a ser médico. Quiero ser el mejor profesor e investigador en matemáticas que sea posible”». Y me puse a llorar. Era como si me hubiera quitado un peso enorme de encima. Los dos estábamos riendo y llorando. Fue un momento de verdad, y nunca he mirado hacia atrás. Estoy muy agradecido por haber tenido unos padres tan buenos, y por haber podido encontrar una pasión tras negarla durante un tiempo. Algunas personas pasan toda su vida sin descubrir realmente lo que quieren hacer.

Cuando llegó el momento de hacer una tesis de grado —en Princeton todos están obligados a hacer una— yo quería elegir algo sobre la geometría en la naturaleza, aunque no sabía exactamente qué. Mi tutor, Fred Almgren, que era famoso por el estudio de la geometría de las pompas de jabón, sugirió un problema sobre la geometría del ADN. ¿Podríamos entender, por ejemplo, qué podría haber en el ADN que le permite desenrollarse sin enredarse? Teniendo en cuenta que es tan largo, cabría pensar que tal vez se enredase ocasionalmente y que esto sería mortal si sucediera en la célula. ¿Qué le impide hacerlo? Al trabajar en este proyecto tuve que aprender sobre el ADN y escribir una tesis de grado acerca de su geometría. Colaboré con un bioquímico para proponer una nueva estructura de algo llamado cromatina, que es una mezcla de ADN y proteínas de la que se componen nuestros cromosomas. Es el siguiente nivel de la estructura después de la doble hélice. Sabemos que la doble hélice se enrolla alrededor de pequeños carretes de proteínas llamados nucleosomas, pero nadie sabe cómo los propios nucleosomas se disponen como cuentas de una cadena o cómo esa estructura se enrolla para hacer los cromosomas. Mi tutor de bioquímica y yo terminamos publicando un artículo en Proceedings of the National Academy of Sciences, y fue muy emocionante. Ahora estaba haciendo investigación en biología matemática, de modo que, incluso si no era un médico, estaba utilizando matemáticas en biología sobre cosas reales, sobre cromosomas.

Fue entonces cuando me di cuenta de que quería ser un matemático aplicado haciendo biología matemática. Fui a Inglaterra a estudiar en Cambridge con una beca Marshall y estaba completamente aburrido con el programa tradicional —eso que G. H. Hardy describe en su libro Apología de un matemático, conocido como «el Mathematical Tripos».* Cambridge ha tenido el mismo tipo de cursos desde Newton y yo me aburría con ello. Un día me encontré vagando por un puesto de libros en la calle, donde cogí un ejemplar con el improbable título La geometría del tiempo biológico. Digo improbable porque yo había subtitulado mi propia tesis de grado, «Un ensayo en biología geométrica». Pensaba que yo había inventado esta expresión —biología geométrica, la yuxtaposición de biología y geometría, forma y vida— y ahora había alguien utilizando prácticamente el mismo título. Así que, ¿quién era este tipo, Arthur T. Winfree?

Empecé a leer el libro y pensé que él estaba loco, parecía un charlatán. Yo no sabía si creer que iba en serio porque los títulos de sus capítulos tienen juegos de palabras, muestra datos del ciclo menstrual de su propia madre durante muchos años y todo trata de los ciclos de seres vivos. En ese momento Winfree, que murió el 5 de noviembre de 2002, no era alguien que estuviera realmente en el mapa. Era profesor de biología en Purdue. Eché un vistazo al libro, lo volví a poner en el estante y me encontré regresando unos cuantos días más tarde a esa tienda para leer un poco más, y finalmente lo compré. En parte porque yo estaba muy solo en Inglaterra, sufriendo un choque cultural, y en parte porque este libro me resultaba fascinante: comencé a leer y a subrayarlo todos los días, y me enamoré de la visión de los seres vivos con muchos procesos cíclicos, desde la división celular a los latidos cardiacos y a los ritmos cerebrales, el jet lag y los ritmos de sueño, todos descritos por unas mismas matemáticas. Esto es lo que Winfree estaba proponiendo en su libro, y realmente es lo que me inició en la dirección del estudio de la sincronía.

Vemos ejemplos fantásticos de sincronía en el mundo natural que nos rodea. Por dar algunos ejemplos, cuando los primeros viajeros occidentales fueron al sureste asiático, ya en la época de sir Francis Drake, en el siglo XVI, había informes persistentes de escenas espectaculares a lo largo de las riberas de los ríos, donde miles y miles de luciérnagas en los árboles se encendían y se apagaban al mismo tiempo. Informes de este tipo se enviaron a Occidente y fueron publicados en revistas científicas, y la gente que no lo había visto no lo podía creer. Los científicos dijeron que este era un caso de error de percepción humana, que estaban viendo patrones que no existen, o que era una ilusión óptica. ¿Cómo podrían las luciérnagas, que no son criaturas muy inteligentes, arreglárselas para coordinar sus destellos de una manera tan espectacular y extensa?

Una teoría era que pudiera haber un líder. Suena ridículo, porque ¿por qué habría de haber una luciérnaga especial? Ya no creemos que haya un líder, o que pudiera haber condiciones atmosféricas que provocan la sincronía, como si un relámpago cayera en cada una de ellas y les hiciera empezar a emitir destellos al mismo tiempo, lo que les haría permanecer unidas. La sincronía se produce en noches perfectamente claras. Solo en los años sesenta del siglo pasado un biólogo llamado John Buck, de los Institutos Nacionales de Salud, y sus colegas comenzaron a averiguar lo que realmente estaba pasando, y es que las luciérnagas se autoorganizan. Se las arreglan para ir al paso todas las noches del año y emitir destellos en el momento exacto durante horas sin que haya ningún líder o instigación por parte del ambiente, mediante lo que es esencialmente un muy misterioso proceso emergente. Esta es una expresión que escuchamos continuamente, pero esto es emergencia en el mundo natural.

Ahora se piensa que las luciérnagas individuales son capaces no solo de emitir destellos sino también de responder a los destellos de las demás; ajustan sus propios temporizadores. Para demostrarlo, Buck y su esposa, Elisabeth, que estaba con él en este viaje a Tailandia a mediados de los años sesenta, recogieron bolsas llenas de luciérnagas machos, las trajeron de vuelta a su habitación de hotel en Bangkok y las soltaron en la habitación oscura. Encontraron que las luciérnagas estaban revoloteando y arrastrándose por el techo y las paredes, y que poco a poco pequeños grupos de dos y luego tres y cuatro luciérnagas empezaban a emitir destellos en sincronía. Más tarde, los experimentos de laboratorio mostraron que mediante el parpadeo de una luz artificial ante una luciérnaga se podía acelerar su ritmo, se podía reducir, hacer que los destellos se retrasaran un poco respecto a lo que habrían sido de otra manera. El punto importante es que cada luciérnaga envía una señal que hace que otra luciérnaga se adelante o se atrase de la manera precisa de modo que inevitablemente terminan entrando en sincronía, no importa cómo empezaran.

Usted podría preguntarse por qué importa eso —¿a quién le importan las luciérnagas?— pero hay muchas razones por las que debería importarle: la primera puede ser que todo tipo de aplicaciones en tecnología y en medicina dependen de este mismo tipo de sincronización espontánea. En su propio corazón, usted tiene 10.000 células marcapasos que hacen que el resto de su corazón lata correctamente, y esas 10.000 células son como los miles de luciérnagas. Cada una podría tener su propio ritmo, en este caso una descarga eléctrica rítmica. En lugar de comunicarse con luz se están enviando corrientes eléctricas de ida y vuelta, pero en un nivel abstracto son la misma cosa. Son osciladores individuales que buscan tener una repetición periódica de su estado y pueden influirse mutuamente. Lo hacen de tal manera que conspiran para entrar en sincronía. A veces, por supuesto, la sincronización no es deseable. Si esto ocurre en el cerebro a gran escala el resultado es epilepsia.

Hay otras aplicaciones médicas y tecnológicas. El láser, uno de los dispositivos más prácticos de nuestro tiempo, se basa en ondas luminosas en sincronía, átomos que pulsan al unísono, todos ellos emitiendo una luz del mismo color y moviéndose en fase, con todos los valles y crestas de las ondas luminosas perfectamente alineados. La luz de un láser no es diferente de la luz que sale de estas bombillas que tenemos encima en cuanto que los átomos no son realmente tan diferentes; es la coordinación de los átomos lo que es diferente. La diferencia está en la coreografía, no en los bailarines.

Vemos sincronización a nuestro alrededor. El sistema de posicionamiento global que se ha utilizado para armas guiadas por satélite en Irak se compone de 24 satélites, cada uno de los cuales tiene un reloj atómico a bordo, muy bien sincronizado con un superreloj maestro en el NIST, el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología en Boulder, Colorado. Es solo gracias a esta sincronización perfecta, con un error menor de una billonésima de segundo, por lo que podemos dar en una matrícula de automóvil con un misil. Este es un ejemplo macabro, pero también podemos ver al mismo tiempo que la propia vida depende de la sincronía. Los espermatozoides baten sus colas al unísono cuando nadan hacia un óvulo, comunicándose a través de fluctuaciones de presión en el fluido. Podría seguir y seguir. Lo que es tan espectacular en el fenómeno de la sincronía es que se produce en todas las escalas de la naturaleza, desde la subatómica a la cósmica. Es lo que quizá haya matado a los dinosaurios. Yo podría explicar por qué fue la sincronía gravitatoria la que provocó que algunos asteroides salieran del cinturón de asteroides y finalmente chocaran con nuestro planeta, probablemente extinguiendo a los dinosaurios y a muchas otras criaturas. Es uno de los fenómenos más extendidos en la naturaleza, pero al mismo tiempo uno de las más misteriosos desde una perspectiva teórica.

Estamos acostumbrados a considerar la entropía, la tendencia de los sistemas complejos a hacerse cada vez más desordenados, como la fuerza dominante. La gente siempre me pregunta: «¿No viola eso la sincronía? ¿No va en contra de las leyes de la naturaleza el hecho de que los sistemas puedan hacerse más ordenados de forma espontánea?». Por supuesto, no se puede violar la ley de la entropía, pero no hay ninguna contradicción. El punto importante es que la ley de la entropía se aplica a una determinada clase de sistemas, los denominados sistemas aislados o cerrados, donde no hay aporte de energía del entorno. Pero no es de eso de lo que estamos hablando cuando hablamos de seres vivos o de la Tierra. Cuando los sistemas están lejos del equilibrio termodinámico puede pasar cualquier cosa y vemos asombrosas hazañas de autoorganización, de las que la sincronía es tan solo el ejemplo más simple.

Las mismas leyes que dan lugar a la entropía y la tendencia de los sistemas a hacerse cada vez más desordenados son las que explicarán la sincronía. Es solo que no tenemos un conocimiento suficientemente claro de la termodinámica de sistemas muy alejados del equilibrio para ver la conexión, pero nos estamos acercando. Estamos aprendiendo mucho acerca de los sistemas con sincronización espontánea, al menos en física. Sabemos cómo funciona un láser, y no hay nada en eso que viole la entropía. En el caso de ejemplos vivos, como células cardiacas, tenemos una idea aproximada de cómo las corrientes eléctricas van y vienen. Pero la sincronía también afecta a algunos de los misterios más profundos de nuestro tiempo, como la conciencia. Hay algunas ideas, al menos según algunos neurocientíficos, de que lo que distingue la conciencia de otras formas de actividad cerebral es el disparo sincronizado de las células implicadas en frecuencias específicas próximas a 40 ciclos por segundo.

Lo que me gusta en toda esta área de pensamiento sobre el orden espontáneo, o autoorganización, es que realmente creo que muchos de los principales problemas no resueltos de la ciencia actual tienen este mismo carácter. Arquitectónicamente involucran a millones de jugadores, ya sean neuronas, células cardiacas o los jugadores en una economía. Todos están interactuando, influyéndose mutuamente a través de redes complejas y complicadas interacciones, y a partir de esto a veces se ven estados increíblemente organizados. Stuart Kauffman llama a esto «orden libre de gastos». Muchos de nosotros estamos realmente tratando de escalar la misma montaña desde diferentes perspectivas. Kauffman y otros lo ven como una cuestión de entender mejor la evolución. Cuando él o Gell-Mann hablan de sistemas complejos adaptativos el énfasis parece estar en la palabra adaptativo, lo que sugiere que la clave para entender el misterio es aprender más sobre la selección natural. Sin embargo, usted no me oyó hablar realmente sobre la evolución. Mi sensación es que ellos están errando el tiro. Hay un lugar adecuado para empezar, y el punto de partida más simple para empezar es pensar en problemas donde la evolución no desempeña ningún papel.

Yo quiero pensar en sistemas puramente físicos que son complejos en sí mismos, y en cómo, simplemente a partir de las leyes de la física, obtenemos estos patrones autoorganizados. Quisiera entender eso en primer lugar, antes de añadir la complicación adicional de la evolución. Sabemos que es importante, pero eso es empezar en el lugar equivocado.

Últimamente sigo encontrándome queriendo aprender más sobre el cáncer y lo que se refiere a la red de células o a la red de reacciones químicas que se desvía de su actuación normal en una célula cancerosa. Ciertamente hay algunos casos en los que un solo gen puede estar deteriorado, pero no creo que todos los cánceres se expliquen de esa manera. Han pasado 35 años desde que Nixon declaró la guerra al cáncer, y no lo hemos entendido realmente. Entender los oncogenes es un gran comienzo, pero eso no puede ser todo. Una vez más, se trata de coreografías de proteínas y genes y de los pasos en falso, no solo de los bailarines individuales sino de la forma en que se mueven juntos. El cáncer es de algún modo una enfermedad dinámica que no vamos a entender mediante un puro pensamiento reduccionista biológico. Va a requerir una combinación de reduccionismo que nos dé los datos, y una nueva teoría de sistemas complejos, supercomputadores y matemáticas. Me gustaría ser parte de eso.

Los biólogos suelen hacer hincapié en la parte que desempeñarán los computadores, y es cierto que los computadores serán indispensables, pero hay una tercera pata, las buenas ideas teóricas. No bastará con tener grandes computadores y muchos datos. Se necesitan ideas y creo que esas ideas se expresarán en el lenguaje de las matemáticas de sistemas complejos. Aunque se ha citado mucho esta expresión, sistemas complejos, espero que la gente aprecie lo que hay en un estado débil, teóricamente hablando. Realmente no entendemos mucho al respecto. Tenemos una gran cantidad de simulaciones por computador que muestran fenómenos impresionantes, pero ¿dónde está la comprensión? ¿Dónde está la idea? Hay muy pocos casos que entendamos, y eso me trae de vuelta a la sincronía. Me gusta el ejemplo de sincronía como un caso de orden espontáneo porque ese es uno de los pocos casos que podemos entender matemáticamente. Si queremos resolver estos problemas, tendremos que resolver los problemas matemáticos que podamos, y necesitamos los fenómenos más simples primero, y la sincronía se encuentra entre ellos. Tenemos un largo camino por delante hasta que lleguemos a entender realmente estos problemas.

Otra idea, sin embargo, es que quizá no necesitemos entender. Podría ser que la comprensión esté sobrevalorada. Quizá la comprensión es algo que ha sido bueno durante trescientos o cuatrocientos años desde Isaac Newton, pero no es el fin último. El fin último es en realidad tan solo el control de estas enfermedades y la evitación de horribles escenarios ecológicos. Si pudiéramos conseguirlo, incluso sin saber lo que estamos haciendo, tal vez eso sería suficientemente bueno. Los computadores podrían entenderlo, pero nosotros no tenemos que hacerlo. Podría haber aquí una verdadera historia acerca de la sobrevaloración de la comprensión.

A grandes rasgos, pasaron cientos de años después de Aristóteles durante los cuales en realidad no entendíamos mucho. Una vez que Kepler, Copérnico y Newton empezaron a explicar lo que veían mediante las matemáticas, hubo una gran era de conocimiento gracias a ciertas clases de problemas matemáticos que podían ser resueltos. Todas las matemáticas que nos permiten entender las leyes de la física —las ecuaciones de Maxwell, la termodinámica, hasta la teoría cuántica— implican una cierta clase de problemas de matemáticas que sabemos resolver por completo y a fondo: es decir, problemas lineales. Solo en las últimas décadas hemos estado rompiéndonos la cabeza en los no lineales. De estos apenas entendemos los más pequeños en donde solo utilizamos tres o cuatro variables; eso es la teoría del caos. En cuanto se tienen centenares, o millares, o miles de millones de variables —como en el cerebro— no entendemos tales problemas en absoluto. De eso se supone que tratan los sistemas complejos, pero aún no estamos siquiera cerca de entenderlos. Podemos simularlos en un computador, pero eso no es realmente diferente de tan solo observar. Seguimos sin entender.

7.

El paisaje

Leonard Susskind

Catedrático Felix Bloch de Física Teórica en la Universidad de Stanford, y autor de El paisaje cósmico y de La guerra de los agujeros negros.

Lo que más me interesa es cómo llegó el mundo a ser tal como es. Hay un montón de rompecabezas en física. Algunos de ellos son muy muy profundos, algunos son muy muy extraños, y quiero entenderlos. Quiero entender lo que hace que el mundo marche. Einstein dijo que quería saber qué había en la mente de Dios cuando creó el mundo. No creo que él fuera un hombre religioso, pero entiendo lo que quería decir.

Lo que quiero entender en este momento es por qué el universo fue creado de tal manera que resulta adecuado para que en él viva gente. Esta es una historia muy extraña. La pregunta que se plantea es por qué ciertas cantidades que entran en nuestras leyes físicas de la naturaleza son exactamente las que son, y si esto es solo una casualidad. ¿Es una casualidad que estén finamente ajustadas, con gran precisión, a veces en el filo de la navaja, simplemente para que el mundo pudiera darnos cabida?

Por ejemplo, hay una constante en la naturaleza, llamada constante cosmológica, que tiene un determinado valor. Si ese valor difiriera en una mínima cantidad del que realmente es, el universo no podría haber nacido con galaxias, estrellas, planetas, etc. ¿Es casualidad que ese valor sea exactamente el adecuado para que se pueda formar el universo como lo vemos? ¿O es una característica de la forma en que funciona el universo que le hace crear vida necesariamente? Parece una locura, y la mayoría de los físicos creen que estas ideas son una tontería, pero voy a darles un ejemplo.

Supongamos que viviéramos en un planeta y que no pudiéramos ver lo que hay fuera a causa de la mucha niebla y las demasiadas nubes. Supongamos que quisiéramos saber por qué la temperatura en este planeta es, precisamente, la adecuada para que pudiéramos vivir sin asarnos ni congelarnos. ¿Es una casualidad, o hay un diseño implicado? La mayoría de la gente, sabiendo la respuesta, diría que si uno mira hacia fuera muy lejos en el cosmos ve todo tipo de planetas, estrellas, regiones vacías y cosas así. Algunos planetas son demasiado calientes para que haya vida, otros son demasiado fríos para que haya vida y otros están a una temperatura intermedia pero no tienen agua; hay todo tipo de planetas ahí fuera.

La respuesta es, simplemente, que vivimos en el planeta en el que podemos vivir porque las condiciones son las idóneas. Es un hecho medioambiental que las condiciones son las idóneas, así que no es casualidad que nos encontremos en un entorno que está finamente ajustado, y que está hecho exactamente así de modo que podamos vivir en él. No es que haya una ley de la naturaleza que dice que todo planeta tiene que ser habitable; es solo que hay muchos objetos diferentes ahí fuera —del orden de 10²² planetas en el universo conocido, que es un número enorme— y seguramente entre ellos habrá un pequeño número que estarán a la temperatura adecuada, la presión adecuada y tendrán suficiente agua, y así sucesivamente. Y ahí es donde vivimos. No podemos vivir en otro lugar.

La cuestión es si las propiedades de nuestro entorno en un sentido más amplio —en términos de las leyes de la naturaleza que tenemos, las partículas elementales, las fuerzas entre ellas y todo ese tipo de cosas— son contingentes en nuestra región particular del universo o son exactamente las mismas en todo el universo. Si son contingentes, lo que significa que pueden variar de un lugar a otro, o si pueden variar de una cosa a otra cosa y a otra. Si fuera esto último, entonces podríamos responder a algún subconjunto de las preguntas que nos interesan diciendo las cosas son como son porque si fueran de otra manera no podríamos vivir aquí. El medio ambiente tiene que ser el adecuado para que nosotros existamos.

Por el contrario, si todo es lo mismo en todo el universo de principio a fin, entonces no entendemos por qué las cosas están ajustadas, con una precisión en el filo de la navaja, de tal manera que nos permite estar en un ambiente propicio para la vida. Esta es una gran controversia que está comenzando a darse en la física: si las leyes de la naturaleza tal como las conocemos son simplemente deducibles de una teoría matemática y no podrían ser de otra manera, o si podrían variar de un lugar a otro. Esta es la pregunta de la que me gustaría saber la respuesta.

En Estados Unidos, a los cosmólogos no les gusta nada la idea del principio antrópico. En Inglaterra les encanta. Cuando empecé a hablar de esto me sorprendió mucho descubrir que los físicos, como yo mismo, personas que están interesadas en cuestiones teóricas y matemáticas en física, están bastante abiertos a ello en Estados Unidos, pero los cosmólogos no lo están. Esta idea se originó en gran medida entre los cosmólogos británicos: Martin Rees es uno de ellos, John Barrow es otro. También era uno de ellos Andrei Linde, que es ruso pero por supuesto vive en Estados Unidos, como lo es Alexander Vilenkin. Pero no es a esa audiencia a la que estoy dirigiendo mis comentarios.

La audiencia a la que me estoy dirigiendo la componen los físicos de altas energías, los teóricos de cuerdas, e incluye a los Brian Greenes, los Ed Wittens, los David Grosses y similares. La razón es que en los dos últimos años hemos empezado a descubrir que la teoría de cuerdas permite esta increíble diversidad de ambientes. Es una teoría que tiene tantas soluciones y tan diversas que es difícil imaginar qué es lo que seleccionó una de ellas en el universo. Lo más probable es que el universo de la teoría de cuerdas sea uno con muchas pequeñas regiones espaciales diferentes que Alan Guth ha llamado universos de bolsillo. Por supuesto, es grande, pero hay pequeñas regiones espaciales con un ambiente, pequeñas regiones espaciales con otro ambiente, etcétera.

La mayoría de los físicos han odiado la idea del principio antrópico; todos esperaban que las constantes de la naturaleza pudieran derivarse de la bella simetría de una teoría matemática. Y lo que personas como Joe Polchinski y como yo les estamos diciendo ahora es que el medio ambiente es contingente. Es diferente allí, es diferente más allá y nunca se va a poder deducir que haya un electrón, protón, neutrón, lo que sea, exactamente con las propiedades adecuadas. Nunca se va a poder deducir porque no es cierto en otras partes del universo.

Los físicos siempre quisieron creer que la respuesta era única. De alguna manera habría algo muy especial en la respuesta, pero creo que el mito de la unicidad es una falacia. Es decir, hay quien piensa que existe una única teoría, fundamental y muy poderosa, que cuando se entienda y se resuelvan sus ecuaciones determinará unívocamente cuál es la masa del electrón, cuál es la masa del protón y cuáles son todas las constantes de la naturaleza. Si eso fuera verdad, entonces cada lugar tendría que tener exactamente las mismas constantes de la naturaleza. Si hubiera alguna ecuación fundamental que, cuando se revolviera, dijera que el mundo es exactamente tal como lo vemos, entonces sería el mismo en todas partes.

Por el contrario, podría haber una teoría que permitiera muchos entornos diferentes, y una teoría que permitiera muchos entornos diferentes sería una de la que cabría esperar que variara de un lugar a otro. Lo que hemos descubierto en los últimos años es que la teoría de cuerdas tiene una diversidad increíble, un enorme número de soluciones y permite diferentes tipos de entornos. Muchos de los que trabajan en este tipo de teoría matemática lo han estado negando. No quieren reconocerlo. Ellos quieren creer que el universo es un universo elegante, y no es tan elegante. Es diferente aquí. Es diferente allí. Es una máquina de Rube Goldberg más allá.* Y esto ha creado una especie de sensación de negación de los hechos que salen de la teoría. La teoría va a ganar, y los físicos que están tratando de negar lo que está pasando van a perder.

Todas estas personas son gente muy seria. David Gross, por ejemplo, es muy duro contra esta visión de la diversidad. Él quiere que el mundo sea único, y quiere que los teóricos de cuerdas lo calculen todo y descubran que el mundo es muy especial, con propiedades muy singulares que son todas deducibles de las ecuaciones. David considera que esta idea antrópica supone renunciar a la esperanza de unicidad, y cita a Winston Churchill cuando ante los jóvenes dice: «Nunca nunca nunca hay que darse por vencido».

Ed Witten aborrece esta idea, pero me han dicho que le pone muy nervioso que pudiera ser correcta. No le hace feliz, pero creo que él sabe que las cosas van en esa dirección. Joe Polchinski, que es uno de los físicos realmente grandes en el mundo, fue una de las personas que iniciaron esta idea. En el contexto de la teoría de cuerdas él fue uno de los primeros en darse cuenta de que toda esta diversidad estaba allí y la acepta sin reservas. Todo el mundo en Stanford va en esta dirección. Creo que Brian Greene está pensando en ello. Brian pasó en cierto modo de la teoría de cuerdas dura a pensar en la cosmología. Es un físico muy bueno. Brian investigó algunas buenas ideas y descubrió que no funcionaban. Eran ideas de otro tipo, no esta idea de la diversidad, y no funcionaban. No sé lo que hace ahora. No he hablado con él desde hace más de un mes. Paul Steinhardt odia la idea. Alan Guth es sin duda muy susceptible. Él es quien acuñó el término «universos de bolsillo».

La razón de que exista tanta diversidad en la teoría de cuerdas es que la teoría tiene un número enorme de lo que yo llamo partes móviles, cosas con las que se puede jugar. Cuando uno construye un ejemplo de teoría de cuerdas, como en el libro de Brian, incluye la geometría de estos espacios compactos internos por cuyo estudio Brian se hizo famoso. Hay un montón de variables para fijar uno de ellos, y un montón de variables con las que jugar. Hay tantas variables que esto crea una enorme diversidad.

La teoría de cuerdas se inició hace mucho tiempo, y no como la teoría del todo, la teoría de la gravedad cuántica o la teoría de la gravitación. Se inició como un intento de comprender los hadrones. Los hadrones son protones, neutrones y mesones —los mesones son las partículas que van y vienen entre los protones para crear fuerzas entre ellos—, partículas ordinarias que se encuentran en el laboratorio y con las que se estaban haciendo experimentos en ese momento.

Había un grupo de físicos con inclinación matemática que establecieron una fórmula. Es una fórmula para algo que se conoce como amplitud de dispersión, que gobierna la probabilidad de que sucedan diferentes cosas cuando dos partículas colisionan. Los físicos estudian las partículas de una manera bastante estúpida; alguien la describió diciendo que si quieres saber lo que hay dentro de un reloj, lo golpeas con toda la fuerza que puedas con un martillo y ves lo que sale despedido. Eso es lo que hacen los físicos para ver qué hay dentro de las partículas elementales. Pero hay que tener una idea de cómo una determinada estructura de las partículas podría manifestarse en las cosas que salen despedidas.

Y así, en 1968, Gabrielli Veneziano, que era un físico muy joven, elaboró esta fórmula matemática que describe la probabilidad de que diferentes cosas salgan en diferentes direcciones cuando dos partículas chocan. Era una fórmula matemática que se basaba solo en propiedades matemáticas sin ninguna imagen física, ninguna idea de lo que podría estar describiendo. Tan solo era una fórmula matemática pura.

En ese momento yo era un profesor muy joven en Nueva York, y no era un físico de partículas elementales. Yo solía trabajar en cosas como óptica cuántica y otras, cualquier cosa que me interesara en un momento dado. Un colega llamado Héctor Rubinstein vino a visitarnos a mí y a mi amigo Yakir Aharonov, y estaba muy excitado. Dijo: «¡Todo está hecho! ¡Hemos descubierto todo!».

Yo le dije: «¿De qué estás hablando, Héctor?».

Y saltando arriba y abajo como un loco, finalmente escribió esa fórmula en la pizarra.

Miré la fórmula y dije: «Vaya, esto no es tan complicado. Si eso es todo lo que hay, puedo averiguar de qué se trata. No tengo que preocuparme por toda la física de partículas que todo el mundo haya hecho en el pasado. Sencillamente puedo decir lo que hay aquí con matemáticas sencillas y agradables».

Trabajé en ello durante mucho tiempo, jugué con ello y empecé a darme cuenta de que estaba describiendo lo que sucede cuando dos pequeños lazos de cuerda se acercan, se unen, oscilan un poco y luego salen volando. Eso es un problema de física que se puede resolver. Uno puede obtener exactamente las probabilidades de que sucedan diferentes cosas, y encajan exactamente con lo que había escrito Veneziano. Esto fue muy emocionante.

Me asaltó una sensación, ¡aquí estaba yo, único en el mundo, la única persona en todo el mundo que sabe esto! Sin embargo, eso duró dos días. Después me enteré de que Yoichiro Nambu, un físico de Chicago, tenía exactamente la misma idea; habíamos tenido, más o menos por casualidad, exactamente la misma idea prácticamente el mismo día. No había ninguna teoría de cuerdas en ese momento. De hecho, yo no las llamé cuerdas, las llamé bandas elásticas.

Yo estaba muy excitado. Pensé: «Bueno, aquí estoy. Voy a ser un físico famoso. Voy a ser un Einstein, voy a ser un Bohr, y todo el mundo me va a prestar mucha atención», así que escribí el manuscrito.

En aquellos días no teníamos computadoras ni teníamos correo electrónico, de modo que tenías que escribir a mano el manuscrito y dárselo a una secretaria. Una secretaria lo mecanografiaba, y luego tú revisabas las ecuaciones que la secretaria había maltratado y las corregías; podría llevar dos semanas tener listo un artículo, una vez que habías completado la investigación y todo lo que quedada por hacer era redactarlo. Luego lo ponías en un sobre y lo enviabas por correo postal a la redacción de Physical Review Letters. Entonces Physical Review Letters era una revista muy pomposa. Decían que solo publicarían lo mejor de lo mejor. Lo que suele ocurrir cuando la gente empieza de esa manera es que acaban publicando lo peor, porque cuando el listón se pone tan alto nadie quiere molestarse en ello, y simplemente envían sus artículos a un lugar donde es fácil publicar.

Lo envié a Physical Review Letters, ya sabes, había pasado semanas preparándolo y haciendo que lo mecanografiaran, y me estaba poniendo cada vez más nervioso, pensando que alguien iba a descubrir algo. Les hablaba de ello a mis amigos, y finalmente, envié el manuscrito. En esos días el manuscrito llegaba a la revista, y la revista tenía que remitirlo, una vez más por correo postal, a los evaluadores. Los evaluadores podían examinarlo durante un tiempo, y luego lo enviaban de vuelta. Todo esto podría llevar meses, y llevó meses.

¿Y qué es lo que pasó? Bueno, los evaluadores dijeron: «Este artículo no es muy importante, no predice ningún resultado experimental nuevo, y no creo que sea publicable en Physical Review Letters».

¡Boom! Me sentí como si me hubiera golpeado la cabeza contra un cubo de basura; estaba profundamente molesto. La historia que le conté a Brian Greene para su programa de televisión era cierta: me fui a casa, estaba muy nervioso y muy molesto. Mi mujer tenía tranquilizantes en casa por alguna razón y me dijo: «Toma uno de estos y vete a dormir». Así que tomé uno y me fui a dormir; luego me desperté, y un par de amigos se acercaron y tomamos un par de copas. No era una buena mezcla. No solo me emborraché sino que me desmayé y uno de mis amigos físicos tuvo que levantarme del suelo y llevarme a la cama. Fue duro. No fue una experiencia agradable.

Por supuesto, yo no iba a dejar que quedara así. Se lo envié de nuevo diciéndoles: «Busquen otro evaluador». Me lo devolvieron diciendo: «No tenemos más evaluadores». Lo volví a enviar diciendo: «Tienen que conseguir más evaluadores. Esto es importante». Me lo devolvieron diciendo: «No los tenemos». Y finalmente lo envié a otra revista, que lo aceptó al instante. Era Physical Review, que no es la misma que Physical Review Letters .

El descubrimiento de la teoría de cuerdas se nos atribuye generalmente a mí y a Nambu. Hubo otra versión de ella que era un poco diferente, pero su autor tenía la idea correcta, aunque estaba un poco menos desarrollada. Su nombre era Holger Nielsen. Era un danés que trabajaba en el Instituto Niels Bohr y estaba muy familiarizado con este tipo de ideas. Un poco más tarde me envió una carta explicando su punto de vista acerca de cómo funcionaba todo, y era una idea muy similar.

Cuando el artículo salió publicado no tuvo mucha aceptación. La gente es muy conservadora respecto a pensar en imágenes, construir modelos de cosas. Solo querían ecuaciones. No les gustaba la idea de que detrás de todo esto existiera un sistema físico que se podía poner en imágenes. Yo era un poco ajeno a la manera de pensar de la gente ese momento. Esto fue cinco años antes de que llegara el modelo estándar en 1974-1975.

Inmediatamente me di cuenta de que esta no podía ser una teoría de los hadrones. Entendía por qué, pero también sabía que las matemáticas eran demasiado extraordinarias para no significar algo. Resultó que no era exactamente la teoría correcta de los hadrones, aunque está muy estrechamente relacionada con la teoría correcta. La idea rondó unos dos o tres años durante los cuales se pensaba que era la teoría de los hadrones, exactamente en esa forma. Yo la conocía mejor, pero no iba a decírselo a la gente porque yo tenía mis ideas y tenía cosas en que pensar. No se me tomó nada en serio. Yo era realmente un extraño, no aceptado por la comunidad en absoluto.

Voy a contarles la historia de cómo obtuve por primera vez algún crédito para estas cosas.

El ya legendario Murray Gell-Mann dio una charla en una gran conferencia en Coral Gables, y yo estaba allí. Su charla no tenía nada que ver con estas cosas. Después de su charla ambos regresamos al motel, que tenía varias plantas. Nos montamos en el ascensor y el ascensor se quedó atascado, con Murray y yo dentro.

Murray me dice: «¿Y tú qué haces?».

Así que le dije: «Estoy trabajando en esta teoría de que los hadrones son como bandas elásticas, estas cosas filamentosas unidimensionales».

Y entonces, él comienza a reír y reír. Y me empiezo a sentir demasiado como..., bueno, mi abuela solía decir: «una mierdecilla».

Yo estaba tan abrumado por los comentarios del gran hombre que no pude continuar la conversación, así que le dije: «¿En qué está trabajando, Murray?». Y él, por supuesto, dijo: «¿No has escuchado mi conferencia?». Afortunadamente en ese momento el ascensor se puso en marcha.

Después de eso no volví a ver Murray durante dos años. Entonces tuvo lugar una conferencia muy importante en Fermilab, y había allí un millar de personas. Yo sigo siendo un don nadie. Y Murray se encuentra compitiendo constantemente con su colega Richard Feynman por ver quién es el físico más grande del mundo.

Cuando estoy de pie hablando con un grupo de mis amigos, Murray pasa y en un instante da un giro a mi carrera y mi vida.

Interrumpe la conversación y delante de todos mis amigos y colegas más cercanos dice: «Quiero pedirte disculpas». Yo no sabía que él se acordaba de mí, así que le dije: «¿Por qué?». Y él dijo: «Por reírme de ti en el ascensor aquella vez. Lo que estás haciendo es lo más importante que se hace ahora. Es absolutamente fantástico, y en mi charla de clausura en la conferencia no voy a hablar de otra cosa. Tenemos que sentarnos durante la conferencia y hablar de ello. Tienes que explicármelo despacio, para que lo entienda bien».

Acababa de sucederme algo inimaginable, de repente estaba en una nube. Así que durante los tres o cuatro días siguientes en la conferencia iba detrás de Murray y le decía: «¿Ahora, Murray?». Y Murray decía: «No, tengo que hablar con alguien importante».

En algún momento durante la conferencia se formó una larga cola de personas que intentaban hablar con el agente de viajes. Yo iba a ir a Israel y tenía que cambiar mi billete. Tardé unos 45 minutos en llegar a la cabeza de la cola, y cuando solo tenía a dos personas por delante, ya se pueden imaginar lo que pasó. Murray se acerca y me saca de la cola y dice: «Ahora quiero hablar. Vamos a hablar ahora». Por supuesto, yo no iba a rechazar a Murray, así que digo: «Muy bien, hablemos». Y él dice: «Dispongo de 15 minutos. ¿Puedes explicarme en 15 minutos de que trata todo esto?». Dije que sí, y nos sentamos, y durante 14 minutos jugamos a un pequeño juego. Él me dice: «¿Puedes explicármelo en términos de teoría cuántica de campos». Y yo le dije: «Bueno, lo intentaré. Se lo voy a explicar en términos de partones». Alrededor de 1968 Feynman había propuesto que protones, neutrones y hadrones estaban hechos de pequeñas partículas puntuales. Él no sabía mucho sobre ellas, pero podía ver en los datos, correctamente, que había elementos que hacían pensar que un protón estaba hecho de pequeñas partículas puntuales. Cuando los protones son dispersados por electrones, salen electrones. Cuando uno mira la basura que sale, a menudo parece como si se hubiera dado un golpe a un montón de pequeños puntitos. Él los llamó partones. No sabía lo que eran. Ese era solo un nombre que les dio. Partes de protones.

Ahora tienen que entender lo competitivos que eran Murray y Dick Feynman. Así que Murray me dice: «¿Partones? ¿Partones? ¡Patrones! ¡Patrones! ¡Te estás quedando conmigo!». Y yo pensé: «¿Qué está pasando aquí?». Yo había dicho la palabra equivocada. Y finalmente dice: «¿Qué tienen estos partones?». Yo dije: «Bueno, tienen momento. Tienen carga eléctrica». Y él dice: «¿Tienen SU(3)?». SU(3) era una propiedad de las partículas, igual que la carga eléctrica es una propiedad, o como lo es su espín. Otra propiedad era su SU(3)-dad, que es una propiedad que distingue a un protón de un neutrón. Es lo que distingue a partículas diferentes que por lo demás son muy similares. Murray Gell-Mann y Yuval Neeman lo habían descubierto en los años sesenta, era lo que más fama había dado a Murray, y eso condujo directamente a la idea del quark. Le dije: «Sí, pueden tener SU(3)». Y él dice: «¡Ah, tú quieres decir un quark!». Así que durante 15 minutos había jugado a este juego de poder conmigo. Él quería que yo dijera quark, que fue su idea, y no partones, que fue idea de Dick. Habían pasado 14 de los 15 minutos y me deja que empiece a hablar, y yo le explico todo en un minuto, y él mira su reloj y dice: «Perdona, pero tengo que hablar con alguien importante».

Así que estoy en una montaña rusa. Yo había subido, bajado, subido, bajado, y ahora estaba realmente abajo. Pensé para mis adentros: «Murray no ha entendido ni una palabra de lo que le he dicho. No está interesado, no va a malgastar el tiempo de su charla hablando de mi trabajo». Y luego, en algún lugar oigo a Murray que está hablando con unas 15 personas, y está soltando todo lo que le he dicho y me da todo el crédito que podía esperar: «Susskind dice esto. Susskind dice eso. Tenemos que escuchar a Susskind». Y, en efecto, su charla de clausura en la conferencia fue «Susskind esto, Susskind lo otro». Y ese fue el comienzo de mi carrera. Debo mucho a Murray. Es un hombre de gran integridad y se preocupa por la verdad, y sin duda tiene una personalidad interesante.

Ese arranque de mi carrera ocurrió alrededor de 1971. Yo estaba enseñando en la Facultad de Ciencias Belfer, que formaba parte de la Universidad Yeshiva, en las afueras de la ciudad. Durante un breve período de tiempo, fue un lugar extraordinario, y tenía algunos de los mejores físicos teóricos del mundo; era extraordinario. El lugar cerró. Me quedé en la calle y tuve que trasladarme a Stanford. Cuando fui a Stanford yo era un físico de partículas elementales. Solo estaba interesado en la estructura matemática de esta cosa. Gracias a ello me interesé por las partículas elementales. Otras personas comenzaron a reconocer que esta no era exactamente la teoría correcta de los hadrones, aunque está estrechamente relacionada con la teoría correcta.

Debo retroceder un paso. Había muchas cosas equivocadas en esta teoría, equivocadas no en la teoría matemática, sino equivocadas al tratar de compararlas con la naturaleza, a compararlas con los hadrones. Algunas fueron corregidas de una manera muy bonita por John Schwarz y André Neveu y todo un grupo de teóricos de cuerdas, muy capaces matemáticamente, que idearon todo tipo de nuevas versiones de la misma; y estas nuevas versiones fueron, por cierto, el inicio del proceso de descubrimiento de esta increíble diversidad. Cada una de las nuevas versiones era un poco diferente, y siempre se esperaba que en una de las nuevas versiones aparecerían exactamente los protones, neutrones, mesones, etc. Esto nunca ocurrió. Había algunas fallas fatales.

La primera era que la teoría solo tenía sentido en un número ridículo de dimensiones: diez. Esto no es una buena cosa para la gente que vive en cuatro dimensiones. Eso se corrigió y resultó no ser tan malo. El otro problema era que cuando la teoría fue resuelta incluía fuerzas entre partículas que eran como las fuerzas gravitatorias. Esta teoría no se estaba comportando como física nuclear, como se suponía que debía comportarse. Se estaba comportando como la gravedad newtoniana. Había fuerzas entre las partículas que no eran el tipo de fuerzas que mantienen unidos un protón y un neutrón, sino el tipo de fuerzas que mantienen unido el sistema solar.

Perdí interés en ella porque entonces yo no estaba interesado en la gravedad. John Schwarz y varios más, incluyendo a Joel Sherk, se dieron cuenta de que esto era una gran oportunidad. Dijeron que no había que considerarla como una teoría de los hadrones, sino como una teoría de la gravedad. Así que, de ser un fracaso como una teoría de protones y neutrones, pasó a ser una teoría de la gravitación. Yo no estaba interesado en ese momento en la gravedad; no sabía mucho acerca de la gravedad, así que seguí haciendo física de partículas elementales. En esa época los físicos de partículas elementales no estaban interesados en la gravedad. No les interesaba en absoluto. Había otras personas que sí estaban interesadas en la gravedad pero no tenían interés en la teoría de cuerdas. Así que solo un grupo pequeño y aislado de personas —John Schwarz, Michael Green, Pierre Ramond y algunos otros— siguieron adelante en este campo.

Volví a interesarme por ello porque me interesé en los agujeros negros. Hawking había estudiado los agujeros negros, descubrió que irradian, que tienen una temperatura, que brillan y que emiten luz. Conocí a Hawking y a Gerard ‘t Hooft en el ático de la casa de Werner Erhard en San Francisco. Erhard era un fan de Sidney Coleman. Dick Feynman, David Finkelstein y yo éramos sus gurús. Por supuesto, no nos importaba un rábano su absurdo negocio, pero nos encantaban sus puros, nos encantaban sus bebidas, nos encantaba la comida que nos ofrecía, y él era divertido. Era muy muy inteligente.

Hawking vino y nos contó sus ideas sobre los agujeros negros, y una de las cosas que nos dijo era que los objetos que caen en un agujero negro desaparecen del universo por completo y nunca pueden regresar, ni siquiera en una forma desordenada. Ahora bien, se supone que la información no se pierde. Un dictamen de la física dice que la información se conserva. Lo que esto significa es que, en teoría, siempre se puede examinar las cosas con suficiente precisión y descubrir lo que sucedió en el pasado haciéndolas correr hacia atrás.

Hawking decía que cuando las cosas caen en un agujero negro se pierden realmente y nunca se puede reconstruir lo que cayó dentro. Esto violaba una serie de principios básicos de la mecánica cuántica, y ‘t Hooft y yo nos quedamos atónitos. Nadie más prestó atención, pero los dos estábamos realmente atónitos. Recuerdo que ‘t Hooft y yo estábamos de pie, mirando a la pizarra. Debimos de quedarnos así durante 15 minutos, sin decir una palabra, después de que Hawking nos dijera estas cosas. Yo estaba seguro de que Hawking estaba equivocado; ‘t Hooft estaba seguro de que Hawking estaba equivocado, y Hawking estaba absolutamente seguro de que él tenía razón al decir que la información se perdía dentro de los agujeros negros.

Durante 13 años pensé en esto —prácticamente de forma continua— y al final de esos 13 años empecé a sospechar que la teoría de cuerdas tenía en sus entrañas una solución a este problema. Y así empecé a interesarme de nuevo en la teoría de cuerdas. No me acordaba de nada. Tuve que volver a leer mis propios artículos porque intentaba leer los de otras personas y no los podía entender.

En los años transcurridos se habían desarrollado matemáticas muy poderosas en relación con la teoría. La encontré bastante árida, puesto que era casi completamente matemática con muy pocas imágenes físicas intuitivas. Las principales cosas que sucedieron fueron que, para empezar, se descubrieron cinco versiones de la misma. Se descubrieron trucos para deshacerse de las dimensiones extra. En realidad, uno no se deshace de ellas sino que las enrolla en dimensiones pequeñas. Todo esto se puede leer en el libro de Brian Greene El universo elegante. Esto resultó ser algo bueno.

John Schwarz y Michael Green, y unos pocos más, desarrollaron con gran detalle las dificilísimas matemáticas y demostraron que la teoría no presentaba inconsistencias como antes se había pensado que podría hacer. Cuando ellos demostraron que las matemáticas eran firmes, Ed Witten se emocionó mucho, y una vez que Ed Witten entró... bueno, él es una fuente inagotable de matemáticas y dominó el campo con mucha autoridad. Witten ha escrito muchos artículos famosos, pero uno de los principales, quizá el más importante, fue escrito en torno a 1990. Él y sus colaboradores desarrollaron los principios de unas matemáticas de las variedades de Calabi-Yau, que son espacios minúsculos y enrollados. Están muy bien explicadas en el libro de Brian Greene.

Ed es también un físico, y tenía mucho interés en tratar de convertir esto en una verdadera teoría de las partículas elementales. Nunca tuvo éxito, pero descubrió una gran cantidad de bellas matemáticas. Yo encontraba muchas cosas bastante áridas, porque no se estaban abordando las cuestiones de la física de la manera en que me gusta abordarlas. Eran demasiado matemáticas para mi gusto. Mi gusto se inclina menos hacia las matemáticas y más hacia las imágenes. Yo pienso en términos de imágenes.

En realidad yo no estaba siguiendo el tema muy de cerca en ese momento. Seguía interesado en los agujeros negros, y no fue hasta 1993 cuando empecé a sospechar que había ingredientes en la teoría de cuerdas que podrían resolver este rompecabezas de Hawking. Así que fue en ese momento cuando entré realmente en el tema y empecé a pensar en la conexión entre la teoría de cuerdas y los agujeros negros.

La teoría de cuerdas era una teoría de la gravedad. Cuando uno tiene gravedad puede tener agujeros negros, y por eso la teoría de cuerdas tenía que tener agujeros negros en ella, y debería tener una solución a este problema. En un par de años tuve una solución. Resultó que, en efecto, Hawking estaba equivocado. Es decir, que se equivocó a lo grande. Cuando alguien pone el dedo en un problema de tal magnitud, independientemente de que lo haga bien o se equivoque, tiene un impacto tremendo sobre el tema. Y él ha tenido un impacto tremendo.

Desarrollé algunas formas simplificadas de pensar en ello que demostraban que los agujeros negros no pierden información, que las cosas no caen en el agujero negro y desaparecen, que con el tiempo vuelven a salir. Están todas revueltas, no obstante lo cual vuelven a salir. Comencé a escribir artículos sobre eso, y mi artículo en el que decía que en la teoría de cuerdas las cosas no se pierden en el interior de un agujero negro estimuló a la comunidad de las cuerdas para comenzar a pensar en los agujeros negros. Hubo una erupción de artículos —míos, de Joe Polchinski, de Andy Strominger y de Cumrun Vafa— que realmente fijaron el problema. Y los agujeros negros han sido resueltos. Los agujeros negros han sido entendidos. Hoy por hoy el único problema real de la física que ha sido resuelto por la teoría de cuerdas es el problema de los agujeros negros. Esto llevó a algunas ideas muy revolucionarias y extrañas.

Hasta ahora la teoría de cuerdas no ha tenido nada que decir sobre cosmología. Nadie ha entendido la relación entre la teoría de cuerdas y el Big Bang, la inflación y otros aspectos de la cosmología. A menudo voy a conferencias que organizan teóricos de cuerdas y cosmólogos, y por lo general las charlas sobre la teoría de cuerdas consisten en pedir disculpas por el hecho de que no hay nada interesante que contar a los cosmólogos. Esto va a cambiar muy rápidamente ahora porque la gente ha reconocido la enorme diversidad de la teoría.

La gente ha estado tratando de hacer negocios a la antigua usanza. Con la teoría de cuerdas estaban tratando de hacer las cosas que tendrían que haber hecho con las teorías anteriores, y no tenía mucho sentido hacerlo así. Deberían haber estado mirando lo que es realmente único y diferente en la teoría de cuerdas, y no lo que se parece a la antigua clase de teorías. Y lo que es realmente único y muy muy especial es que tiene esta diversidad, que da lugar a un número increíblemente desmesurado de diferentes tipos de ambientes en que la física puede tener lugar.

Discusión en el Club de la Realidad Paul Steinhardt

Catedrático Albert Einstein de Ciencia en el Departamento de Física y Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton, y coautor, junto con Neil Turok, de Endless Universe: Beyond the Big Bang.

Bueno, la cita es correcta. Me encanta Lenny, pero odio esta idea reciente del paisaje y espero que desaparezca.

Lee Smolin

Físico en el Instituto Perimeter de Física Teórica, y autor de The Trouble With Physics y de Three Roads to Quantum Gravity.

Quiero prologar mis comentarios diciendo que desde mi época de estudiante Lenny Susskind ha sido para mí un héroe y un modelo a seguir. Los siguientes comentarios se ofrecen con gran respeto y admiración.

Para empezar, hay que felicitar a Susskind por haber llamado la atención de la gente sobre un aspecto aparentemente fundamental de la teoría de cuerdas: que parece admitir un gran número de versiones (o, como algunos prefieren, soluciones) diferentes, cada una de las cuales describe un universo con diferentes leyes de la física. Las propiedades básicas de un universo, como su dimensionalidad, la naturaleza y las intensidades de las diferentes fuerzas y las masas de las partículas elementales varían de una teoría de cuerdas a otra.

Como dice Lenny, esto significa que el viejo sueño de una teoría unificada que haga predicciones únicas y verificable ya no parece posible. Muchas de las características que los físicos esperaban explicar como características necesarias de cualquier universo posible son solo características contingentes, o características ambientales de un universo entre muchos posibles.

Sin menoscabar en nada la importancia de las ideas recientes de Susskind, habría que decir que varias personas han estado haciendo el mismo argumento, utilizando un lenguaje muy similar, durante muchos años. Mi libro, Life of the Cosmos (1997) describe el mismo escenario de un paisaje de teorías de cuerdas, y explora la cuestión de si esta situación es inevitable y, en caso afirmativo, qué significa esto para el futuro de la ciencia. Sin embargo, uno sus puntos principales es que el principio antrópico es un giro equivocado. Hay alternativas que puedan resolver las preocupaciones de aquellos a quienes no les gusta el principio antrópico, teniendo en cuenta el sorprendente escenario descrito por Susskind.

Por supuesto, el lector inteligente querrá saber hasta qué punto hay evidencia real que justifique las fuertes afirmaciones que hace Susskind. Quizá sea útil explicar primero por qué Susskind y otros teóricos de cuerdas solo recientemente han comenzado a preocuparse por estos problemas. Desde finales de la década de 1980 se ha sabido que la teoría de cuerdas tiene muchas soluciones que describen universos con propiedades diferentes. Sin embargo, hasta hace poco todas las soluciones de cuerdas conocidas describían universos que no estaban de acuerdo con las observaciones en uno o más aspectos esenciales. Para empezar, la mayoría de ellos no describían mundos con tres dimensiones espaciales macroscópicamente grandes. Pero todos los que lo hacían tenían dos propiedades que no estaban de acuerdo con la observación: simetrías no observadas (llamadas supersimetrías) y fuerzas de largo alcance no observadas (campos escalares sin masa, en la jerga técnica). A esto se ha sumado en años recientes un tercer problema: el universo parece tener una energía de vacío positiva, pero todas las teorías de cuerdas consistentes entonces conocidas tenían energía de vacío cero o negativa.

Por lo tanto, hasta hace muy poco los teóricos de cuerdas podían esperar que, pese a que la teoría de cuerdas tiene muchas soluciones, habría solo una solución compatible con lo que nos dicen las observaciones acerca del mundo.

Hace un año hubo nuevos resultados que cambiaron la situación. Cálculos muy ingeniosos por parte de Shamit Kachru y sus colaboradores dieron una prueba indirecta a favor de la existencia de teorías de cuerdas que están de acuerdo con los siguientes aspectos observados de nuestro universo: 1) cuatro grandes dimensiones, 2) energía de vacío positiva, 3) supersimetría rota, y 4) ausencia de campos escalares sin masa. Esta fue la primera prueba a favor de la existencia de cualquier versión o solución de la teoría de cuerdas compatible con todas estas características observadas en nuestro mundo.

Pero había un matiz. Esta nueva solución no era única, sino todo lo contrario. Michael Douglas, Susskind y otros argumentan que si existe alguna teoría de cuerdas con estas características, también existen al menos otras 10¹⁰⁰. Es la inmensidad de este número lo que lleva a las consecuencias aparentemente revolucionarias de las que habla Susskind.

En aras de la precisión, es importante destacar que la evidencia a favor de estas teorías de cuerdas es indirecta y no necesariamente convincente. En realidad no se ha construido ni una sola de estas 10¹⁰⁰ teorías de cuerdas, ni se ha demostrado que existan de ninguna otra manera. Tampoco puede hacerse ningún cálculo en ninguna de estas teorías, ni siquiera en el primer orden de aproximación. Los resultados disponibles están muy lejos de una demostración real de la existencia de estas teorías, ni siquiera en el laxo nivel de rigor que caracteriza a buena parte de la física teórica.

De hecho, no se ha demostrado de manera concluyente la existencia de ninguna teoría de cuerdas, ni siquiera de las cinco teorías originales supersimétricas en diez dimensiones. Sigue habiendo conjeturas no probadas, como la finitud y la consistencia de cualquier teoría de supercuerdas, más allá de los tres primeros términos en un determinado esquema de aproximación. Sin embargo, si en el mejor de los casos algunas cuestiones siguen sin estar resueltas, mucho menos se sabe acerca de las teorías de cuerdas conjeturadas de las que Susskind está hablando.

Así que los resultados actuales permiten tres posibilidades.

Primera: la teoría de cuerdas es cierta, pero las teorías de cuerdas para las que Kachru y otros encuentran poca evidencia no existen de hecho; finalmente se encontrará otra manera de construir al menos una teoría de cuerdas que esté de acuerdo con todas las características de nuestro universo observado. Segunda: la teoría de cuerdas es verdadera y las teorías de cuerdas para las que Kachru y otros encuentran evidencia son soluciones genuinas a la misma. Tercera: la teoría de cuerdas es falsa, porque no existe ninguna versión coherente de la teoría o no existe ninguna versión que esté de acuerdo con todos los resultados experimentales; en su lugar, una de las aproximaciones alternativas a la gravedad cuántica resultará ser el camino a seguir para la física. Nótese que incluso si la primera posibilidad fuera cierta no podemos escapar de las implicaciones de lo que Lenny está diciendo. La razón es que, incluso si algún día se encuentra una solución única para la teoría de cuerdas que describa nuestro mundo, nunca nos desharemos de la gran cantidad de soluciones de la teoría de cuerdas que no describen nuestro mundo. Así que, pase lo que pase, si la teoría de cuerdas es verdadera, tenemos que explicar por qué la solución que describe nuestro mundo fue seleccionada entre una gran colección de soluciones que describen mundos muy diferentes.

Por lo tanto, a menos que la teoría de cuerdas sea errónea, no podemos evitar lo que Lenny Susskind está diciendo.

Entonces, ¿la teoría de cuerdas implica el principio antrópico como Susskind parece sugerir? ¿Significa esto que tenemos que, o bien renunciar a la teoría de cuerdas, o bien renunciar al sueño de una teoría fundamental que haga predicciones refutables para experimentos reales factibles?

Hay un argumento sencillo y, hasta donde yo sé, irrefutable, que lleva a la conclusión de que ninguna teoría que emplee el principio antrópico, como propone Susskind, puede ser refutada. Se trata de que la teoría afirma la existencia de un conjunto de «universos», al menos uno de los cuales tiene las propiedades que ya se ha observado que son ciertas en el nuestro. Además, el número total de posibles teorías que se cree que existen es tan enorme que es razonable pensar que el subconjunto que esté de acuerdo con todas las observaciones actuales seguirá siendo enorme. En consecuencia, es probable que haya infinidad de teorías que estén de acuerdo con cualquier posible resultado de futuros experimentos. Por lo tanto, no habrá ninguna manera en que cualquier resultado experimental concebible pueda contradecir la teoría.

Yo sigo a muchos filósofos e historiadores en la creencia de que una parte necesaria de lo que ha hecho de la ciencia un camino acertado a la verdad es que la ética de la ciencia exige que se estudien solo teorías refutables. Solo consideramos que una teoría puede ser verdadera si es susceptible de refutación por medio de experimentos reales, y solo creemos en ella después de que haya sobrevivido a significativos y rigurosos intentos de refutarla.

Esto significa que, si la ciencia va a seguir adelante, debemos encontrar una alternativa al principio antrópico.

Afortunadamente no es difícil encontrar una alternativa al principio antrópico en el escenario que Susskind describe. Todo lo que uno tiene que hacer es añadir a la teoría dos hipótesis adicionales, que de hecho pueden ser ellas mismas consecuencias de la teoría fundamental.

Las dos hipótesis son las siguientes: i) agujeros negros y singularidades cosmológicas rebotan, debido a efectos de gravedad cuántica, y son reemplazados nuevos universos que nacen, ii) cada nuevo universo que nace es ligeramente diferente de su padre, en el sentido de que los parámetros de sus leyes físicas difieren en pequeñas cantidades.

Como describí en mi libro, y en artículos relacionados, estas dos hipótesis dan al «paisaje» de las teorías la estructura de un paisaje adaptativo. Estos son modelos matemáticos tomados de la biología evolutiva. Es fácil ver que, una vez que estos se añaden a la teoría, pueden obtenerse predicciones refutables. Por ejemplo, la observación de una única estrella de neutrones con una masa superior a dos veces la del Sol descartaría la teoría.

Por supuesto, esto significa que la teoría puede perfectamente ser refutada en el futuro próximo. Esto significa que es ciencia. Lo que debemos evitar es la situación que describe Susskind, en la que se cree en una teoría a pesar de no tener una sola predicción para un experimento real, cuyos resultados pudieran refutarla.

También se puede mencionar que trabajos recientes de Martin Bojowald y colaboradores proporcionan una fuerte evidencia a favor de que la hipótesis i) es una predicción de al menos una teoría cuántica de la gravedad (la gravedad cuántica de lazos). Si las técnicas de Bojowald pudieran aplicarse a la teoría de cuerdas —y creo que es probable que pueda hacerse— podríamos muy bien ser capaces de probar la hipótesis ii).

En resumen, después de la reciente evidencia resumida por Susskind, parece que la pregunta clave sigue siendo la siguiente: ¿hay alguna alternativa a a) seguir haciendo ciencia sin una teoría fundamental refutable, o b) basar la cosmología y la física en mecanismos dinámicos como la selección natural para dar explicaciones refutables de cómo nuestro universo llegó a ser descrito por las leyes que observamos? Si hay alternativas, espero que alguien encuentre una muy pronto. Si no es así, ciertamente espero que b) sea cierta, porque creo firmemente que argumentos racionales acerca de la evidencia experimental son nuestro único camino fiable hacia la verdad.

Antes de concluir, quiero inyectar una nota de cautela sobre la afirmación de Susskind de que la teoría de cuerdas ha resuelto los enigmas sobre los agujeros negros que plantea Hawking. Susskind afirma que «Hoy por hoy, el único problema real de la física que ha sido resuelto por la teoría de cuerdas es el problema de los agujeros negros». No quiero menospreciar la importancia o la belleza de los resultados de la teoría de cuerdas que se refieren a los agujeros negros. Hasta donde llegan, son muy impresionantes. Sin embargo, cabe señalar que muchos expertos en gravedad cuántica no están convencidos de que el problema planteado por Hawking haya sido resuelto por los resultados reales en la teoría de cuerdas. La razón es que los resultados de la teoría de cuerdas que dan un acuerdo exacto con el trabajo anterior de Hawking se limitan principalmente a una clase muy especial de agujeros negros: son los agujeros negros que tienen la máxima, o casi la máxima, carga posible, dada su masa. Entre estos no se incluyen los agujeros negros físicos reales, tales como los agujeros negros de los que los astrónomos tienen pruebas.

Además, todavía no es posible en la teoría de cuerdas estudiar directamente los espacio-tiempos de siquiera estos agujeros negros muy especiales. Los resultados más precisos se obtienen por extrapolación muy ingeniosa a partir de ciertos sistemas sin gravedad. Estos tienen propiedades estadísticas similares a las de estos negros agujeros muy especiales, pero no son realmente agujeros negros.

Al mismo tiempo, ha habido avances genuinos en el conocimiento de los agujeros negros reales en otras aproximaciones a la gravedad cuántica, como la gravedad cuántica de lazos. El hecho de que la teoría de cuerdas no ha sido capaz de reproducir estos resultados está relacionado con el de que las teorías de cuerdas hasta el momento solo pueden describir en detalle mundos con las características no físicas antes mencionadas, tales como la supersimetría exacta. Como resultado, muchos expertos creen que el jurado aún está deliberando sobre si las conjeturas de Hawking acerca de los agujeros negros y la información son ciertas o no.

Kevin Kelly

Editor General de Wired y autor de Out of Control, New Rules for the New Economy y de What Techmology Wants.

La mejor y más sorprendente entrevista en Edge hasta la fecha. Fue educativa más allá de la llamada del deber, llena de chismes para iniciados, y divertida. La inhalé de un golpe. Muy buena.

Alexander Vilenkin

Catedrático de Física, director del Instituto de Cosmología en la Tufts University, y autor de Many World in One.

Me gustaría hacer un comentario sobre la visión de Lee Smolin, según la cual los argumentos antrópicos no son predictivos, no son refutables y, por lo tanto, no son científicos. Ha habido mucha confusión acerca de lo que es el enfoque antrópico y cómo debe utilizarse. Aquí voy a argumentar que, utilizado adecuadamente, este enfoque puede hacer predicciones comprobables, y por lo tanto satisface todos los requisitos de una teoría científica. Permítanme en primer lugar aclarar lo que entiendo por el enfoque antrópico. La definición que Lenny Susskind da en su artículo es demasiado simplista: «El tipo de respuesta que dice que esto o aquello es cierto porque si no fuera cierto no habría nadie para hacer la pregunta, se llama el principio antrópico». En otras palabras, si una constante de la naturaleza tiene ciertos valores que no permiten la existencia de observadores inteligentes, entonces el «principio antrópico» dice que tales valores no van a ser observados. Por supuesto, está garantizado que este «principio» es cierto. Si esto fuera todo lo que hay en los argumentos antrópicos, yo tendría que admitir que Lee Smolin tiene algo de razón. Pero hay más que eso.

Supongamos que nuestra teoría predice que las constantes de la naturaleza varían de una parte del universo a otra, y queremos extraer predicciones comprobables a partir de esa teoría. Entonces, en lugar de buscar valores extremos de las constantes que hacen imposible la existencia de observadores, podemos tratar de predecir qué valores serán medidos por un observador típico. En otras palabras, podemos hacer predicciones estadísticas, asignar probabilidades a diferentes valores de las constantes. Si es necesario invocar aquí un principio, es el que yo llamo «el principio de la mediocridad»: la hipótesis de que somos observadores típicos en el universo, por lo que los valores de las constantes que observamos deberían estar próximos a los que tienen la máxima probabilidad. Si en su lugar medimos un valor muy alejado del máximo de la probabilidad, esto debería ser considerado como prueba en contra de la teoría. Por ejemplo, si el valor observado tiene una probabilidad de 1 por 100, podemos decir que la teoría está descartada con un nivel de confianza del 99 por 100.

Para ilustrar mi argumento es mejor examinar un ejemplo concreto. Vamos a considerar el parámetro que Lenny mencionaba en su artículo: la constante cosmológica que hace que el universo se expanda con aceleración. Cuanto mayor sea esta constante, antes comienza la expansión acelerada. Y una vez que esto ocurre, el proceso de formación de galaxias, que es crucial para la evolución de observadores, se detiene. Si la constante cosmológica varía de una parte del universo a otra, entonces las regiones en las que es más grande tendrán un menor número de galaxias. Este punto fue reconocido por Steven Weinberg, quien demostró que las regiones donde la constante cosmológica es más de 100 veces mayor que la densidad actual de materia en el universo no tendrían galaxias en absoluto y, por lo tanto, no habría observadores en ellas. Evidentemente, tales valores nunca serán observados.

Para mejorar este análisis podemos utilizar la teoría de la formación de las galaxias para determinar las probabilidades de diferentes valores de la constante cosmológica. Si elegimos una galaxia al azar, podemos preguntarnos cuál es la probabilidad de que esta galaxia se encuentre en una región en la que la constante cosmológica tiene tal o cual valor. La respuesta es que la constante cosmológica medida por la mayoría de los observadores en el universo debería ser dos veces mayor que la densidad de materia actual. Las observaciones realizadas en nuestra región local muestran que es mayor en un factor de aproximadamente 3, como se esperaba. Cabe destacar que la predicción fue hecha en 1995, más de dos años antes de que se midiera la constante cosmológica. Si el valor hubiera resultado ser mucho mayor o mucho menor del que realmente es, la explicación antrópica estaría descartada con un alto nivel de confianza.

Leonard Susskind

En primer lugar, quiero dar las gracias a Paul Steinhardt por su resumen conciso de los puntos de vista de la otra parte en este debate.

En cuanto al resumen menos conciso de Smolin, tengo miedo de entrar en un debate interminable, así que voy a decir lo que suelo decir a los estudiantes en mi clase del preparatorio de medicina: «Escuchadme atentamente, porque no lo voy a explicar de nuevo».

Smolin tiene razón. Él ha reconocido el tipo de diversidad en las leyes de la física que sugiere la teoría de cuerdas. También tiene razón en que los teóricos de cuerdas no pueden demostrar que algunas de las soluciones de la teoría de cuerdas son realmente soluciones, ni siquiera las supersimétricas. Tampoco puede nadie probar que el Sol saldrá mañana. El nivel de confianza que tienen los teóricos de cuerdas en su teoría se basa en una red de pruebas interconectadas tan convincente que los matemáticos genuinos no tienen ninguna duda sobre su validez.

Más relevante es la afirmación de Smolin sobre las nuevas soluciones no supersimétricas de mis colegas de Stanford y el Instituto Tata, KKLT. Estas no han sido sometidas a un escrutinio suficiente. Pero los ajenos al tema deberían entender que los teóricos de cuerdas vieron con horror, y no con placer, el descubrimiento del gigantesco paisaje de soluciones. Y sin embargo, ningún teórico de cuerdas, que yo sepa, está dispuesto a decir que estas soluciones no existen. Igual que Steinhardt, sienten temores y rezan por la redención. No es imposible, pero todos coinciden en que es poco probable.

En cuanto a las especulaciones de Smolin acerca de la evolución del universo, permítanme decir que casi todos los cosmólogos estarían de acuerdo en que el universo se está reproduciendo. Pero no estarían de acuerdo en que el mecanismo dominante es universos dentro de agujeros negros (¡hablando de lo inobservable!).

El mecanismo más eficiente según los cosmólogos, y uno que está ganando fuerte apoyo observacional, es la inflación eterna. La inflación es la reproducción exponencial del universo debida a la constante cosmológica. Tal vez los agujeros negros se sumen al proceso, pero lo dudo. En cualquier caso, está absolutamente claro que no vivimos en el tipo de universo más apto, que sería el universo con la mayor constante cosmológica. Vivimos en un universo que es apto para vivir en él, pero una constante cosmológica grande haría nuestro universo fatal para los núcleos, los átomos y la vida.

Alexander Vilenkin es un héroe de la revolución y siempre escucho con mucha atención lo que dice. Él dice que mi afirmación «El tipo de respuesta que dice que esto o aquello es cierto porque si no fuera cierto no habría nadie para hacer la pregunta se llama el principio antrópico» es simplista. Sí, lo es, y eso es lo que se pretende. Es una definición que deja fuera las sutilezas que Vilenkin expone. Sin embargo, sí expone una definición de trazo grueso que cubre las muchas cosas que se llaman el principio antrópico.

Mi propia opinión es que no sabemos todavía lo suficiente como para utilizar el P. A. de una manera predictiva. Vilenkin no está de acuerdo. Pero de lo que sí estoy seguro es de que nosotros, y también Paul, estamos de acuerdo en que estaremos en una posición mucho mejor para argumentar los méritos del P. A. cuando el paisaje se explore más a fondo. Esta es probablemente una tarea para los teóricos de cuerdas.

Steve Giddings

Físico teórico, catedrático del Departamento de Física en la Universidad de California, Santa Barbara.

Algunas reflexiones sobre el paisaje y el principio antrópico.

Yo no soy un gran fan del principio antrópico. Pero la física no está diseñada para que nos guste a ti o a mí; es como es, y eso puede significar que ciertas características de nuestro mundo físico se explican por el razonamiento antrópico.

Si es así, esto es simplemente un paso más en el camino copernicano. Copérnico nos enseñó que la Tierra no es el centro del universo. Si las ideas del «paisaje de cuerdas» y su población mediante efectos como la inflación eterna son válidas, entonces todo el universo visible no es particularmente especial o único, sino que es solo una parte pequeña y anodina de un universo aún mayor. Las constantes de la naturaleza en nuestra región no están especialmente ajustadas a ningunos valores concretos a priori. Más bien debemos adoptar una visión más darwiniana: la vida evoluciona donde puede, y lo hizo en nuestra región particular dentro de un universo más grande, o «megaverso», porque las condiciones —la intensidad del electromagnetismo, la magnitud de la constante cosmológica y demás— permiten que la vida evolucione. Nuestro tipo de vida no podría haber evolucionado en una región donde estas constantes tomaran valores significativamente diferentes.

Para mí este punto no es más inquietante que la simple observación de que la vida no evolucionó en el centro del Sol. Hay regiones del universo visible que son hospitalarias para la vida y otras que no lo son, y lo mismo podría aplicarse al megaverso.

Una de las cosas en esta imagen que molesta a muchos físicos es la aparente falta de predictibilidad. Hay muchos diferentes valores posibles de los muchos parámetros físicos, y averiguar qué región de este espacio es la superficie «L = 1», donde la vida tiene una probabilidad uno de emerger, es un problema enormemente complicado y tal vez no completamente tratable. Ya no podemos prolongar el sueño de descubrir las ecuaciones únicas que predicen todo lo que vemos y escribirlas en una sola página. Predecir las constantes de la naturaleza se convierte en un retorcido problema ambiental. Tiene las complicaciones de la biología.

Creo, no obstante, que los puntos de vista de algunos, según los cuales esa imagen no es científica, o es una escapatoria, son extremos. En particular, comprender las leyes que dan lugar al megaverso es una pregunta muy científica, y una pregunta que creo que vale la pena estudiar más. Por ejemplo, en un artículo con Kachru y Polchinski, hemos esbozado una gran parte de la estructura básica que subyace a una parte del megaverso de la que la gente está hablando mucho en la actualidad. Pero tenemos mucho camino por recorrer hasta entender plenamente siquiera esta parte del megaverso —de hecho, su consistencia interna ha sido cuestionada por Banks y Dine, y es concebible que la imagen pudiera derrumbarse por completo—. Y suponiendo que esta parte sea finalmente bien entendida, quizá solo sea la punta del iceberg, con muchas otras partes interesantes del megaverso aún por explorar.

Esto puede obligarnos a repensar el tipo de preguntas que esperamos responder, tales como tratar de predecir el valor exacto de la constante cosmológica. Sin embargo, abre la posibilidad de investigar otros tipos de preguntas, y podría ser comprobable una vez que descubramos la manera de poner a prueba experimentalmente la teoría de cuerdas. Si tuviéramos mucha suerte, eso podría suceder con el Gran Colisionador de Hadrones, o con las observaciones cosmológicas, o tal vez de otras formas en las que no hemos pensado.

Otra parte fascinante de la imagen es una característica genérica del «paisaje». De hecho, esta característica parecería estar presente incluso si la teoría de cuerdas no resulta ser la teoría correcta de la gravedad cuántica. Esta característica se refiere al destino final del universo. De hecho, parece que siempre que haya dimensiones extra del espacio, y la constante cosmológica tenga el valor positivo actualmente observado, las dimensiones extra del espacio se harán finalmente inestables y pueden empezar a crecer. Tener una constante cosmológica positiva es como estar en una alta montaña: más pronto o más tarde, mediante efectos cuánticos o de otra manera, el universo encontrará su camino hacia las llanuras. Por lo tanto, ya encontremos o no las dimensiones extra del espacio, a la larga ellas nos van a encontrar.

Lee Smolin

Respecto a las observaciones siempre brillantes de Susskind, me alegro de que estemos de acuerdo sobre el punto básico de que la teoría de cuerdas lleva a un paisaje de teorías. La pregunta que me ha preocupado desde hace algún tiempo es la misma con la que terminaba Susskind: ¿cómo podemos hacer predicciones con una teoría de este tipo? Dos respuestas posibles son el principio antrópico y la selección natural cosmológica. La conclusión a la que he llegado después de mucho reflexionar es que es probable que la segunda conduzca a un mayor número de predicciones refutables.

Para evitar confusiones hay que destacar que el término «principio antrópico» se usa con varios significados. Estoy de acuerdo en que la definición que da Alex Vilenkin no es sino la lógica de sentido común, y en que «cuando se utiliza correctamente», en combinación con hipótesis físicas, puede llevar a algunas predicciones refutables. Sin embargo, en estos casos lo que es refutable no es la lógica de sentido común, sino las hipótesis físicas con las que se combina. Este es el caso en el ejemplo que pone Alex en relación con la constante cosmológica. Aquí los cálculos dependen de hipótesis acerca de la cosmología cuántica y la física de la formación de galaxias. Si sus predicciones se han mostrado equivocadas, él va a querer modificar esas hipótesis, y no la lógica utilizada en su razonamiento.

Mis comentarios se dirigían a una versión diferente del principio antrópico en la que alguien plantea un modelo de multiverso y luego afirma que sus predicciones están verificadas porque el conjunto de universos contiene al menos un universo que tiene las propiedades que observamos en el nuestro. Surgen problemas con la refutabilidad cuando el conjunto es tan enorme que siempre habrá algunos miembros que estarán de acuerdo con cualquier posible experimento futuro. Ninguna predicción refutable es posible, porque cualquier cosa que se observe será cierta en algunos miembros del grupo.

Pero incluso si estamos de acuerdo en emplear la definición más débil de Alex, hay más preguntas. ¿Podemos predecir el valor de cualquier parámetro que podemos medir, o estamos limitados a hacer predicciones solo acerca de unos pocos parámetros?

Por ejemplo, como señaló Anthony Aguirre, hay muchos universos posibles que contienen vida pero son muy diferentes del nuestro, tales como universos donde el Big Bang fue frío y no caliente. El principio antrópico no puede explicar por qué no vivimos en uno de estos universos. Por lo tanto, hay características básicas de nuestro mundo que no puede explicar o predecir.

También hay problemas cuando el principio antrópico se utiliza para salvar una teoría que de otra manera hace predicciones incorrectas. Esto puede ocurrir cuando muy pocos miembros del conjunto de universos predichos por la teoría se parecen a nuestro mundo. En tales casos, para hacer predicciones fiables sobre un parámetro, X, tanto la probabilidad a priori dada por la teoría para los miembros del conjunto como la probabilidad de vida deben depender en gran medida de X. La constante cosmológica es un caso en que esto se cumple. Sin embargo, habrá muchos casos en los que no se cumpla. En estos casos la teoría no puede hacer predicciones. Un buen ejemplo de esto es la inflación eterna. En la inflación eterna la probabilidad, o la aptitud, depende en gran medida, como dice Susskind, de la constante cosmológica. Sin embargo, la probabilidad depende solo muy débilmente de la mayoría de los parámetros medibles, tales como las masas y cargas de las partículas elementales estables. Esto es debido a que sus valores tienen poco efecto en las escalas físicas en las que tiene lugar la reproducción de los universos (que son mucho más altas en energía que las que se han investigado experimentalmente hasta ahora). Así pues, la inflación eterna, por sí sola, no puede explicar o predecir los valores de estos parámetros observables. Incluso cuando se añade el principio antrópico, en el sentido de Alex, sigue siendo muy difícil hacer predicciones para futuras mediciones que tengan que ver con partículas inestables, cuya existencia y propiedades no afectan a la probabilidad de observadores ni a la probabilidad de inflación.

Comparemos esto con el escenario de la selección natural cosmológica en la que el modo de reproducción es mediante agujeros negros. La tasa de reproducción de los universos mediante agujeros negros no depende muy sensiblemente de muchos parámetros observables. La razón es que las propiedades de la materia ordinaria determinan la tasa de formación de estrellas masivas que se convierten en agujeros negros. Como resultado, si la teoría es cierta, casi todos los miembros del conjunto generado se parecerán a nuestro universo. No hay necesidad de apelar al principio antrópico para extraer un conjunto de subuniversos que consiste en universos por lo demás extremadamente improbables. Por lo tanto, si la formación de agujeros negros domina la reproducción del universo, tenemos una oportunidad de explicar los valores de todos los parámetros sin basarnos en el principio antrópico. Como resultado, la teoría ofrece predicciones refutables, comprobables por observaciones de cosas como estrellas de neutrones. Esto le da a esta teoría, si es cierto, mucho más poder explicativo.

En cuanto a la teoría de cuerdas, aquí también mi intención es ser constructivo. Creo que cuando se desarrolla una teoría es útil tener muy claro exactamente lo que se ha demostrado y lo que queda abierto y todavía requiere demostración. Por desgracia, ocurre que muchos eslabones clave de la «red de pruebas interconectadas» que da apoyo a la teoría de cuerdas siguen siendo conjeturas no probadas, ni siquiera en el nivel de rigor de los físicos, pese a los muchos años de estudio por parte de muchas personas muy inteligentes. Es cierto que algunos «matemáticos genuinos no tienen ninguna duda sobre su validez». Sin embargo, otros matemáticos genuinos que han estudiado las cuestiones técnicas involucradas tienen serias dudas. Dado que hasta ahora la teoría no toma contacto con el experimento, cabe esperar que trabajos posteriores mejorarán esta situación.

Del mismo modo, la afirmación de Susskind de que el universo más apto es el que tiene mayor constante cosmológica depende de que la inflación eterna sea cierta. Pero la inflación eterna es mucho más que la afirmación de que el universo se infló en los primeros tiempos. Pasar de las observaciones actuales a afirmar que la inflación eterna cuenta con fuerte apoyo observacional es un paso muy grande. Este paso requiere una serie de hipótesis, que cabe esperar que se pongan a prueba cuando teoría y observación se hagan más precisas.

Gino Segre

Catedrático de Física y Astronomía en la Universidad de

Pensilvania, y autor de Ordinary Geniuses y de Faust in Copenhagen.

Bien pudiera ser que seamos parte de un megaverso, como dice Lenny. Este puede ser el siguiente paso en una progresión de 500 años en nuestra manera de pensar. En 1543, Copérnico propuso que la Tierra no era el centro del universo. Unos setenta años más tarde, Galileo demostró con su telescopio que esos objetos de aspecto lechoso en el cielo estaban compuestos de muchas estrellas. A partir de esto se desarrolló la idea de muchas galaxias, pero los seres humanos todavía se aferraban a la idea de que la Tierra era el centro de su propia galaxia. Esta idea fue refutada, finalmente, por Shapley en la década de 1920.

Ahora creemos que vivimos en un planeta común, uno entre muchos, que gira alrededor de una estrella ordinaria, una entre muchas, en una galaxia ordinaria, una entre muchas. Tal vez tenemos que dar el siguiente paso, sin duda un paso revolucionario, y decir que vivimos en un universo ordinario, una parte muy pequeña de un megaverso enorme. Sin embargo, por controvertida que fuera cada una de las propuestas anteriores, todas fueron confirmadas de forma inequívoca por las observaciones científicas. La ciencia tiene un lado revolucionario y un lado conservador: revolucionario en proponer nuevas posibilidades espectaculares y conservador en el requisito de exigir pruebas experimentales antes de que aquellas sean aceptadas.

Como sucedió con las nociones anteriores, la idea de un megaverso requerirá la confirmación experimental antes de ser aceptada. Del mismo modo, la teoría de supercuerdas y la existencia de dimensiones extra tendrán que superar la misma prueba. El megaverso puede ser el camino correcto y puede no serlo; la existencia de una constante cosmológica nos ha cogido a todos por sorpresa y todavía es posible que algún genio calcule su valor de una manera que ni siquiera podemos imaginar ahora mismo y nos muestre un nuevo camino a seguir.

Pase lo que pase, todos debemos agradecer el hecho de que algunos experimentos muy interesantes, tanto en física de partículas como en cosmología, se van a llevar a cabo en los próximos años. Cabe esperar que nos ayudarán a salir del paso.

Leonard Susskind

Hace un año o dos, la mayoría de los físicos teóricos de altas energías habrían rechazado cualquier conversación sobre el principio antrópico como anticiencia. Sin embargo, como ya he dicho en la entrevista, «debido a nuevos desarrollos sin precedentes en física, astronomía y cosmología estos mismos físicos se están viendo obligados a reevaluar sus prejuicios sobre el razonamiento antrópico». La actitud de los físicos más reflexivos se ha suavizado y ha pasado a «Hmmm, tal vez sea mejor pensar en esto». Los mensajes de Steve Giddings y Gino Segre reflejan esta forma de pensar menos sesgada. Segre subraya correctamente la importancia de las pruebas experimentales de las ideas teóricas. A este respecto quiero señalar que Weinberg predijo que si el P. A. es correcto, la constante cosmológica resultaría ser distinta de cero. Además predijo el orden de magnitud correcto. Esto fue hace más de una década. Por último, quiero volver a subrayar que no es solo la constante cosmológica lo que nos está empujando en la dirección del «paisaje antrópico». El éxito de la inflación sugiere con fuerza que vivimos en un universo muy grande. El otro hecho evidente es que la teoría de cuerdas da lugar a un paisaje estupendamente rico con tal vez 10⁵⁰⁰ vacíos sin ninguna razón para preferir uno por encima de los demás. Claro que es posible que venga algún genio y explique la constante cosmológica por arte de magia matemática, pero las cosas no parecen ir en esa dirección.

Gerad ‘t Hooft

Premio Nobel y catedrático de Física Teórica en la Universidad de Utrecht.

Durante la década de 1980 varios físicos llegaron a estar cada vez más entusiasmados con lo que se llamó la «teoría de las supercuerdas». Previamente había parecido que las ecuaciones matemáticas bastante extrañas que surgen cuando se intenta someter las «cuerdas relativistas» a las leyes de la mecánica cuántica eran inconsistentes, pero ahora se reconoce que es posible que describan partículas elementales fundamentales, junto con fuerzas gravitatorias muy similares a las de la teoría de la relatividad general de Einstein. A pesar de ello, las inconsistencias seguían existiendo a menos que se postularan tipos muy especiales de esquemas de proyección y simetrías, tales como la supersimetría.

La supersimetría del tipo que se necesita no ha sido todavía detectada entre las partículas reales de la naturaleza, y tampoco otras predicciones de la teoría han podido contrastarse con el experimento. Estas no son por sí solas razones para desechar la teoría; la supersimetría también está predicha por otros argumentos, y el dominio de la física donde la teoría debería aplicarse directamente, el denominado dominio de Planck, está tan alejado de lo que se puede observar en circunstancias controladas que uno realmente debería admirar estas ideas profundas y estimulantes antes que tratar de ridiculizarlas, como a veces se ve hacer a otros físicos.

Sin embargo, cuando oigo decir a Lenny que «esta teoría va a ganar, y los físicos que están tratando de negar lo que está pasando van a perder», mi opinión es que está yendo demasiado lejos. Tengo varias razones para aconsejar a mis amigos que practiquen prudencia, modestia y moderación cuando aireen su sospecha de que esta teoría «es» la teoría definitiva y completa del universo. Si esta teoría ciertamente permite 10⁵⁰⁰ soluciones diferentes —algunos dicen que son 101.000 soluciones, nadie parece saberlo realmente— de entre las cuales de alguna manera tenemos que elegir, entonces esto debe ser visto como un enorme retroceso. Hace menos de una década aún esperábamos que pudiera utilizarse un argumento de estabilidad para seleccionar la única solución «correcta»; al parecer, esta esperanza ha sido abandonada. Ahora se está invocando el «principio antrópico», que en realidad significa: ensaya todas estas soluciones hasta que encuentres un universo que se parezca al mundo en el que vivimos. No es de esta forma como nos ha funcionado la física en el pasado, y no es demasiado tarde para esperar que seamos capaces de encontrar mejores argumentos en el futuro.

Además de la anterior, hay objeciones aún más graves contra la «teoría de supercuerdas». Ya se ha reconocido ahora que la propia teoría de supercuerdas solo describe un pequeño rincón de nuestro mundo, el rincón en donde estas cuerdas solo interaccionan débilmente, porque en cuanto interaccionan fuertemente nadie puede seguir las ecuaciones, y mucho menos resolverlas. En el pasado, cada vez que me quejaba de esto mi voz apenas se escuchaba, pero ahora todos los teóricos de cuerdas dicen: «¡Oh!, sí, pero entonces la teoría puede ser reformulada en términos de otra teoría que está relacionada con la versión anterior por lo que se llama “dualidad”». Y luego, por conveniencia, se olvida que también esta nueva teoría, denominada «teoría M», solo existe en unos pocos rincones diminutos del mundo. ¿Cómo vamos a formular y entender el panorama completo? ¿Se puede obtener una imagen completa siguiendo estas líneas? Los teóricos de cuerdas están tan seguros de sus expectativas que estas preguntas son generalmente ignoradas.

Esto se debe a que los esquemas de dualidad que se han descubierto son muy sugerentes. De hecho, las ecuaciones matemáticas muestran repetidamente un magnífico grado de perfección. Pero ¿qué significa todo esto realmente? Los teóricos de cuerdas dicen: «esto solo puede significar que nuestras teorías son ciertas, que este es el esquema utilizado por Dios para crear el universo».

Es difícil discutir con eso, pues tales argumentos tienen algunas connotaciones religiosas. Mi propia «religión» me dice que las teorías de este tipo nunca pueden ser más que aproximaciones. Tal vez las aproximaciones contienen algo de verdad, pero las leyes últimas de la naturaleza deben contener una relación concisa, fundamental y simple, entre «causa y efecto», entre pasado y futuro, entre cerca y lejos. Estos principios no se podrían incorporar en cualquier formulación de la «teoría M» que se pudiera dar, porque los argumentos de dualidad que se están utilizando no se refieren a las ecuaciones locales, sino más bien a sus propiedades de simetría. Esto debería ser reconocido como una debilidad de la teoría. Tomemos las presuntuosas afirmaciones concernientes a los agujeros negros; la imagen resultante no deja rastro de localidad o de causalidad en las leyes que controlan estos misteriosos objetos. Sin embargo, esto es lo que yo estoy esperando. Por desgracia, esta demanda tan simple es demasiado pedir a lo que ahora se llama teoría de supercuerdas o teoría M, y puesto que yo no veo ningún progreso en este sentido trato las afirmaciones con prudencia y moderación.

Leonard Susskind

Gerard aconseja prudencia y moderación. Eso es difícil de discutir. Yo me considero un físico prudente, más bien conservador. Realmente no me gustan las ideas nuevas. Pero también encontramos sabiduría en una cita de Sherlock Holmes: «Cuando se ha eliminado todo lo que es imposible, lo que queda debe ser la verdad, por improbable que sea». Un par de veces he llegado al punto en que me sentí obligado a una idea muy poco convencional porque no podía ver ninguna manera de escapar de ella. Un caso que me viene a la mente en particular es el «principio holográfico». Esta era una idea loca, pero me imagino que Gerard pensaba lo mismo que yo: todas las alternativas convencionales llevaban a paradojas o contradicciones. Eso es exactamente lo que pienso acerca de la constante cosmológica.

Durante cuarenta años he visto cómo la gente intentaba un esquema tras otro para explicar la ausencia de la energía del vacío, pero todos fracasaron. También he visto a los teóricos de cuerdas fracasar una y otra vez tratando de encontrar un principio de «selección de vacío» que escogería una versión particular de la teoría. Sumando a esto el hecho de que los astrónomos encuentran que la constante cosmológica es distinta de cero, pero lo suficientemente pequeña para que se formen galaxias, yo personalmente pienso que hemos llegado a un punto en donde «lo que queda debe ser la verdad, por improbable que sea». Esto es lo que sabemos:

Probablemente la constante cosmológica no es cero pero cae en el estrecho rango de valores que permite que se formen galaxias, estrellas y planetas. Esto tiene una prueba empírica.

Hay una creciente evidencia empírica que confirma la teoría inflacionaria de la cosmología. De ello se sigue que el universo es mucho mayor que lo que podemos observar.

Las teorías de inflación tienden a producir dominios del espacio con propiedades del vacío variables, tales como la energía del vacío (constante cosmológica). Esto se acompaña de estudios teóricos.

La teoría de cuerdas tiene un número muy grande de soluciones de vacío. Algunas son supersimétricas, pero estas no soportan la química ordinaria. Además parece que hay un número enorme de vacíos no supersimétricos con constante cosmológica no nula. Como dice Gerard, los números pueden ser tan grandes como 10 elevado a la potencia 500 o más grande. La prueba de esto es matemática pero no rigurosa.

Gerard no puede encontrar un patrón aquí pero yo sí. Es una cuestión de gusto y de juicio.

Mis comentarios sobre la «teoría ganadora» y «los teóricos que niegan» estaba dirigido principalmente a los teóricos de cuerdas que quieren eludir los hechos. Su propia teoría apunta en una dirección muy diferente de la que esperaban. Yo no pensaba en personas como ‘t Hooft, que siguen siendo escépticos respecto a la teoría de cuerdas. Sin embargo, hago una excepción con su afirmación de que «la imagen resultante no deja rastro de localidad o de causalidad en las leyes que controlan estos objetos misteriosos». Aquí solo puedo decir que creo que Gerard está equivocado.

Para terminar, preguntaría a Gerard: «¿Tienes una idea mejor?».

Quiero añadir un comentario técnico a la respuesta anterior. En su mensaje Gerard dice que «las leyes últimas de la naturaleza deben contener una relación concisa, fundamental y simple, entre “causa y efecto”, entre pasado y futuro, entre cerca y lejos. Estos principios no se podrían incorporar en cualquier formulación de la “teoría M” que se pudiera dar». Estoy totalmente de acuerdo con la primera frase entrecomillada. No estoy de acuerdo con la segunda. La formulación actual de la teoría M (no compactificada) se llama teoría M(atrix). Es una teoría mecano-cuántica convencional con un hamiltoniano y una ecuación de Schrödinger. Las relaciones entre pasado y futuro, causa y efecto, son exactamente las mismas que en cualquier otro sistema mecáno-cuántico. Aunque ciertamente estoy de acuerdo en que faltan muchas cosas, pienso que es mucho decir «la imagen resultante no deja rastro de localidad o de causalidad».

Maria Spiropulu

Física, CERN.

No conozco otra manera de entender el principio antrópico que no sea la manera «simplista». ¿Alguien tiene una definición científica precisa de este principio y cómo se aplica?

En la física que he aprendido había muchos ejemplos en donde las matemáticas daban infinitas soluciones degeneradas a un problema determinado (por ejemplo, problemas en la mecánica clásica). Allí el problema era siempre un error en las hipótesis físicas. El infinito es matemático, no físico, por lo que yo sé.

Esa es la diferencia entre matemáticas y física. En matemáticas uno tiene la ecuación y busca la solución; la solución puede ser un conjunto de soluciones, infinitas soluciones. En la física uno parte de la respuesta (el mundo real, escala por escala, como lo aprendí de Polchinski) y busca la ecuación. Hay medidas (hay muchas medidas, muchos experimentos, que dan como resultado un valor aritmético de esto o aquello), y uno busca la ecuación. Si la ecuación da sinsentidos, entonces no es la medida la que es incorrecta, sino la ecuación.

En otras palabras, uno no debería confiar en deducir la unicidad del universo partiendo de un conjunto infinito de soluciones de una bella ecuación. Uno debería partir del universo, que es el universo que medimos, y tratar de encontrar una teoría que lo describa.

No entiendo los comentarios antrópicos como que la distancia Sol-Tierra es la adecuada para permitir la química apropiada para que haya seres humanos. Por supuesto que lo es. Pero antes de que la química estuviera ahí, la distancia era la misma. Es más interesante investigar las reacciones termonucleares en el Sol, descubrir algo acerca de los neutrinos, entender el calentamiento radiactivo del núcleo de la Tierra, estudiar la atmósfera de la Tierra y, en general, encontrar la razón por la que la temperatura y la química son las que son; y no para que nosotros estemos aquí sino para que los fenómenos sean los que son. Encuentro bastante absurdo creer que si no estuviéramos aquí la distancia Sol-Tierra sería diferente y el universo estaría al revés.

El pensamiento antrópico en general me parece decadente intelectualmente. Obviamente toma enunciados positivos verdaderos y luego los niega para hacer un argumento condicional negativo, que entonces se considera profundo o científico.

El argumento de «El entorno tiene que ser adecuado para que nosotros existamos» es obviamente correcto. Pero desde un punto de vista científico encuentro que es un enunciado redundante. Por supuesto que yo no puedo estar en un ambiente en el que no pueda sobrevivir y estudiar ese ambiente en general. Pero puedo estudiar el ambiente en el que vivo y esto es lo que hago. La visión del funcionamiento del cosmos centrada en la vida me parece demasiado mística para poder tratarla científicamente.

8.

Una teoría de la rugosidad

Benoit Mandelbrot

Catedrático Sterling de Ciencias Matemáticas en la Universidad de Yale, IBM Fellow Emeritus (Física) en IBM, y autor de The

Fractalist: Memoir of a Scientific Maverick.

Se dice que todo buen trabajo necesita la persona adecuada en el lugar adecuado en el momento adecuado. Sin embargo, durante gran parte de mi vida no hubo ningún lugar donde las cosas que yo quería investigar interesaran a nadie. Así que pasé gran parte de mi vida como un extraño, cambiando de un campo a otro, y viceversa, según las circunstancias. Ahora que tengo casi 80 años y escribo mis memorias, echo la vista atrás con nostalgia y me doy cuenta de que en muchas ocasiones yo estaba 10, 20, 40, incluso 50 años «por delante de mi tiempo». Los temas sobre los que hice mi doctorado no han estado de moda hasta hace unos años, pero hoy en día son muy populares.

Mi ambición no era crear un campo nuevo, pero yo hubiera dado la bienvenida a un grupo permanente de personas con intereses cercanos a los míos y que, por lo tanto, rompiera la desastrosa tendencia hacia campos cada vez más definidos. Por desgracia, he fracasado en este punto esencial, y de mala manera. El orden no viene por sí solo. En mi juventud fui estudiante en Caltech en los años en que la biología molecular estaba siendo creada por Max Delbrück, así que vi lo que significa crear un campo nuevo. Pero mi trabajo no dio lugar a nada de eso. Una razón es mi carácter: yo no busco el poder ni me muevo mucho. Una segunda razón es las circunstancias: yo estaba en un laboratorio industrial porque el mundo académico no me encontraba idóneo. Además, crear vínculos estrechos entre actividades que de otro modo están muy separadas podría haber estado más allá de la capacidad de una sola persona.

Esta cuestión es importante para mí ahora, en términos de legado. Permítanme extenderme. Cuando cumplí los setenta años, un antiguo investigador posdoctoral organizó una reunión festiva en Curaçao. Fue excelente debido a la participación de amigos matemáticos, amigos físicos, amigos ingenieros, amigos economistas y muchos otros. Geográficamente Curaçao está bastante apartado, y por ello no todo el mundo pudo acudir, pero todos los campos estuvieron representados. Varias reuniones similares se han organizado desde el año 1982. Sin embargo, mi disfrute en Curaçao se vio algo empañado por una sensación muy fuerte de que esta iba a ser la última reunión común. Mis esfuerzos durante años habían tenido éxito en la medida, por poner un ejemplo, en que los fractales han hecho que muchos matemáticos aprendan mucho sobre física, biología y economía. Por desgracia, la mayoría estaba empezando a pensar que ya había aprendido lo suficiente para el resto de su vida. Siguieron siendo matemáticos; habían cambiado al considerar los nuevos problemas que yo planteé, pero fundamentalmente siguieron su propio camino.

Hoy en día, las diversas actividades reunidas en Curaçao están de nuevo muy separadas. Sigue habiendo notables excepciones, a las que volveré en un instante. Sin embargo, cuando me acercaba a los ochenta no se pensó en ninguna reunión como la de Curaçao. En su lugar, el evento se está celebrando en más de media docena de encuentros especializados en diversos lugares. El más novedoso y más estimulante se limitará a aplicaciones muy prácticas de los fractales, cuestiones relativas a los plásticos, hormigón, Internet y similares.

Durante muchos años había estado escuchando el comentario de que los fractales forman bellas imágenes, pero son prácticamente inútiles. Yo me irritaba porque las aplicaciones importantes siempre necesitan algún tiempo para manifestarse. En el caso de los fractales resultó que no tuvimos que esperar mucho tiempo. En la ciencia pura las modas van y vienen. Influir en la industria de gran presupuesto lleva más tiempo, pero también es más duradero.

Para volver a los fractales y explicar cómo han influido en las matemáticas puras, permítanme decir que estoy a punto de pasar varias semanas en el Instituto Mittag-Leffler en la Academia Sueca de Ciencias. Solo 25 años atrás yo no tenía motivos para poner un pie allí, excepto para visitar su espectacular biblioteca. Pero, como se vio después, mi trabajo ha inspirado tres programas aparentemente distintos en este instituto.

La primera reunión tuvo lugar en la década de 1980 cuando el Conjunto de Mandelbrot fue tema de todo un año de discusión. Quizá no sea ampliamente apreciado que el descubrimiento de ese conjunto había consistido en capacitar de nuevo a los ojos, en inspeccionar las imágenes más allá del mero recuento y en establecer sobre esta base una serie de observaciones y conjeturas sobre las que llamé la atención de los matemáticos. Una de mis conjeturas se resolvió en seis meses, una segunda en cinco años, una tercera en diez. Sin embargo, la conjetura básica, pese a heroicos esfuerzos recompensados por dos medallas Fields, sigue siendo una conjetura, que ahora se llama CTM: el Conjunto de Mandelbrot es localmente conexo. La idea de que se podía haber llegado a estas conjeturas por el pensamiento puro —sin imágenes— es simplemente inconcebible.

El siguiente año Mittag-Leffler que yo inspiré fue hace seis años y se centró en mi conjetura «4/3» sobre el movimiento browniano. Su descubrimiento es característico de mi estilo de investigación y mi legado, y por ello merece ser contado de nuevo.

Los científicos han conocido durante siglos el movimiento browniano, y el modelo matemático proporcionado por Norbert Wiener es un pilar maravilloso en el centro mismo de la teoría de la probabilidad. Inicialmente los científicos habían creado imágenes del movimiento browniano en la naturaleza y en el modelo de Wiener. Pero esta área evolucionó como muchas otras en las matemáticas y perdió todo contacto con el mundo real.

Mi actitud ha sido totalmente diferente. Yo siempre vi un estrecho parentesco entre las necesidades de las matemáticas «puras» y cierto héroe de la mitología griega, Anteo. El hijo de la Tierra tenía que tocar el suelo de vez en cuando con el fin de restablecer el contacto con su madre; de lo contrario, su fuerza se desvanecería. Para estrangularlo, Hércules simplemente lo levantó del suelo. Volvamos a las matemáticas. La separación completa del mundo real podría ser inocua durante largos períodos, pero no para siempre. En particular, el estudio matemático del movimiento browniano merecía un contacto fresco con la realidad.

Buscando un contacto de este tipo, hice que mi programador dibujara una muestra muy amplia del movimiento y procediera a jugar con ella. Yo no estaba tratando de implementar ninguna idea preconcebida; simplemente trataba de «pescar» cosas nuevas. Durante mucho tiempo, nada nuevo ocurrió. Entonces concebí una idea que era más estética que científica. Llegó a preocuparme el hecho de que cuando se ha dibujado un movimiento browniano desde el instante 0 al instante 1 las dos partes extremas y su parte media siguen reglas diferentes. Es decir, el todo no es homogéneo, presenta una cierta falta de simetría interna, un déficit de belleza.

Esto activó el prejuicio filosófico por el cual cuando uno busca una propiedad indeterminada y oculta no quiere que interfiera una complejidad innecesaria. Para obtener homogeneidad decidí hacer que el movimiento terminara donde había comenzado. El movimiento resultante, que se muerde la cola, creaba una nueva forma característica que yo llamé cluster browniano. A continuación, la misma consideración puramente estética llevó a un procesamiento posterior. El deseo continuado de eliminar la complejidad superflua me hizo combinar todos los puntos que no pueden alcanzarse desde el infinito sin cruzar el cluster browniano. Pintarlos de negro bastaba, una vez más, para crear algo completamente nuevo, que se asemejaba a una isla. Al instante se hizo evidente que su frontera merecía ser investigada. También al instante, mi larga experiencia anterior con las costas de islas reales en la Tierra me vino muy bien y me hizo sospechar que la frontera del movimiento browniano tiene una dimensión fractal igual a 4/3. La dimensión fractal es un concepto que solía pertenecer a una bien oculta matemática esotérica. Pero en las décadas anteriores yo lo había domesticado para convertirlo en una medida cualitativa intrínseca de la rugosidad.

Una medida empírica daba 1,3336 y sobre esta base mi libro de 1982, La geometría fractal de la naturaleza, conjeturaba que el valor 4/3 es exacto. Matemáticos amigos me reprendieron: si se lo hubiera dicho antes de publicarlo, podrían haber proporcionado rápidamente una demostración rigurosa de mi conjetura. Se pasaron de optimistas y la demostración se mostró extraordinariamente evasiva. Un colega proporcionó una aproximación numérica que ajustaba con 4/3 hasta 15 cifras decimales, pero una prueba real necesitó 18 años y la unión de las contribuciones de tres científicos muy diferentes. Causó una enorme sensación en el año 2000. No solo la difícil demostración creó su propio subcampo muy activo de las matemáticas, sino que afectó a otros subcampos muy alejados al establecer de forma automática la solución de muchas conjeturas aparentemente no relacionadas. Me alegré mucho cuando un artículo en la revista Science informó de que durante una gran presentación de los resultados se había comentado que esto era lo más excitante que había ocurrido en la teoría de la probabilidad en veinte años. Cosas sorprendentes comenzaron a suceder y el Instituto Mittag-Leffler organizó todo un curso anual para discutir qué se iba a hacer a continuación.

Hoy en día, visto en retrospectiva, la frontera del movimiento browniano podría ser catalogada como un concepto «natural». Pero ayer este concepto no se le había ocurrido a nadie. E incluso si se hubiera llegado al mismo por el puro pensamiento, ¿cómo podría alguien haber llegado a la dimensión 4/3? Para llevar este tema a la vida era necesario que los Anteo de las matemáticas se vieran obligados a tocar a su Madre Tierra, aunque solo fuera por un momento fugaz.

Dentro de la comunidad matemática, las conjeturas MLC y 4/3 tuvieron un profundo efecto, recientemente atestiguado cuando el consejo de investigación francés, el CNRS, se expresó de la siguiente manera: «Las matemáticas operan de dos maneras complementarias En la “visual” el significado de un teorema se percibe instantáneamente en una figura geométrica. La “escrita” se apoya en el lenguaje, en el álgebra; opera en el tiempo. Hermann Weyl escribió que “el ángel de la geometría y el demonio del álgebra comparten el escenario, lo que ilustra las dificultades de ambos”».

Yo, que me despedí de la matemática francesa a los 20 años a causa de su desprecio de las imágenes, no podría haberlo descrito mejor. Es estupendo estar vivo cuando estas palabras vienen de esa pluma. Pero no hay que olvidar que para las generaciones entre Hermann Weyl (1885-1955) y hoy en día —las generaciones de mis años medios— el ambiente había sido totalmente diferente.

Volvamos a la dimensión del cluster. En IBM, donde yo estaba trabajando en ese momento, mis amigos pasaron del cluster browniano a otros clusters. Comenzaron con el cluster de percolación crítica, que es una famosa estructura matemática de gran interés en la física estadística. Para ello, una complicación intrínseca es que la frontera puede definirse de dos maneras distintas, lo que da 4/3, una vez más, y 7/4. Ambos valores se obtuvieron primero numéricamente, pero ahora se han demostrado teóricamente, no por argumentos aislados que no sirven para ningún otro propósito sino de una manera que se ha resultado muy útil en otros lugares. A medida que esto ha continuado, una enorme gama de formas geométricas, hasta ahora discutidas física pero no rigurosamente, se han hecho atractivas en las matemáticas puras, y las demostraciones resultaron ser muy difíciles y muy interesantes.

La tercera reunión que inspiró mi obra en el Instituto MittagLeffler, de la Academia Sueca, tendrá lugar este año. Estará principalmente dedicada a un tema que ya he mencionado, las matemáticas de Internet.

Quizá le haya ocurrido a usted, o quizá no, pero una proporción no despreciable de correos electrónicos se pierde. Múltiples mensajes idénticos son una plaga, pero el remitente está jugando sobre seguro por la sencilla razón de que en la ingeniería todo es finito. Los mensajes se reúnen, se separan y se reordenan de una manera muy complicada. Aunque las memorias de computador ya no son caras, siempre hay un buffer de tamaño finito en algún lugar. Cuando llega un gran bloque de noticias, todo el mundo envía un mensaje a todos los demás y el buffer se llena. Si es así, ¿qué pasa con los mensajes? Se han ido, como flujo en el río.

En un principio los expertos pensaron que podían utilizar una vieja teoría que había sido desarrollada en la década de 1920 para las redes telefónicas. Pero a medida que se expandía Internet, se encontró que este modelo no funcionaba. A continuación ensayaron uno de mis inventos desde mediados de la década de 1960, y tampoco funcionó. Luego probaron con multifractales, una construcción matemática que yo había introducido a finales de los sesenta y entrados los setenta. Los multifractales son el tipo de concepto que podría haber sido creado por los matemáticos por el placer de hacer matemáticas, pero en realidad tuvo su origen en mi estudio de la turbulencia e inmediatamente lo extendí a las finanzas. Para probar los nuevos equipos de Internet se examina su actuación bajo variabilidad multifractal. Por lo que entiendo, este sigue siendo un negocio bastante importante.

¿Cómo puede ser que la misma técnica se aplica a Internet, al clima y al mercado de valores? ¿Por qué, sin tratarlo en particular, estoy tocando tantos aspectos diferentes de muchas cosas diferentes?

Un giro reciente e importante en mi vida ocurrió cuando me di cuenta de que algo que llevaba largo tiempo afirmando en notas a pie de página se debería poner en el frontispicio. Sin darme cuenta me he comprometido en emprender una teoría de la rugosidad. Pensemos en el color, el tono, la pesadez y la sensación de calor. Cada uno es tema de una rama de la física. La química está llena de ácidos, azúcares y alcoholes, y todos son conceptos derivados de las percepciones sensoriales. La rugosidad es tan importante como todas esas sensaciones básicas, pero no fue estudiada por sí misma.

En 1982, un metalúrgico se me acercó, con la impresión de que la dimensión fractal podría ofrecer por fin una medida de la rugosidad de cosas tales como las fracturas en los metales. Los experimentos confirmaron esta corazonada, y escribimos un artículo para Nature en 1984. Tuvo un gran seguimiento, y de hecho creó un campo relacionado con la medida de la rugosidad. Recientemente he trasladado el contenido de ese artículo a la página 1 de cada descripción del trabajo de mi vida.

Estas descripciones han cambiado varias veces, porque yo no fui particularmente precoz, pero soy longevo y sigo evolucionando incluso hoy. Por encima de muchas consideraciones especiales, veo el cuerpo de mi trabajo como si estuviera dirigido hacia un solo objetivo primordial: desarrollar un análisis riguroso de la rugosidad. Al final, este tema ha dado cohesión poderosa a mi vida. Anteriormente, desde mi tesis doctoral en 1952, la cohesión había sido mucho más débil. Estaba basada en la escala, es decir, en el papel central asumido por las denominadas relaciones en ley de potencias.

Para bien o para mal, ninguno de mis conocidos tiene o ha tenido una historia similar que contar. Todo el mundo que he conocido ha sido siempre consciente de trabajar en un campo ya existente o en uno establecido de forma consciente. Como ejemplo notable, Max Delbrück fue primero un físico, y luego se convirtió en el fundador de la biología molecular, un campo que él siempre entendió como una ampliación del campo de la biología. Por el contrario, mi destino ha sido que lo que yo emprendía solo era plenamente entendido mucho después, muy tarde en mi vida.

Para apreciar la naturaleza de los fractales, recordemos el espléndido manifiesto de Galileo según el cual «La filosofía está escrita en el lenguaje de las matemáticas y sus caracteres son triángulos, círculos y otras figuras geométricas, sin las cuales uno vaga en un oscuro laberinto». Obsérvese que círculos, elipses y parábolas son formas muy suaves y que un triángulo tiene un pequeño número de puntos de irregularidad. Galileo tenía toda la razón para afirmar que en la ciencia esas formas son necesarias. Sin embargo, han resultado no ser suficientes, «simplemente» porque la mayor parte del mundo es de una rugosidad y una complejidad infinitamente grandes. Sin embargo, el mar infinito de la complejidad incluye dos islas: una de simplicidad euclidiana, y también una segunda de simplicidad relativa en la que la rugosidad está presente, pero es la misma en todas las escalas.

El ejemplo estándar es la coliflor. Una mirada muestra que está hecha de pequeños cogollos. Un único cogollo, examinado después de cortar todo lo demás, se parece a una coliflor pequeña. Si usted despoja ese cogollo de todo excepto un «cogollo de un cogollo» —muy pronto tendrá que sacar la lupa— vuelve a parecer una coliflor. Una coliflor muestra cómo un objeto puede estar hecho de muchas partes, cada una de las cuales es como el total, pero más pequeña. Muchas plantas son así. Una nube está hecha de ondas sobre ondas sobre ondas que se asemejan a las nubes. A medida que uno se acerca a una nube no obtiene algo suave sino irregularidades en una escala más pequeña.

Las formas suaves son muy raras en la naturaleza, pero muy importantes en la torre de marfil y en la fábrica y, además, eran mi amor cuando yo era joven. Las coliflores ejemplifican una segunda área de gran sencillez, la de las formas que parecen más o menos iguales cuando se miran de cerca o de lejos, cuando hacemos un zoom de acercamiento o de retroceso.

Antes de mi trabajo, esas formas no tenían ningún uso, por lo que no se necesitaba ninguna palabra para designarlas. Mi trabajo creó esa necesidad y yo acuñé el término «fractales». Yo había estudiado latín cuando era joven y estaba tratando de transmitir la idea de una piedra rota, algo irregular y fragmentado. El latín es una lengua muy concreta, y el diccionario de latín de mi hijo confirmó que una piedra que era golpeada y se hacía irregular y quebrada, se describe en latín por el adjetivo fractus. Este adjetivo me hizo acuñar la palabra fractal, que ahora está en todos los diccionarios y enciclopedias. Denota formas que parecen iguales de cerca y de lejos.

¿Estoy afirmando que todo lo que no es suave es fractal? ¿Que los fractales son suficientes para resolver todos los problemas de la ciencia? No, en absoluto. Lo que estoy afirmando con fuerza es que cuando se encuentra que una cosa real no es suave el siguiente modelo matemático para ensayar es fractal o multifractal. Un fenómeno complicado no tiene por qué ser fractal, pero encontrar que un fenómeno «ni siquiera es fractal» es una mala noticia, porque nadie hasta ahora ha invertido un esfuerzo que se aproxime al mío para identificar y crear nuevas técnicas válidas más allá de los fractales. Dado que la rugosidad está en todas partes, los fractales —a pesar de que no se aplican a todo— están presentes en todas partes. Y muy a menudo las mismas técnicas se aplican en áreas que, en todos los demás aspectos salvo en la estructura geométrica, son independientes.

Para dar un ejemplo, permítanme volver al mercado de valores y al tiempo meteorológico. Es casi un lugar común compararlos y hablar de tormentas y huracanes en Wall Street. Durante un tiempo el mercado está casi plano y no pasa casi nada. Pero de vez en cuando se desencadena una tormenta pequeña, o un huracán. Estas son palabras que las personas prácticas utilizan muy libremente, pero quizá se han visto como metáforas ociosas. Sin embargo, resulta que las técnicas que he desarrollado para el estudio de la turbulencia —como el tiempo meteorológico— se aplican también al mercado de valores. Propiedades cualitativas como el comportamiento general de los precios, y también muchas propiedades cuantitativas, se pueden obtener mediante el uso de fractales o multifractales a un costo extraordinariamente pequeño en hipótesis.

Esto no quiere decir que el tiempo meteorológico y los mercados financieros tengan causas idénticas; en absoluto. Cuando el tiempo cambia y los huracanes golpean, nadie cree que las leyes de la física hayan cambiado. Del mismo modo, no creo que cuando el mercado de valores entra en vaivenes terribles sus reglas hayan cambiado. Es el mismo mercado con los mismos mecanismos y las mismas personas.

Un buen efecto secundario de la idea de rugosidad es que disipa la sorpresa, la irritación y la incomodidad sobre la posibilidad de aplicar la geometría fractal de una forma tan amplia.

El hecho de que no van a faltar problemas en el corto plazo es reconfortante. A modo de antecedentes, una rama de la física en la que yo estuve trabajando muchos años se ha hecho últimamente mucho menos activa. Muchos de los problemas se han resuelto y otros son tan difíciles que nadie sabe qué hacer con ellos. Esto significa que yo hago mucha menos física hoy que hace 15 años. Por el contrario, las herramientas fractales tienen mucho que hacer. Hay una broma que dice que el martillo siempre encontrará clavos para golpear. Lo encuentro perfectamente aceptable. El martillo que manejo es la primera herramienta efectiva para todo tipo de rugosidad y nadie va a negar que al final hay cierta rugosidad en todas partes.

Yo no planeé y no planeo ninguna teoría general de la rugosidad, porque prefiero trabajar de abajo arriba y no de arriba abajo. Pero los problemas están ahí. Como ya he dicho, yo no intentaba crear un campo. Pero ahora, mucho después de los hechos, disfruto con esta gran unidad y la destaco en todas las publicaciones recientes.

El llevar las cosas al extremo ha tenido otro sorprendente desarrollo, que podría haberse descrito como algo reciente, pero no lo es. Mi libro La geometría fractal de la naturaleza reproducía el grabado de Hokusai de La gran ola, la famosa foto con el monte Fuji al fondo, y también mencionaba otros ejemplos no reconocidos de fractalidad en el arte y la ingeniería. Al principio yo los veía como algo divertido pero no esencial. Pero cambié de opinión a medida que innumerables lectores me hicieron darme cuenta de algo extraño. Me hicieron mirar alrededor y reconocer los fractales en las obras de artistas desde tiempos inmemoriales. Ahora colecciono esas obras. Hay mucha arrogancia en cualquier pretensión de haber sido el primero en «inventar» algo. Es una arrogancia con la que algunos disfrutan y otros no. Ahora voy más allá de la arrogancia, cuando afirmo que los fractales se habían imaginado siempre, pero su verdadero papel permanecía sin ser reconocido y aguardaba a que lo descubriera.

9.

Monos cuánticos

Seth Lloyd

Profesor de Ingeniería Mecano-Cuántica, MIT, y autor de

Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos.

No es ningún secreto que estamos en medio de una revolución en el procesamiento de la información. Los métodos electrónicos y ópticos de almacenamiento, procesamiento y comunicación de la información han avanzado de forma exponencial en el último medio siglo. En el caso de la potencia de computación este rápido avance se conoce como ley de Moore. En la década de 1960, Gordon Moore, expresidente de Intel, señaló que el tamaño de los componentes de los computadores se estaba reduciendo a la mitad cada uno o dos años y, como consecuencia, la potencia de los computadores se estaba duplicando a la misma velocidad. La ley de Moore ha seguido siendo válida hasta nuestros días. Como resultado, estas máquinas que hacemos, estos artefactos de hechura humana, están a punto de hacerse más poderosos que los propios seres humanos en términos de poder de procesamiento de información bruta. Si consideramos los sucesos computacionales elementales que se producen en el cerebro o en el computador —cambios de bits, disparos de sinapsis— es probable que el computador supere al cerebro en términos de cambios de bits por segundo en las dos próximas décadas.

Pero eso no debería preocuparnos demasiado. Que los computadores se hagan más inteligentes que nosotros no es en realidad un problema de hardware; es más una cuestión de software. El software evoluciona mucho más lentamente que el hardware, y de hecho buena parte del software parece estar diseñado para convertir en chatarra las hermosas máquinas que construimos. La situación es similar a la explosión cámbrica, un rápido aumento en la potencia del hardware. La pregunta ¿quién es más inteligente, los seres humanos o los computadores? tendrá respuesta tal vez dentro de algunos millones de años; tal vez antes. Mi conjetura es que tendrán que pasar cientos o miles de años antes de que realmente consigamos software que razonablemente pueda considerarse útil y sofisticado. Pero muy pronto vamos a tener máquinas de computación que serán mucho más potentes.

Buena parte de lo que hago en mi vida diaria es trabajar en el mismo filo de esta revolución en el procesamiento de la información. Mucho de lo que les digo hoy proviene de mi experiencia en la construcción de computadoras cuánticas, computadoras donde los bits de información se almacenan en átomos individuales. Hace unos diez años di con el primer método para construir físicamente un computador en el que cada cuanto —cada átomo, cada electrón y cada fotón— dentro de un sistema almacena y procesa la información. Durante los últimos diez años he tenido la suerte de trabajar con algunos de los más grandes físicos experimentales e ingenieros mecánico-cuánticos del mundo para construir realmente estos dispositivos. Mucho de lo que voy a decirles hoy se basa en mis experiencias haciendo estos ordenadores cuánticos. Durante esta reunión, Craig Venter afirmó que todos los que estamos aquí somos tan teóricos que nunca hemos visto datos reales. Lo tomo personalmente, porque la mayor parte de lo que hago en el día a día es tratar de convencer a pequeños circuitos superconductores de que cedan sus secretos.

La revolución en el procesamiento de la información digital es solo la revolución más reciente, pero no es ni mucho menos la más grande. Por ejemplo, la invención de los tipos móviles y de la imprenta ha tenido hasta el momento un impacto mucho mayor en la sociedad humana que la revolución electrónica. Ha habido muchas revoluciones en el procesamiento de información. Una de mis favoritas es la invención de los llamados números arábigos (en realidad babilónicos), en particular el cero. Esta sorprendente invención, muy útil en términos de procesamiento y registro de información, tuvo su origen en los antiguos babilonios y luego se trasladó a la India. Llegó a nosotros a través de los árabes, y por ello lo llamamos sistema de numeración arábigo. La invención del cero nos permite escribir el número 10 como uno-cero. Este paso aparentemente minúsculo es en realidad una invención increíble que ha dado lugar a toda clase de matemáticas, incluyendo los bits —los «dígitos binarios»— de la revolución de la computación digital.

Otra revolución en el procesamiento de la información es la invención del lenguaje escrito. Difícilmente se puede discutir que el lenguaje escrito es una revolución de primera magnitud en el procesamiento de información. Otra de mis favoritas es la primera revolución sexual, es decir, el descubrimiento del sexo por un organismo vivo. Uno de los problemas de la vida es que si no hay sexo entonces el principal medio de evolución es a través de la mutación. Casi el 99,9 por 100 de las mutaciones son nocivas. Siendo de un departamento de ingeniería mecánica, yo diría que cuando se evoluciona solamente por mutación hay un conflicto de ingeniería: el mecanismo para la evolución resulta tener todo tipo de efectos negativos. En particular, los dos prerrequisitos para la vida —evolucionar, pero manteniendo la integridad del genoma— colisionan. Esto es lo que se llama un diseño acoplado, y eso es malo. Sin embargo, si uno tiene selección sexual, entonces puede combinar genes de genomas diferentes y tener un montón de variación, en principio, sin necesidad de tener una mutación. Por supuesto, uno sigue teniendo mutaciones, pero obtiene una gran cantidad de variaciones de forma gratuita.

Hace años escribí un artículo comparando el poder evolutivo de los seres humanos con el de las bacterias. El punto de comparación era el número de bits por segundo de nuevas combinaciones genéticas que generaba una población de seres humanos, comparado con el número generado por un cultivo de bacterias. Un cultivo de bacterias en una piscina de agua de mar tiene aproximadamente un billón de bacterias, que se reproducen una vez cada treinta minutos. Compárese esto con el poder genético de una pequeña ciudad de unos pocos miles de habitantes en Nueva Inglaterra —por ejemplo Peyton Place— que se reproducen cada treinta años. A pesar de la enorme diferencia en la población, Peyton Place puede generar tantas nuevas combinaciones genéticas como el cultivo de bacterias mil millones de veces más numeroso. Aquí suponemos que las bacterias están generando nuevas combinaciones solo por mutación, lo que por supuesto no es cierto, pero para nuestro objetivo no vamos a discutir que las bacterias tengan sexo. Durante el tiempo diario de televisión la recombinación sexual y la selección ocurren mucho más rápidamente, por supuesto.

La reproducción sexual es una gran revolución. Luego, por supuesto, está la abuela o el abuelo de todas las revoluciones en el procesamiento de información: la vida misma. El descubrimiento, como quiera que se produjera, de que esa información puede ser almacenada y procesada genéticamente, y que esto podría ser utilizado para codificar las funciones dentro de un organismo que se puede reproducir, es una revolución increíble. Sucedió hace entre cuatro y cinco mil millones de años en la Tierra, tal vez antes, si uno cree que la vida se desarrolló en otro lugar y luego fue transportada aquí. En cualquier caso, ya que el universo tiene solo 13.800 millones de años, ocurrió en algún momento en los últimos 13.800 millones de años.

Nos olvidamos de hablar sobre el cerebro humano (¿o debería decir «mi cerebro se olvidó de hablar sobre el cerebro»?). Hay muchas revoluciones en el procesamiento de información, y probablemente estoy dejando fuera muchos miles que ni siquiera conocemos pero que fueron tan importantes como las que hemos discutido.

Por seguir una táctica kuhniana, lo más importante que me gustaría señalar acerca de estas revoluciones en el procesamiento de información es que cada una de ellas surge de la tecnología de la anterior. El procesamiento electrónico de la información, por ejemplo, surge de la noción de la lengua escrita, de tener ceros y unos, de la idea de que se pueden hacer máquinas para copiar y transmitir información. Una imprenta no es tan útil sin lenguaje escrito. Sin el lenguaje hablado, no se daría con el lenguaje escrito. Es difícil hablar si uno no tiene un cerebro. ¿Y para que están los cerebros sino para ayudar a tener sexo? No se puede tener sexo sin vida. La música vino de la capacidad de producir sonido, y la capacidad de producir sonido evolucionó con el propósito de tener sexo. Se necesitan o bien cuerdas vocales para cantar o bien baquetas para golpear un tambor con ellas. Para producir sonido se necesita un objeto físico. Toda revolución en el procesamiento de información requiere sistemas vivos, sistemas electromecánicos o sistemas mecánicos. Para cada revolución en el procesamiento de la información existe una tecnología.

Muy bien, así que la vida es la más grande, la madre de todas las revoluciones en el procesamiento de información. Pero ¿qué revolución ocurrió que permitió que exista la vida? Yo diría que, en realidad, todas las revoluciones en el procesamiento de información tienen su origen en la naturaleza computacional intrínseca del universo. La primera revolución en el procesamiento de la información fue el Big Bang. Las revoluciones en el procesamiento de información nacen porque en algún nivel el universo está construido a partir de información. Está hecho de bits.

Por supuesto, el universo también está hecho de partículas elementales, de energía oscura desconocida, y de muchas otras cosas. No estoy defendiendo que olvidemos nuestra imagen normal del universo construido a partir de quarks, electrones y protones. Pero, de hecho, es conocido ya desde finales del siglo XIX que cada partícula elemental, cada fotón, cada electrón, registra un cierto número de bits de información. Cuando dos partículas elementales rebotan entre sí, esos bits cambian. El universo computa.

La idea de que el universo es en el fondo procesamiento de información suena como una idea radical. En realidad, es un viejo descubrimiento que se remonta a Maxwell, Boltzmann y Gibbs, los físicos que desarrollaron la mecánica estadística entre 1860 y 1900. Ellos demostraron que, en efecto, el universo es fundamentalmente información. Es cierto que ellos llamaron entropía a esta información, pero si examinamos sus descubrimientos científicos a través de la lente de la tecnología del siglo XX, lo que de hecho descubrieron fue que la entropía es el número de bits de información registrada por átomos. Así que es científicamente indiscutible que el universo es en el fondo procesamiento de información. Mi tesis es que esta capacidad intrínseca del universo para registrar y procesar la información es realmente la responsable de todas las revoluciones posteriores en el procesamiento de información.

¿Cómo pensamos en la información en estos días? La visión científica contemporánea de la información se basa en las teorías de Claude Shannon. Cuando Shannon dio con su fórmula fundamental para la información habló con el físico y erudito John von Neumann y le preguntó: «¿Cómo puedo llamarlo?» y von Neuman le dijo: «Lo llamarás H, porque así es como lo llamó Boltzmann», refiriéndose al famoso teorema H de Boltzmann. Los fundadores de la teoría de la información eran muy conscientes de que las fórmulas que estaban utilizando habían sido desarrolladas ya en el siglo XIX para describir los movimientos de los átomos. Cuando Shannon hablaba del número de bits en una señal que puede enviarse por un canal de comunicaciones estaba utilizando para describirlo las mismas fórmulas que utilizaban Maxwell y Boltzmann para describir la cantidad de información, o la entropía, requerida para describir las posiciones y momentos de un conjunto de partículas interactuantes en un gas.

¿Qué es un bit de información? Vayamos a la pregunta de qué es la información. Cuando usted compra un computador preguntará cuántos bits puede registrar su memoria. Un bit viene de una distinción entre dos posibilidades diferentes. En un computador un bit es un pequeño interruptor eléctrico que puede estar abierto o cerrado; o es un condensador que puede estar cargado, y se llama 1, o descargado, y se llama 0. Cualquier cosa que tiene dos estados distintos registra un bit de información. En el nivel de las partículas elementales un protón puede tener dos estados distintos: espín arriba o espín abajo. Cada protón registra un bit de información. De hecho, el protón registra un bit ya se quiera o no, o ya esta información se interprete o no. Registra un bit por el mero hecho de existir. Un protón posee dos estados diferentes y por eso registra un bit.

Aprovechamos la capacidad de procesamiento de información intrínseca de los átomos cuando construimos computadores cuánticos, porque muchos de nuestros computadores cuánticos consisten en conjuntos de protones que interactúan con sus vecinos, cada uno de los cuales almacena un bit. Cada protón estaría almacenando un bit de información ya le estemos pidiendo que cambie los bits o no. Del mismo modo, si tenemos un montón de átomos en movimiento, unos rebotan en otros. Tomemos dos átomos de helio en el globo de un niño. Los átomos se acercan, rebotan uno en otro, y luego se separan de nuevo. Maxwell y Boltzmann se dieron cuenta de que hay esencialmente una cadena de bits que se asocia a cada uno de estos átomos para describir su posición y su momento. Cuando los átomos rebotan uno en otro la cadena de bits cambia porque cambia el momento de los átomos. Cuando los átomos colisionan, sus bits cambian.

El número de bits registrados por cada átomo es bien conocido y ha sido cuantificado desde Maxwell y Boltzmann. Cada partícula —por ejemplo, cada una de las moléculas en esta habitación— registra algo del orden de 30 o 40 bits de información cuando rebota. Esta propiedad del universo —que registra y procesa información en su nivel más fundamental— es científicamente indiscutible, en el sentido de que se conoce desde hace 120 años y es el dogma aceptado en la física.

El universo computa. Mi tesis es que esta capacidad de procesamiento de información intrínseca del universo es responsable del resto de las revoluciones en el procesamiento de información que vemos a nuestro alrededor, desde la vida hasta los computadores electrónicos. Déjenme repetirlo: es un hecho científico que el universo es un gran computador. Dicho de forma más técnica, el universo es un gigantesco procesador de información que es capaz de computación universal. Esa es la definición de un computador.

Si estuviera aquí Marvin Minsky diría: «Ed Fredkin y Konrad Zuse afirmaron ya en los años sesenta que el universo era un computador, un autómata celular gigante». Konrad Zuse fue el primero en construir un computador digital electrónico alrededor de 1940. A él y a Ed Fredkin en el MIT se les ocurrió esta idea de que el universo podría ser un gigantesco tipo de computador llamado autómata celular. Es una idea que desde entonces ha sido desarrollada por Stephen Wolfram. La idea de que el universo es una especie de computador digital también es, de hecho, una vieja tesis.

Así pues, mi tesis de que el universo computa es vieja y se remonta al menos medio siglo atrás. Esta tesis podría en realidad sustanciarse desde una perspectiva científica. Se podría probar, examinando las leyes básicas de la física, que el universo es o no es un computador, y si lo es, qué tipo de computador. Tenemos buena evidencia experimental de que las leyes de la física apoyan la computación. Yo tengo un computador y ese computador obedece las leyes de la física, cualquiera que sean esas leyes. Sabemos que el universo apoya la computación, al menos en una escala macroscópica. Mi tesis es que el universo apoya la computación en su escala más minúscula. Sabemos que el universo procesa información en este nivel, y sabemos que en el nivel más grande es capaz de hacer computaciones universales y crear cosas como los seres humanos. La tesis de que el universo es en el fondo un computador es en realidad una vieja idea. El trabajo de Maxwell, Boltzmann y Gibbs estableció el marco básico de computación hace ya más de un siglo. Pero por alguna razón, las consecuencias de la naturaleza computacional del universo aún no se han explorado de manera sistemática. ¿Qué significa para nosotros que el universo computa? Esta pregunta es digna de investigación científica. La mayor parte de mi trabajo investiga las consecuencias científicas del universo computacional.

Una de las consecuencias principales de la naturaleza computacional del universo es que la complejidad que vemos a nuestro alrededor surge de manera natural, sin intervención externa. En efecto, si el universo computa, necesariamente deben surgir sistemas complejos como la vida. Así que describir el universo en términos de cómo procesa la información, en lugar de describirlo únicamente en términos de interacciones entre partículas elementales, no es un ejercicio vacío. Por el contrario, la naturaleza computacional del universo tiene consecuencias espectaculares.

Seamos más explícitos acerca de por qué algo que es capaz de computación, como el universo, necesariamente debe generar de forma espontánea el tipo de complejidad que nos rodea. Hay un famoso relato, «Lógica inflexible», de Russell Maloney, que apareció en The New Yorker en 1940, en el que un diletante adinerado oye que si uno tuviera suficientes monos tecleando en una máquina de escribir, entonces acabarían tecleando las obras de Shakespeare. Puesto que él tiene mucho dinero reúne un grupo de monos y un entrenador profesional, y los pone a escribir. En una fiesta tiene una discusión con un matemático de Yale, quien dice que esto es realmente inverosímil ya que cualquier cálculo de las probabilidades de que esto ocurra mostrará que nunca va a suceder. El caballero invita al matemático a su finca en Greenwich (Connecticut), y le lleva adonde los monos han comenzado a escribir Tom Sawyer y Trabajos de amor perdidos. Lo están haciendo sin un solo error. El matemático queda tan contrariado que mata a todos los monos. No estoy seguro de cuál es la moraleja de esta historia.

La imagen de monos tecleando en máquinas de escribir es bastante vieja. Dediqué bastante tiempo este verano a buscar en Internet y hablar con varios expertos de todo el mundo acerca de los orígenes de esta historia. Algunos la atribuyen a Thomas Huxley en su debate con el obispo Wilberforce en 1858, tras la aparición de El origen de las especies. De los informes de testigos de ese debate está claro que Wilberforce preguntó a Huxley por qué lado de su familia, el materno o el paterno, descendía de un mono. Huxley dijo: «Yo prefiero descender de un simio humilde antes que de un gran caballero que emplea considerables dotes intelectuales al servicio de la mentira». Una mujer del público se desmayó cuando él dijo eso. No había entonces películas clasificadas R.

Aunque Huxley hizo una encendida defensa de la teoría de Darwin de la selección natural durante este debate, y aunque hizo referencia a los monos, parece que no habló de monos escribiendo en máquinas de escribir, porque para empezar las máquinas de escribir tal como las conocemos fueron inventadas en 1859. Parece que la atribución errónea a Huxley de la imagen de los monos tecleando surgió porque Arthur Eddington, en 1928, especuló sobre monos que escribían a máquina todos los libros en la Biblioteca Británica. Posteriormente, sir James Jeans atribuyó los monos que escribían a máquina a Huxley.

De hecho, parece que fue al matemático francés Émile Borel a quien se le ocurrió la imagen de monos escribiendo a máquina en 1907. Borel fue la persona que desarrolló la moderna teoría matemática de la combinatoria. Borel imaginó un millón de monos, cada uno de los cuales tecleaba diez caracteres por segundo de forma aleatoria. Señaló que estos monos podrían producir todos los libros de todas las bibliotecas más ricas del mundo. A continuación, pasó a desechar la probabilidad de que lo hicieran por ser infinitesimalmente pequeña.

Es cierto que los monos escribirían galimatías. Si usted busca «monos escribiendo a máquina» en Google, encontrará una página web que reclutara su computador para emular monos escribiendo a máquina. La página da una lista de récords de años y monos que se necesitan para escribir los pasajes de apertura de varias obras de Shakespeare, y el récord actual es de 17 caracteres de Trabajos de amor perdidos en 483 trillones monos-año. Los monos escribiendo en máquinas de escribir generan galimatías aleatorio.

Antes de Borel, Boltzmann propuso una explicación tipo «monos escribiendo a máquina» de por qué el universo es complejo. El universo, dijo, es solo una gran fluctuación térmica. Como los lanzamientos de una moneda, el universo es en realidad solo información aleatoria. Sus colegas pronto le disuadieron de esta posición, porque obviamente no es así. Si lo fuera, entonces cada nuevo bit de información que se obtuviera y que no se hubiera recibido antes sería aleatorio. Pero cuando nuestros telescopios miran al espacio obtienen nueva información todo el tiempo y no es aleatoria. Lejos de ello, la nueva información que recogen está llena de estructura. ¿Por qué es así?

Para ver por qué el universo está lleno de estructura compleja, imaginemos que los monos están tecleando en un computador en lugar de una máquina de escribir. El computador, a su vez, en lugar de limitarse a ejecutar Microsoft Word, interpreta lo que los monos teclean como una instrucción en un lenguaje informático adecuado, como Java. Ahora, incluso si los monos siguen escribiendo galimatías, sucede algo extraordinario. El computador comienza a generar estructuras complejas.

Al principio esto parece extraño: entra basura, sale basura. Pero, de hecho, son cortos programas de computador de apariencia aleatoria que generarán estructuras muy complicadas. Por ejemplo, un programa corto de apariencia aleatoria hará que el computador empiece a demostrar todos los teoremas matemáticos demostrables. Un segundo programa corto de apariencia aleatoria hará que el computador evalúe las consecuencias de las leyes de la física. Hay programas de computador para hacer muchas cosas, y no se necesita mucha información adicional para producir todo tipo de fenómenos complejos a partir de monos tecleando en un computador.

Hay una teoría matemática llamada teoría algorítmica de la información que puede considerarse como la teoría de lo que ocurre cuando los monos teclean en los computadores. Esta teoría fue desarrollada en la década de 1960 por Ray Solomonoff en Cambridge, Massachusetts, Gregory Chaitin, que era entonces un enfant terrible de 15 años de edad en IBM en Brasil, y luego Andrey Kolmogorov, que era un famoso matemático académico ruso. La teoría algorítmica de la información indica la probabilidad de producir patrones complejos a partir de computadores programados al azar. La conclusión es que si los monos comienzan a teclear en los computadores, hay una probabilidad muy alta de que produzcan cosas como las leyes de la química, conjuntos autocatalíticos o tipos de vida prebiótica. Los monos tecleando en computadores constituyen una explicación razonable de por qué tenemos complejidad en nuestro universo.

Los monos tecleando en un computador tienen una probabilidad razonable de producir casi cualquier forma de orden computable que existe. Uno no debería sorprenderse al ver que en este universo de monos surgen todo tipo de cosas interesantes. Quizá no surja Hamlet, porque algo como Hamlet requiere una enorme sofisticación y la evolución de sociedades, etc. Pero cosas como las leyes de la química, o conjuntos autocatalíticos, o algún tipo de forma prebiótica de protovida son los tipos de cosas que cabría esperar que sucedan.

Para aplicar esta explicación sobre el origen de la complejidad de nuestro universo necesitamos dos cosas: un computador y monos. Tenemos el computador, que es el propio universo. Como se señaló hace un siglo, el universo registra y procesa información de manera sistemática en su nivel más fundamental. La maquinaria está ahí para ser tecleada. Así que todo lo se necesita son los monos. ¿De dónde salen los monos?

Los monos que programan nuestro universo los suministran las leyes de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica es intrínsecamente aleatoria. Quizá usted haya oído la frase de Einstein: «Dios no juega a los dados». Einstein estaba equivocado. Dios sí juega a los dados. En el caso de la mecánica cuántica, Einstein estaba especialmente equivocado. De hecho, es precisamente cuando Dios juega a los dados cuando estas pequeñas clips o fluctuaciones cuánticas se programan en nuestro universo.

Por ejemplo, Alan Guth ha realizado un trabajo sobre cómo estas fluctuaciones cuánticas constituyen las semillas para la formación de estructuras a gran escala en el universo. ¿Por qué está nuestra galaxia aquí y no en un lugar a un centenar de millones de años luz de distancia? Está aquí porque en el universo muy muy muy muy temprano hubo una pequeña fluctuación cuántica que produjo un ligero exceso de densidad de materia en algún lugar cerca de aquí. Este exceso de densidad de materia era minúsculo, pero eso fue suficiente para hacer una semilla en torno a la cual podría acumularse la materia. La estructura que vemos como estructura a gran escala del universo está hecha en realidad por monos cuánticos escribiendo a máquina.

Así pues, tenemos todos los ingredientes para una explicación razonable de por qué el universo es complejo. No se requiere una dinámica muy complicada para que el universo compute. La dinámica computacional del universo puede ser muy simple. Casi cualquier cosa funcionará. El universo computa. Entonces, el universo está lleno de pequeños monos cuánticos, en forma de fluctuaciones cuánticas, que lo programan. Las fluctuaciones cuánticas son procesadas por la potencia computacional intrínseca de los universos y eventualmente dan lugar al orden que vemos a nuestro alrededor.

Discusión en el Club de la Realidad

Seth Lloyd

Profesor de Ingeniería Mecano-Cuántica, MIT, y autor de

Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos.

Cuando doy charlas, a menudo me preguntan por mi definición de complejidad.

Yo dediqué parte de mi tesis doctoral a las diferentes maneras de definir la complejidad. Aunque tengo mis favoritas, no defendería una por encima de las demás. Básicamente, el argumento de los monos escribiendo a máquina como generación de la complejidad simplemente dice que uno no tiene que tener una definición preferida de la complejidad. Cualquier estructura o conjunto de estructuras que se considerarían complejas será producida por este mecanismo.

No obstante, si insisten en que defina la complejidad, puedo hacerlo. Charlie Bennett propuso una buena definición de la complejidad, denominada profundidad lógica, que dice que una estructura compleja es aquella cuya producción a partir de un sencillo programa requiere mucha computación. Si adoptamos esa idea, entonces las cosas que el universo ha generado son exactamente esas cosas lógicamente profundas. Los programas son simples, las computaciones se han seguido haciendo durante mucho tiempo. De hecho, yo les puedo decir exactamente cuántas operaciones ha realizado el universo y sobre cuántos bits: aplicando la física de la computación uno encuentra que el universo ha realizado 10¹²⁰ operaciones elementales (por ejemplo, cambios de bits) sobre 10⁹⁰ bits. Eso es un montón de operaciones en un montón de bits. Lo que obtenemos como resultado son cosas lógicamente profundas.

Steven Pinker

Johnstone Family Professor en el Departamento de Psicología de la Universidad de Harvard, y autor de The Blank Slate, de The

Stuff of Thought y de The Better Angles of our Nature.

La tesis de que el universo es un computador no tendría mucho contenido empírico si no pudiéramos concebir lo que significaría para el universo no ser un computador. ¿Vale la pena distinguir entre cosas que reconocemos como algo que procesa información frente a algo que simplemente contiene información? Contener información solo significa que uno tiene más de una posibilidad.

LLOYD: ¿Así que tú te contentas con esa noción de las cosas, que contienen información?

STEVEN PINKER: En mi opinión un computador es más que algo que contiene información, porque todo contiene información. Como procesador de información un computador parecería ser especial de dos maneras. Una es que la información que procesa representa algo. Tiene una semántica así como una sintaxis. Entre los sistemas de procesamiento de información que nos son familiares, la lengua escrita remite al sonido, el sonido remite a conceptos, los cerebros procesan información sobre el entorno, el ADN codifica información sobre los aminoácidos y sus secuencias, y así sucesivamente.

Además, al tener información que ha puesto en correspondencia con alguna otra cosa, el sistema de procesamiento de información alcanza un objetivo. Es decir, hay cambios físicos en el procesador de información que por su diseño (o su equivalente en procesadores de información evolucionados) es isomorfo con alguna relación entre las cosas que son representadas. De alguna manera eso conduce a algún resultado deseable. En el caso de las computaciones es resolver ecuaciones; en el caso del lenguaje es comunicar pensamientos; en el caso del código genético es ensamblar organismos que funcionen, y así sucesivamente. En todos esos casos en que se tiene una semántica bien definida y un proceso físico dirigido a un objetivo tiene sentido hablar de procesamiento de información.

Pero eso no parecería aplicable al universo. Los estados de todas las partículas elementales no parecen representar otra cosa. Tampoco la secuencia de acontecimientos físicos se aplica sobre un conjunto ordenado de relaciones. Esto podría sugerir que el universo no es un computador, a pesar de que contiene información. ¿Contradice eso lo que estás diciendo?

LLOYD: Has planteado una distinción importante. Muchos de los sistemas que consideramos que procesan información, particularmente los sofisticados, tienen una noción de correspondencia de un mensaje con alguna otra cosa.

Parece que tienes una idea de que las computaciones están dirigidas a un objetivo. Tienes toda la razón en que ese tipo de propiedades, tener semántica y la noción de que la información se corresponde con otra cosa, son más sofisticadas. Yo las considero como propiedades emergentes que solo podemos atribuir a objetos como seres vivos, o tal vez a la vida misma. Estas propiedades emergentes son muy importantes.

Sin embargo, es posible que un sistema registre información sin que la información tenga algún tipo de significado semántico. Si el espín de una partícula puede contener un bit, yo argumentaría que también se puede hablar de procesamiento de información sin contenido.

Dejadme hacer un comentario histórico: el gran avance que hizo Shannon al descubrir la teoría de la información fue descubrir que la cantidad de información podía despojarse de su contenido semántico. Si preguntas cuánta información puede enviarse por un cable de fibra óptica, puedes responder a esa pregunta sin saber de qué trata esa información. Podría ser MTV, podría ser Romeo y Julieta, lo que sea; l número de bits por segundo que viajan por el cable es el mismo. Es exactamente al prescindir de la noción de que el contenido semántico es necesario para describir cantidades de información cuando pudieron surgir la teoría de la información y la teoría matemática de la comunicación.

PINKER: Pero Shannon hablaba de la información en términos de una correlación entre lo que sucede en el extremo de salida y lo que sucedió en el extremo de entrada. Tenían que estar correlacionados. No podía simplemente haber bits aleatorios en la entrada y bits aleatorios en la salida.

LLOYD: Correcto, porque si los bits fueran completamente aleatorios, entonces no habría información. Pero a lo que se refieren estos bits no es importante para la cantidad de información enviada por el canal. La correlación es algo que se puede definir matemáticamente en ausencia de cualquier noción de lo que el bit significa.

Todavía en respuesta a la pregunta de Steven, dejadme decir que de la misma forma que la cantidad de información se define con independencia del contenido semántico, el procesamiento de información se define con independencia del contenido semántico o de la noción de que se está cumpliendo alguna orden superior o un propósito. Un computador ordinario solo está realizando operaciones simples en un bit, cambiándolo en función del estado de otro bit; eso sucedería independientemente de que haya algún propósito general en el cambio de bit, ya sea mayor o menor, o de cualquier contenido semántico de esos bits. Si tomo un espín nuclear de un protón en uno de nuestros computadores cuánticos y lo cambio de espín arriba a espín abajo, solo he cambiado un bit y puede no haber ningún propósito en ello.

La cuestión de si la información está siendo procesada, o transformada, tiene un significado físico completamente al margen de cualquier misión u objetivo para el que se esté procesando esta información. De la misma manera que Shannon fue capaz de decir que se puede disociar la cantidad de información de la semántica, también se puede despojar el procesamiento de información, la noción de que los bits se están cambiando, de la noción de que esto es parte de algún proceso orientado a un objetivo.

En ese sentido es en el que estoy utilizando la noción de procesamiento de información, el proceso físico por el que la información se está transformando. En realidad, no tiene que ser parte de un proceso orientado a objetivos.

PINKER: Puedo ver que se puede definir el procesamiento de información de esa manera, de modo que todo es procesamiento de información, en cuyo caso me pregunto qué tipo de afirmación es que el universo es un procesador de información.

La cuestión es si la afirmación es verdadera en virtud de ser circular. Lo que yo estoy haciendo es ofrecer una definición de procesamiento de información tal que no es cierto que cualquier cosa, por definición, es un procesador de información. Eso me permite hacer un enunciado de contenido. ¿Es el universo un procesador de información o no lo es? Me gustaría pensar que la respuesta es que no lo es. Al menos, se puede hacer una distinción interesante entre el ADN, los computadores e imprentas, por una parte, y el universo entero, por otra. Si tú das con una definición de procesamiento de información y no puedes hacer esa distinción, entonces se plantea la cuestión de si significa algo decir que el universo es un computador o un procesador de información.

LLOYD: Creo que estamos de acuerdo en que la afirmación de que el universo es un procesador de información es verdadera en virtud de sí misma. Se la podría calificar de circular, pero solo la voy a calificar de verdadera. Lo que estoy tratando de explorar aquí son las implicaciones de este hecho. Uno podría utilizar tu definición de procesamiento de información, que es una imagen de base humana, asociada con ideas del lenguaje o ideas preconcebidas acerca de la vida. Yo solo diría que este procesamiento de información es el resultado de cambiar bits, y de ahí surgió la vida, los seres humanos, etc. Las preguntas interesantes conciernen a por qué tenemos estas propiedades emergentes, como información que tiene un contenido semántico y significa algo importante. Desde luego, no digo que todos los bits sean iguales. Todos los bits son físicamente iguales —cada uno de ellos registra un bit— pero algunos bits son muchísimo más importantes que otros. Yo no quiero que cambien los bits en mi ADN.

Martin Nowak

Catedrático de Biología y Matemáticas en la Universidad de

Harvard, y coautor, junto con Roger Highfield, de Super Cooperators.

Yo estoy interesado en las propiedades físicas del universo que nos llevarían a esperar la posibilidad de vida. ¿Está eso basado en computación? ¿Estás diciendo que ciertas estructuras en el universo pueden computar algo, mientras que otras no pueden? ¿Computa esta silla?

LLOYD: Algunas estructuras son mejores computando que otras, pero el universo en su conjunto tiene esta capacidad. Diferentes partes del universo procesan información de diferentes maneras. La idea general de un computador universal es que puede procesar información de cualquier manera posible. Algunas de estas formas de procesamiento de información son muchísimo más interesantes que otras. Si los seres humanos presentan cuestiones muy interesantes de semántica y contenido y de procesamiento de información con propósito, creo que eso es bueno. Eso es lo que es interesante acerca de los seres humanos.

Yo adopto una definición muy física de la información. Si el universo está computando, tenemos que ver cuáles son las consecuencias de eso. La consecuencia es que obtenemos un universo muy diverso, en el que algunas partes de la computación las consideramos interesantes y otras no. Esta silla computa, y tú no querrías que deje de hacerlo, porque si te sentaras en ella, y la silla dejara de computar su capacidad para aguantarte... ¡bang! estarías en el suelo. Así que eso también es muy buena computación.

J. Craig Venter

Científico destacado en el siglo XXI en Ciencias Genómicas; cofundador (presidente, CEO y codirector científico) del Synthetic Genomics, Inst., fundador y presidente del J. Craig Venter

Institute, y autor de The Life Decoded.

Tu argumento es básicamente que este computador nos está dirigiendo hacia el orden y yo argumentaría que la vida es una consecuencia natural de ello. Entonces, ¿dónde entran la descomposición y la entropía?

LLOYD: Esta es realmente una pregunta clave. La mayoría de los procesos que ves a tu alrededor, sobre todo en la vida, han utilizado el incremento de la entropía como un poderoso mecanismo que dirige las piezas del sistema hacia estados ordenados. Hay toda una teoría física de cómo se puede conseguir orden en alguna parte del sistema a costa de crear desorden en otra parte. Según la segunda ley de la termodinámica la cantidad total de información en el sistema nunca disminuye. No se puede hacer orden aquí sin bombear desorden a otro lugar. Esta puede ser una manera de tratar de descubrir lo que sucedió antes de que existiera la vida. En lugar de buscar sistemas de información genética deberíamos estar buscando sistemas que fueran capaces de controlar la forma en que se crea orden en un lugar y se bombea desorden a otro lugar. ¿Qué tipos de sistemas lo hacen? Eso es en realidad una parte clave de cómo se crea orden. El proceso de crear orden tiene que respetar las leyes de la física, y ese proceso explota la segunda ley de la termodinámica para crear orden en un lugar mientras se crea desorden en otro lugar.

NOWAK: La afirmación de que algo es una máquina de Turing universal requiere una demostración matemática. Imaginemos una caja de gas ideal. ¿Es una máquina de Turing universal?

LLOYD: No, normalmente no. No por sí sola. Demostrar que algo es una máquina de Turing universal no es un enunciado libre de contenido. Puedes plantear preguntas Sí/No. ¿Es el universo un autómata celular clásico como sugirieron Zuse y Fredkin? La respuesta es casi seguro que no, porque los autómatas celulares clásicos no pueden reproducir efectos mecano-cuánticos de cualquier manera eficiente. El enunciado de que el universo es un computador universal no es un enunciado libre de contenido. Cuando investigas lo que significa ese enunciado en detalle, y cómo el universo computa realmente, puedes descartar ciertos tipos de computación como base para lo que está haciendo. En realidad, necesitas una demostración de que las leyes de la física tal como están son computacionalmente universales de una manera razonable.

En el caso de un puñado de partículas en un gas, Ed Fredkin y Norm Margolus observaron que las partículas que colisionan unas con otras podrían realizar computación universal. El problema con este modelo de computación es que es caótico. La colisión de moléculas es caótica, la información que contienen las moléculas se degrada muy rápidamente, y las moléculas presentes en esta habitación no están factorizando un número grande, o informando a Microsoft de lo que estamos haciendo.

Lee Smolin

Físico del Instituto Perimeter de Física Teórica, y autor de The Trouble with Physics y de Three Roads to Quantum Gravity.

Estoy tratando de entender lo mismo que tú estás tratando de entender: cómo podría la complejidad salir de las leyes de la física. Si estás de acuerdo en que existen esas dos nociones muy distintas de procesamiento de información que disteis tú y Steve —una define el contenido semántico y comportamiento orientado a objetivos y otra simplemente define la evolución del sistema en el que identificamos «bits de información»—, la pregunta en la que todos estamos interesados es ¿cómo el primer tipo da lugar al segundo, o a la inversa?

LLOYD: Dado mi desprecio por las teorías de todo, ciertamente no voy a sugerir que la teoría computacional del universo que he defendido aquí resuelve todos nuestros problemas. No estoy de acuerdo con la idea de insistir en el contenido semántico, ya que es muy difícil hacer el tipo de definiciones de procesamiento de información que se basan en un contenido semántico preciso. Los filósofos del lenguaje han estado tratando de hacer precisas tales definiciones durante muchos muchos años, y ese camino es una locura. Decir qué significa que algo tiene un contenido semántico es difícil. Lo que se entiende por comportamiento orientado a objetivos es una parte del contenido semántico. Por eso es por lo que me gustaría evitar una definición de ese tipo, porque no considero que sea una definición que se pueda hacer científicamente precisa.

Pero ¿por qué este procesamiento de información de bajo nivel que prevalece en todo el mundo de manera espontánea da lugar a este tipo de procesamiento de información de alto nivel donde hay lenguaje, semántica y comportamiento orientado a objetivos? Eso es lo que nos gustaría descubrir. Este argumento de que se producen espontáneamente estructuras complicadas no resuelve en absoluto esta cuestión, porque hay una historia muy detallada de cómo surgió en primer lugar este comportamiento complejo. La naturaleza de esta historia es una cuestión muy interesante, y desde luego yo no diría que haya sido resuelto.

SMOLIN: Consideremos dos posibles teorías cuánticas de la gravedad: la primera teoría cuántica de la gravedad tiene una base de estados que estaban dados por algunos grafos etiquetados, grafos combinatorios; la segunda teoría cuántica de gravedad tiene una base de estados dados por grafos etiquetados insertos en una variedad tridimensional. Dado que uno cree en la mecánica cuántica, los estados tienen que estar normalizados, lo que significa que la suma sobre ciertos números debe dar 1. En el primer caso es probable que el isomorfismo de grafos pudiera resolverse, y se podría escribir un algoritmo que podría ejecutarse en un computador para comprobar si un estado cuántico es normalizable o no. En el segundo caso se ha conjeturado que la inserción de grafos en variedades tridimensionales no es un problema que sea soluble por un algoritmo finito. Habría que aceptar que la segunda teoría es equivocada y la primera teoría es correcta, porque si la segunda teoría fuera correcta, entonces incluso comprobar si un estado cuántico era normalizable sería algo que un computador digital nunca podría hacer. Por lo tanto, si el universo fuera un computador digital, no podría tratar ese tipo de mecánica cuántica.

LLOYD: No, no estoy de acuerdo con eso. El proceso de comprobar si una teoría es correcta en un computador digital es muy diferente del proceso por el que un computador digital es algo y hace algo. Esto, dicho sea de paso, es un tipo de impredecibilidad diferente del que está implicado en la mecánica cuántica. Si uno tiene algo que es un computador que realiza una computación digital universal, entonces el teorema de Gödel y el problema de la parada garantizan que la única manera de ver lo que va a hacer es dejar que evolucione y observar qué pasa. Incluso sin ningún tipo de indeterminismo adicional en términos de mecánica cuántica o de caos, el hecho de que el universo está computando hace su comportamiento futuro —y, en particular, su comportamiento futuro sobre cosas como sistemas complejos, que es lo que realmente nos importa— intrínsecamente impredecible. La única manera de ver lo que va a suceder es esperar y ver.

Alan Guth

Cosmólogo, catedrático de Física en el MIT, y autor de El universo inflacionario.

Cuando oigo hablar del universo como un computador y todo eso, realmente no sé en que se diferencia de decir que el universo puede describirse matemáticamente. Yo diría que cualquier cosa que puede describirse matemáticamente es el mismo tipo de cosa que un computador.

LLOYD: Hay una diferencia técnica entre algo que se describe matemáticamente y algo que es capaz de computación universal. Se pueden construir máquinas, o incluso leyes de la física, que no son capaces de computación universal y no podrían soportar cosas como lenguaje, etc. No tenemos ese tipo de universo. Hay algo llamado jerarquía de Chomsky, que es una jerarquía de dispositivos de procesamiento de información, y a medida que uno asciende en la jerarquía se hace cada vez más sofisticado. En la cima de la jerarquía están las máquinas de Turing universales. Nuestro universo parece estar, en términos de su capacidad de procesamiento de información, en la cima de la jerarquía de Chomsky. Pero es bastante fácil construir modelos académicos que no tienen esta capacidad.

GUTH: Pero es fácil construir modelos que sí tienen esa capacidad.

LLOYD: Una vez que tienes algún tipo de interacción no lineal entre las cosas, entonces generalmente la obtienes.

GUTH: De acuerdo, pero entonces la idea de máquina de Turing universal nos está diciendo muy poco acerca del universo.

LLOYD: El hecho de que la gente parece considerar evidente este enunciado general de que el universo está procesando información, y que es casi evidente que se trata de una máquina de Turing universal, es bueno. Todo lo que estoy argumentando es que deberíamos considerar seriamente las implicaciones de este hecho evidente.

10.

La energía del espacio vacío que no es cero

Lawrence M. Krauss

Físico-cosmólogo de la Universidad del Estado de Arizona, y autor de A Universe from Nothing y de Quantum Man: Richard Feynman’s Life in Science.

Acabo de regresar de las Islas Vírgenes, de un evento maravilloso —una conferencia en St. Thomas— que organicé con 21 físicos. Me gustan los eventos pequeños y tuve que escoger a las personas. El tema de la reunión era «Afrontando la gravedad». Yo quería una reunión donde se discutieran las cuestiones clave a las que se enfrentan la física fundamental y la cosmología. Y si lo piensas, todas giran de una manera u otra en torno a la gravedad. Alguien en la reunión dijo: «¿No entendemos la gravedad? Bueno, ya sabes, las cosas caen». Pero en realidad, muchas de las ideas clave que ahora están en la vanguardia de la cosmología y la física de partículas están relacionadas con nuestro pobre conocimiento de cómo conciliar gravedad y mecánica cuántica.

Invité a un grupo de cosmólogos, experimentadores, teóricos y físicos de partículas y cosmólogos. Vino Stephen Hawking; tuvimos tres premios Nobel, Gerard ‘t Hooft, David Gross y Frank Wilczek; cosmólogos y físicos bien conocidos como Jim Peebles de Princeton, Alan Guth del MIT, Kip Thorne de Caltech, Lisa Randall de Harvard; experimentadores, como Barry Barish de LIGO, el observatorio de ondas gravitatorias; tuvimos cosmólogos observacionales, gente que examina el fondo cósmico de microondas; tuvimos a Maria Spiropulu del CERN, que está trabajando en el gran colisionador de hadrones, que hace una década nadie habría pensado que fuera una sonda de la gravedad, pero ahora podría serlo debido a trabajos recientes sobre la posibilidad de dimensiones extra.

Yo quería tener una serie de sesiones en las que cada uno de nosotros hablara de una forma algo provocativa sobre lo que cada uno estaba pensando, cuáles son los temas clave, y luego dejar mucho tiempo abierto para la discusión. Y por eso en la reunión se dedicó mucho tiempo abierto para el debate, mucho tiempo para la discusión, y también para algunas cosas divertidas, como ir en un submarino, cosa que hicimos. Fue un evento maravilloso, en el que desafiamos a la gravedad por tener flotabilidad, supongo.

Salí de esta reunión dándome cuenta de que la búsqueda de ondas gravitatorias puede ser la próxima frontera. Durante mucho tiempo yo no lo tomé en serio porque estaba claro que iba a pasar mucho tiempo antes de que se pudieran detectar, si están ahí, y no estaba claro para mí lo que íbamos a aprender, aparte de que existen. Pero ahora una de las cosas que más me preocupan como cosmólogo es que tenemos estas ideas y estos parámetros y cada experimento es compatible con esta imagen, y sin embargo nada apunta a la física fundamental que hay debajo.

Esto ha sido muy frustrante para los físicos de partículas, y algunas personas podrían decir que ha llevado a privación sensorial, que ha dado lugar a una alucinación de otra manera conocida como teoría de cuerdas. Y eso podría ser cierto. Pero en la cosmología que tenemos ahora existe este universo disparatado. Hemos descubierto muchas cosas. Hemos descubierto que el universo es plano, algo que la mayoría de nosotros, los teóricos, dábamos por supuesto, porque es el único universo hermoso. ¿Pero por qué es plano? Está lleno no solo de materia oscura, sino de esta cosa loca llamada energía oscura, que nadie entiende. Este fue un descubrimiento asombroso en el año 1998 más o menos.

Lo que ha ocurrido desde entonces es que cada experimento está de acuerdo con esta imagen sin añadir idea de dónde procede. Del mismo modo, todos los datos son compatibles con las ideas de la inflación y todo es compatible con las predicciones más simples de ella, pero no de una manera que necesariamente se pueda refutar. Todo es compatible con esta energía oscura que se parece a una constante cosmológica, lo cual no nos dice nada.

Es un poco sutil, pero voy a tratar de explicarlo.

Tenemos esta extraña antigravedad en el universo que está haciendo que la expansión del universo se acelere. Ahora bien: si uno entra en las ecuaciones de la relatividad general, la única cosa que puede «antigravitar» es la energía de la nada. Ahora bien: esto ha sido un problema en física desde que yo era un estudiante de posgrado. Era un problema tan grave que nunca hablábamos de ello. Cuando se aplica la mecánica cuántica y la relatividad especial, el espacio vacío inevitablemente tiene energía. El problema es que hay demasiada energía. ¡Tiene una energía 120 órdenes de magnitud mayor que la contenida en todo lo que vemos!

Esa es la peor predicción en toda la física. Uno podría decir, si esa es una predicción tan mala, entonces ¿cómo sabemos que el espacio vacío puede tener energía? La respuesta es que sabemos que el espacio vacío no está vacío porque está lleno de estas partículas virtuales que aparecen y desaparecen, y lo sabemos porque si uno trata de calcular el nivel de energía en un átomo de hidrógeno, y no incluye esas partículas virtuales, obtiene una respuesta incorrecta.

Uno de los más grandes avances de la física del siglo XX fue advertir que cuando se incorpora la relatividad especial en la mecánica cuántica se tienen partículas virtuales que pueden aparecer y desaparecer y cambian la naturaleza de un átomo de hidrógeno, porque un átomo de hidrógeno no es solo un protón y un electrón. Esta es una imagen equivocada porque de vez en cuando nace un par electrón-positrón. El electrón va a querer acercarse al protón porque tiene carga opuesta, el positrón va a ser empujado a la periferia del átomo, y mientras existen cambian la distribución de carga en el átomo de una manera muy pequeña pero calculable. Feynman y otros calcularon este efecto, que nos permite obtener un acuerdo entre la teoría y la observación hasta nueve cifras decimales. Es la mejor predicción de toda la ciencia. No hay otro lugar en la ciencia en donde, a partir de principios fundamentales, se pueda calcular un número y compararlo con un experimento hasta nueve cifras decimales.

Pero luego, cuando nos preguntamos ¿si están ahí, cuánto deberían contribuir a la energía en el universo?, nos encontramos con la peor predicción de la física. Dice que si el espacio vacío tiene tanta energía no deberíamos estar aquí. Y físicos como yo, físicos teóricos, sabían que tenían la respuesta, pero no sabían cómo llegar hasta allí. Me recuerda a las tiras cómicas de Sidney Harris en donde uno ha obtenido esta gran ecuación con la respuesta, y la viñeta intermedia dice «Y entonces ocurre un milagro». Y entonces un científico le dice a otro: «Creo que tienes que ser un poco más concreto en este paso».

La respuesta tenía que ser cero. La energía del espacio vacío tenía que ser exactamente cero. ¿Por qué? Porque tienes estas partículas virtuales que aparentemente están aportando grandes cantidades de energía, y en física puedes imaginar cómo las simetrías subyacentes en la naturaleza pueden producir cancelaciones exactas, eso sucede continuamente. Las simetrías producen dos números que son exactamente iguales y opuestos, porque en alguna parte de las ecuaciones hay una simetría matemática subyacente. Así que uno puede comprender cómo las simetrías podrían producir de alguna manera una cancelación exacta de la energía del espacio vacío.

Pero lo que no se podía entender era cómo se puede cancelar un número de 120 cifras decimales y dejar un resto finito. Uno no puede tomar dos números que son muy grandes y esperar que se cancelen casi exactamente dejando como resto algo que es 120 órdenes de magnitud más pequeño. Y eso es lo que se requeriría para tener una energía que sea comparable con los límites superiores que impone la observación sobre la energía del espacio vacío.

Sabíamos la respuesta. Había una simetría y el número tenía que ser exactamente cero. Bueno, ¿qué hemos descubierto? ¡Parece haber esta energía del espacio vacío que no es cero! Esto va en contra de toda la sabiduría convencional en la física de partículas teórica; es el cambio más profundo en el pensamiento, tal vez el enigma más profundo, en la segunda mitad del siglo XX. Y tal vez lo sea de la primera mitad del siglo XXI, o tal vez de todo lo que queda hasta el siglo XXII. Porque, por desgracia, se me ocurre pensar que no vamos a ser capaces de tener una base experimental para resolver este problema.

Cuando miramos hacia el universo, si esta energía oscura es algo que no es del todo una energía del espacio vacío sino que solo es algo que pretende serlo, podríamos medir que está cambiando con el tiempo. Entonces sabríamos que la energía real del espacio vacío es realmente cero pero que hay algo raro que está pretendiendo ser la energía del espacio vacío. Y muchos han esperado ver esto porque entonces no necesitarían la gravedad cuántica, que es una teoría que todavía no tenemos, para comprender esta aparente energía oscura. De hecho, uno de los mayores fracasos de los muchos fracasos de la teoría de cuerdas, creo yo, es que nunca abordó con éxito este problema de la constante cosmológica. Uno pensaría que si se tuviera una teoría de la gravedad cuántica explicaría precisamente cuál debe ser la energía del espacio vacío. ¡Y no tenemos ninguna otra teoría que aborde ese problema! Pero si esto realmente no es energía del vacío, entonces es otra cosa, entonces uno podría ser capaz de descubrir lo que es, y aprender y hacer física sin tener que entender la gravedad cuántica.

El problema es que cuando realmente miramos hacia fuera, todas las medidas que hemos hecho ahora son totalmente compatibles con una energía constante en el universo durante el tiempo cosmológico. Y eso es compatible con la constante cosmológica, con la energía del vacío. De modo que si haces una medida que es compatible con eso, no aprendes nada, porque no te dice que sea energía del vacío, porque podría haber otras cosas que podrían imitarla. La única observación que lo diría, que daría información positiva, sería que se pudiera medir que estaba cambiando con el tiempo. Entonces uno sabría que no era la energía del vacío.

Si seguimos midiendo esta magnitud cada vez mejor, es muy posible que descubramos que se va pareciendo cada vez más a una energía del vacío, y no vamos a aprender nada. La única manera de resolver este problema será tener una teoría. Y las teorías son mucho más difíciles de conseguir que los experimentos. Las buenas ideas son pocas y distantes entre sí. Y lo que realmente vamos a necesitar es una buena idea que quizá requiera una comprensión de la gravedad cuántica; o quizá requiera que nos rindamos, que es lo que estamos aprendiendo que muchos están dispuestos a hacer. En las Islas Vírgenes tuvimos una sesión sobre el principio antrópico, y lo que es sorprendente es cuántos físicos han dicho realmente: «¿sabes?, tal vez la respuesta es antrópica». Hace veinte años, si se hubiera preguntado a los físicos si ellos esperaban que algún día fuéramos a tener una teoría que nos dijera por qué el universo es como es, se habría oído un rotundo «Sí». Todos habrían dicho «por eso por lo que me metí en la física».

Podrían parafrasear a Einstein, quien dijo, refiriéndose a Dios pero sin querer decir realmente Dios, que la cuestión que verdaderamente le interesaba es si Dios tuvo alguna elección en la creación del universo. Lo que en realidad quería decir con ello era, ¿hay solo un conjunto consistente de leyes que funciona? Si se cambia una —si se juguetea con un aspecto de la realidad física—, ¿se desharía todo? ¿O hay montones de posibles realidades físicas viables?

Hace veinte años la mayoría de los físicos habría dicho, sobre la base de 450 años de ciencia, que solo está permitida una ley de la naturaleza que funciona, que finalmente podríamos descubrir simetrías y principios matemáticos fundamentales que hacen que la naturaleza sea como es, porque siempre ha funcionado de esa manera.

Así es como la ciencia ha trabajado. Pero ahora tenemos esta energía del espacio vacío, tan inexplicable que si realmente es una energía del espacio vacío su valor es ridículo. Y eso ha llevado a algunos a pensar que tal vez sea un accidente de nuestro entorno, que la física es una ciencia dependiente del entorno, que ciertas constantes fundamentales de la naturaleza pueden ser tan solo accidentes, y que puede haber muchos universos diferentes en los que las leyes de la física son diferentes; y la razón de que esas constantes tengan los valores que tienen —en nuestro universo—sería que estamos aquí para observarlas.

No se trata de un diseño inteligente; es lo contrario de un diseño inteligente. Es una especie de selección natural cósmica. Las cualidades que tenemos existen porque podemos sobrevivir en este ambiente. Eso es selección natural, ¿verdad? Si no pudiéramos sobrevivir, no estaríamos aquí. Bueno, lo mismo pasa con el universo. Vivimos en un universo —en este universo— hemos evolucionado en este universo porque este universo es propicio para la vida. Puede haber otros universos que no son propicios para la vida, y, mira por donde, no hay vida en ellos. Ese es el tipo de selección natural cósmica.

Estamos autorizados a presuponer algo; la pregunta clave es: ¿es una actitud científica presuponer que existen otros universos? Eso es algo que también estuvimos examinando en la reunión. Escribí un artículo en el que argumentaba que es un flaco favor para la teoría evolutiva llamar a la teoría de cuerdas una teoría. Porque claramente no es una teoría en el mismo sentido que lo es la teoría evolutiva, o que lo es la electrodinámica cuántica, porque esas son teorías robustas que hacen predicciones rigurosas que pueden ser refutadas. Y hoy por hoy la teoría de cuerdas es tan solo un formalismo que un día podría ser una teoría. Y cuando doy conferencias, hablando de la ciencia, y la gente me dice que la evolución es solo una teoría, yo les digo que en la ciencia teoría significa una cosa diferente, y ellos se preguntan qué quiero decir. ¿Cómo se puede refutar la teoría de cuerdas? No es peor que el diseño inteligente.

Creo que hay enormes diferencias entre la teoría de cuerdas y el diseño inteligente. Las personas que están haciendo teoría de cuerdas son científicos serios que están tratando de aportar ideas que sean viables. Las personas que están haciendo diseño inteligente no están haciendo nada de eso. Pero la pregunta es: ¿es refutable? ¿Y hacemos un flaco favor a las teorías reales llamando teorías a hipótesis o formalismos? ¿Es ciencia, de una forma u otra, un multiverso?

En mis momentos sarcásticos he argumentado que la razón por la que algunos teóricos de cuerdas se han aferrado tanto a la idea del paisaje es que, puesto que la teoría de cuerdas no hace ninguna predicción, es bueno tener un universo donde no se puede hacer ninguna predicción. Pero de forma menos sarcástica, si uno se pone a hacer ciencia con ideas, puede ponerse a hacer ciencia verdadera y calcular probabilidades. Pero hagas lo que hagas, te encuentras con que lo único que consigues son argumentos sugerentes. Porque si no tienes una teoría subyacente, nunca sabes.

Yo digo, bueno, ¿cuál es la probabilidad de que nuestro universo tenga una energía de vacío si se le permite variar a lo largo de universos diferentes? Entonces di con un resultado que es interesante: Steven Weinberg fue uno de los primeros en señalar que si el valor de la energía del espacio vacío fuera mucho mayor de lo que es, entonces no se habrían formado las galaxias, y no se habrían formado los astrónomos; de modo que dio el argumento antrópico, bueno, quizá por eso es el que es, no puede ser mucho más.

¡Pero el problema es que uno no sabe si esa es la única cantidad que está variando! Tal vez haya otras cantidades que están variando. Sea lo que sea lo que uno está haciendo es siempre una especie de sugerencia ad hoc en el mejor de los casos. Se puede debatir, pero no lleva muy lejos. No tengo muy claro que la idea del paisaje pueda ser fructífera. En última instancia, podría dar lugar a interesantes sugerencias acerca de las cosas, pero un verdadero progreso ocurrirá cuando realmente tengamos nuevas ideas. Si la teoría de cuerdas es la dirección correcta, y estoy dispuesto a discutir que podría serlo pese a que ahora no hay ninguna prueba de que lo sea, entonces una nueva idea que nos diga un principio fundamental que permita convertir ese formalismo en una teoría nos dará una dirección que se convertirá en algo fructífero. En este momento estamos dando tumbos. Estamos dando tumbos, en un montón de áreas diferentes.

Como teórico, cuando voy a reuniones suelo sacar mucho más provecho de las charlas experimentales porque suelo conocer lo que está pasando en la teoría, o al menos me gusta pensar que lo conozco. Yo me quedé profundamente impresionado por las charlas experimentales. En principio, ahora somos capaces de detectar ondas gravitatorias que podrían cambiar una vara de medir que tiene tres kilómetros de largo ¡en una longitud menor que el tamaño de un átomo! Es increíble que tengamos la tecnología para hacerlo. Aunque realmente no estén detectando ahora ninguna onda gravitatoria, no hay obstáculos tecnológicos para pasar a una fase avanzada. Las ondas gravitatorias pueden proporcionarnos una sonda que podría llevarnos más allá de nuestro estado actual de observaciones que no llevan a ninguna parte. Me quedé muy impresionado con estos hallazgos.

También tuvimos una charla de Eric Adelberger, de la Universidad de Washington, que ha estado tratando de medir la ley de Newton en escalas pequeñas. Uno podría pensar: ¿quién querría medir la ley de Newton en escalas pequeñas? Pero una de las sugerencias para las dimensiones extra es que en escalas pequeñas la gravedad tiene un comportamiento diferente. Han circulado rumores que sugerían que en estos experimentos en Seattle estaban viendo pruebas de desviaciones de la teoría de Newton. Y Adelberger habló de algunos hermosos experimentos. Como teórico, siempre me sorprende que puedan hacerse estos experimentos. Y dio algunos nuevos resultados, hay algunos resultados provisionales que, por supuesto, no son una sorpresa para mí, que sugieren que no existe todavía ninguna evidencia de una desviación de la teoría de Newton.

Muchos de los artículos en física de partículas en los últimos cinco a siete años han estado relacionados con la idea de dimensiones extra de un tipo u otro. Y, aunque es una idea fascinante, tengo que decir que me parece que todavía no está llevando a ninguna parte. La evidencia experimental en contra se está combinando con lo que yo veo como una difusión teórica, una ruptura en montones de piezas. Eso ha ocurrido con la teoría de cuerdas. Puedo ver que está sucediendo con los argumentos extradimensionales. Estamos viendo que los desarrollos a partir de esta idea que ha capturado la imaginación de muchos físicos no han sido convincentes.

Ahora está claro que lo que realmente necesitamos son nuevas y buenas ideas. La física fundamental está realmente en una especie de encrucijada. Las observaciones nos acaban de decir que el universo es una locura, pero no nos han dicho en qué dirección el universo es una locura. Las teorías han sido increíblemente complejas y elaboradas, pero aún no han hecho ninguna incursión convincente. Esto puede verse como algo deprimente o algo excitante. Para los físicos jóvenes es excitante en el sentido de que significa que el campo está listo para algo nuevo.

La gran esperanza para la física de partículas, que puede ser una gran esperanza para la gravedad cuántica, es el próximo gran acelerador de partículas. Hemos pasado 30 años sin un acelerador fundamentalmente nuevo que pueda sondear un régimen completamente nuevo del mundo subatómico. Lo habríamos tenido si nuestros legisladores no hubieran sido tan miopes. Es sorprendente pensar que si no hubieran matado al supercolisionador superconductor, ya estaría funcionando desde hace diez años.

El gran colisionador de hadrones va a entrar en funcionamiento el próximo año. Y podría suceder una de estas dos cosas: podría, o bien revelar una nueva ventana fascinante sobre el universo y todo un nuevo conjunto de fenómenos que validen o refuten las ideas actuales dominantes en la física de partículas teórica, supersimetría, etc., o bien podría no ver absolutamente nada. No estoy seguro de cuál prefiero. Pero al menos hay una esperanza, finalmente, de que podamos obtener un asidero empírico que por lo menos limite la especulación desbocada que teóricos como yo podríamos hacer.

Este asidero es resultado del impacto que han tenido los recientes estudios del fondo cósmico de microondas (CMB) sobre la teoría de la inflación. He leído en el New York Times que Alan Guth estaba sonriendo, y Alan Guth estaba sentado a mi lado en la conferencia cuando le pasé el artículo. Estaba sonriendo, pero él sonríe siempre, así que yo no sabía qué pensar; pero creo que los resultados que salieron de los estudios del fondo cósmico de microondas (CMB) eran dobles.

En efecto, como el Times sugería, ellos validan las nociones de inflación. Pero creo que eso es solo periodistas en busca de una historia. Porque si nos fijamos en lo que cuantitativamente ha salido de los nuevos resultados, estos son perfectamente compatibles con los resultados anteriores, que también validan la inflación. Se reducen un poco las barras de error, en un factor de dos. No sé si eso es asombroso. Pero lo que es intrigante para mí es que mientras que todo es compatible con los modelos más sencillos, hay un área donde hay un rompecabezas. En las escalas más grandes, cuando miramos al universo, no parece haber suficiente estructura, no tanta como predice la inflación. Ahora la pregunta es: ¿es eso un golpe de suerte estadístico?

Es decir, vivimos en un universo, así que somos una muestra de uno. Con una muestra de uno se tiene lo que se llama una varianza de muestra grande. Y tal vez esto solo significa que somos afortunados, que resulta que vivimos en un universo dentro del menor número que cabría predecir. Pero cuando uno mira el mapa del CMB ve también que la estructura que observa está, de hecho, correlacionada de una manera extraña con el plano de la Tierra alrededor del Sol. ¿Está regresando Copérnico para asustarnos? Eso es una locura. Estamos mirando a todo el universo. No hay ninguna razón por la que debiera existir una correlación de la estructura con nuestro movimiento de la Tierra alrededor del Sol —el plano de la tierra alrededor del Sol— la Eclíptica. Eso sería decir que somos realmente el centro del universo.

Los nuevos resultados, o bien nos están diciendo que toda la ciencia está equivocada y somos el centro del universo, o tal vez los datos son sencillamente incorrectos, o bien nos está diciendo que hay algo extraño en los resultados del fondo de microondas y que tal vez algo anda mal con nuestras teorías en las escalas más grandes. Y por supuesto, como teórico espero que sea lo último, porque quiero que la teoría sea errónea, y no correcta, porque si es errónea aún hay trabajo por delante para el resto de nosotros.

11.

El universo cíclico

Neil Turok

Catedrático de Física Matemática del Departamento de

Matemática Aplicada y Física Teórica en la Universidad de Cambridge, y coautor, junto con Paul Steinhardt, de Endless Universe: Beyond the Big Bang.

Durante los últimos diez años he estado trabajando principalmente sobre la cuestión de cómo empezó el universo, si es que empezó. ¿Qué sucedió en el Big Bang? Para mí, esta parece una de las preguntas más fundamentales de la ciencia, porque todo lo que conocemos, ya se trate de partículas o planetas o estrellas o, en última instancia, la vida misma, salió del Big Bang.

En los últimos años la búsqueda de las leyes fundamentales de la naturaleza nos ha obligado a pensar de manera mucho más profunda en el Big Bang. De acuerdo con nuestras mejores teorías, la teoría de cuerdas y la teoría M, todos los detalles de las leyes de la física están realmente determinados por la estructura del universo; en concreto, por la configuración de minúsculas y enrolladas dimensiones extra del espacio. Esta es una imagen muy hermosa: la física de partículas es ahora un aspecto más de la cosmología. Pero si queremos entender por qué las dimensiones extra están configuradas como lo están, tenemos que entender el Big Bang porque es de ahí de donde todo procede.

En cierto modo, hasta hace muy poco la física fundamental se había desarrollado sin hacer frente realmente a ese problema. Ya en la década de 1920, Einstein, Friedmann y Lemaître —los fundadores de la cosmología moderna— se dieron cuenta de que había una singularidad en el Big Bang; que de alguna manera, cuando nos remontamos atrás en el universo, todo iba mal hace alrededor de 14.000 millones de años. Por ir mal me refiero a que todas las leyes de la física dejan de ser válidas: dan infinitos y resultados sin sentido. El propio Einstein no interpretaba esto como el principio del tiempo; simplemente decía: «Bueno, mi teoría falla». La mayoría de las teorías fallan en algún régimen, y entonces se necesita una teoría mejor. La teoría de Isaac Newton falla cuando las partículas se mueven a mucha velocidad; no puede describir eso. Se necesita la relatividad. Del mismo modo, según Einstein, necesitamos una teoría de la gravedad mejor que la suya.

Pero en la década de 1960, cuando la evidencia observacional a favor del Big Bang se hizo muy fuerte, los físicos llegaron a la conclusión de que debe de haber habido un comienzo del tiempo. No estoy seguro de por qué lo hicieron, pero tal vez el responsable fuera Fred Hoyle —el principal proponente de la teoría del estado estacionario rival—, que parece haber ridiculizado con éxito la teoría del Big Bang diciendo que no tenía sentido porque implicaba un comienzo del tiempo y eso sonaba absurdo. Cuando más tarde el Big Bang fue confirmado por la observación, todo el mundo, creo yo, compró el argumento de Hoyle y dijo: «Bueno, el Big Bang es cierto, de acuerdo, así que el tiempo debe de haber tenido un comienzo». Y por eso caímos en esta forma de pensar: que de alguna manera el tiempo comenzó y que el proceso, o el suceso, por el que comenzó no es descriptible por la física. Eso es muy triste. Todo lo que vemos a nuestro alrededor se basa enteramente en ese suceso, y sin embargo ese es el suceso que no podemos describir. Así es, básicamente, como estaban las cosas en cosmología, y la gente apenas se preocupó por otras cuestiones durante los veinte años siguientes.

Y luego, en la década de 1980, se produjo una fusión de la física de partículas con la cosmología cuando se inventó la teoría de la inflación. La teoría inflacionaria tampoco trataba el comienzo del universo, pero nos llevaba mucho más cerca del mismo. La gente decía: «Supongamos que el universo empezó, de alguna manera. Pero vamos a suponer que cuando empezó estaba lleno de un tipo raro de energía llamada energía inflacionaria». Esta energía es repulsiva —su campo gravitatorio no es atractivo, como el de la materia ordinaria— y la propiedad principal de dicha energía es que hace que el universo se expanda con extraordinaria rapidez. Literalmente como dinamita, que hace explotar el universo.

Esta teoría inflacionaria se hizo muy popular. Hacía algunas predicciones sobre el universo, y recientes observaciones están en buen acuerdo con ellas. Esas predicciones son descripciones bastante bien simples y cualitativas de ciertas características del universo: es muy liso y plano a gran escala, y su densidad presenta ligeras variaciones de un carácter muy simple. La teoría inflacionaria predice que las variaciones de densidad son como ruido aleatorio —algo así como los rizos en la superficie del mar— y la variación relativa en la densidad es aproximadamente la misma en todas las escalas de longitud. Estas predicciones de la inflación han sido ampliamente confirmadas por la observación, y por ello la inflación ha atraído la atención de la gente y muchos piensan que es correcta. Pero la teoría inflacionaria nunca ha tratado realmente el comienzo del universo. Simplemente teníamos que suponer que el universo comenzó lleno de energía inflacionaria. Eso nunca fue explicado.

Mi propio trabajo en este tema se inició hace unos diez años, cuando me mudé a Cambridge desde Princeton. En Cambridge conocí a Stephen Hawking, quien, con James Hartle, había desarrollado una teoría acerca de cómo pudo comenzar el universo. Así que empecé a trabajar con Stephen, a hacer cálculos para averiguar lo que realmente predecía esta teoría. Por desgracia, rápidamente llegamos a la conclusión de que la teoría predecía un universo vacío. De hecho, tal vez esto no sea tan sorprendente: si se comienza con nada, tiene más sentido encontrar un universo vacío que uno lleno. Estoy bromeando, por supuesto, pero cuando se hacen las matemáticas detalladas, la teoría de Hawking parece predecir un universo vacío, no uno lleno.

Así que tratamos de pensar en distintas formas de resolver este problema, pero todo lo que hicimos fue mejorar ese resultado, hacer la predicción más realista sin empañar la belleza de la teoría. La física teórica es realmente un tema maravilloso, porque es una disciplina donde el crimen no prescribe. Se puede trampear por un tiempo, se pueden introducir correcciones y pequeños artificios que hacen que funcione la teoría, pero a largo plazo, si no es buena, se vendrá abajo. Sabemos ya tanto sobre el universo y las leyes de la naturaleza, y cómo todo encaja, que es muy difícil hacer una teoría perfectamente consistente. Y cuando se empieza haciendo trampa, se empiezan a violar las simetrías especiales que son, de hecho, la clave para la consistencia de toda la estructura. Si esas simetrías se vienen abajo, la teoría se viene abajo. La teoría de Hawking sigue siendo un tema permanente de investigación, y la gente sigue trabajando en ella y tratando de corregirla, pero después de cuatro o cinco años decidí que esta aproximación no estaba funcionando. Es muy muy difícil hacer que un universo comience y esté lleno de energía inflacionaria. Teníamos que intentar algo radicalmente diferente.

Por ello, junto con Paul Steinhardt, me decidí a organizar un taller en el Instituto Isaac Newton de Cambridge, dedicado a los retos fundamentales de la cosmología. Y el gran reto era este: cómo explicar razonablemente el Big Bang. Decidimos reunir a los teóricos más creativos en teoría de cuerdas, teoría M y cosmología para una libre discusión de ideas y ver si podría haber un enfoque diferente. El taller fue muy estimulante, y nuestro propio trabajo surgió del mismo.

La teoría de cuerdas y la teoría M son precisamente el tipo de teorías que el propio Einstein había estado buscando. Su teoría de la gravedad es una teoría maravillosa y sigue siendo la teoría más bella y exitosa que tenemos, pero no parece encajar adecuadamente con la mecánica cuántica, que sabemos que es un ingrediente crucial para todas las demás leyes de la física. Si se intenta cuantificar ingenuamente la gravedad, se obtienen infinitos que no se pueden eliminar sin estropear todo el poder predictivo de la teoría. La teoría de cuerdas consigue encajar la gravedad con la mecánica cuántica dentro de lo que parece ser un marco matemático consistente. Por desgracia, hasta ahora, los únicos casos en que realmente podemos calcular bien en la teoría de cuerdas no son físicamente muy realistas: por ejemplo, se pueden hacer cálculos muy precisos en el espacio estático y vacío, con algunas ondas gravitatorias. Sin embargo, debido a su estructura matemática muy rígida y coherente, muchos piensan que la teoría de cuerdas está probablemente en el camino correcto.

La teoría de cuerdas introduce algunos nuevos conceptos extraños. Uno de ellos es que cada partícula que vemos es en realidad un pequeño trozo de cuerda. Otro es que hay objetos llamados branas, abreviatura de membranas, que son básicamente versiones de cuerda en dimensiones superiores. En el momento de nuestro taller acababa de salir una idea nueva, la idea de que las tres dimensiones del espacio que experimentamos podrían ser, en efecto, las dimensiones a lo largo de una de estas branas. La brana en que vivimos podría ser un objeto similar a una sábana flotando en una dimensión superior del espacio. Esto subyace en un modelo del universo que se ajusta muy bien a la física de partículas y que consiste en dos branas paralelas separadas por un espacio muy muy pequeño. Muchas personas, Burt Ovrut entre ellas, hablaron de este modelo en nuestro taller, y Paul y yo planteamos la pregunta de qué sucede si estas dos branas colisionan. Hasta entonces la gente solo había considerado en general una configuración estática. Ellos describían las branas fijas, con las partículas sobre ellas, y encontraban que esta configuración ajustaba un montón de datos que tenemos acerca de las partículas y fuerzas. Pero no habían considerado la posibilidad de que las branas se pudieran mover, pese a que esto está perfectamente permitido por la teoría. Y si las branas se pueden mover, pueden colisionar. Nuestra idea inicial era que, si colisionan, eso podría haber sido el Big Bang. La colisión sería un proceso muy violento, en el que el choque de las dos branas generaría mucho calor y radiación y partículas..., precisamente como un Big Bang.

Burt, Paul y yo empezamos a estudiar cuidadosamente este proceso de la colisión de las branas. Nos dimos cuenta de que, si funcionaba, esta idea implicaría que el Big Bang no fue el comienzo del tiempo, sino más bien un suceso físico perfectamente descriptible. También nos dimos cuenta de que, si fuera cierto, esto podría tener muchas implicaciones. Por ejemplo, no solo se podría explicar el Bang; también podríamos explicar la producción de la radiación que llena el universo, porque había un universo anterior existente dentro del cual estas dos membranas se estaban moviendo. ¿Y qué explicaba eso?, podría preguntarse uno. Ahí es donde entró el modelo cíclico. El modelo cíclico surgió de la idea de que cada Bang fue seguido por otro, y esto podría continuar durante toda la eternidad. El universo entero podría haber existido siempre, y habría habido una serie de estos Bangs que se extiende hacia el pasado infinito y se extendería hacia el futuro infinito.

Durante los últimos cinco años hemos trabajado en el perfeccionamiento de este modelo. Lo primero que teníamos que hacer era ajustar el modelo a la observación, ver si podía reproducir algunos de los éxitos del modelo inflacionario. Para nuestra sorpresa, encontramos que sí podía, y en algunos casos de una forma más económica que la inflación. Si las dos branas se atraen una a otra, entonces cuando se juntan adquieren rizos, como los rizos en el mar que he mencionado antes. Estos rizos se convierten en variaciones de densidad cuando las branas colisionan y liberan materia y radiación, y estas variaciones de densidad dan lugar más tarde a la formación de galaxias en el universo.

Encontramos que, con algunas hipótesis simples, nuestro modelo podía explicar las observaciones con la misma precisión que el modelo inflacionario. Eso es instructivo, porque dice que existen estos dos mecanismos muy diferentes que logran el mismo fin. Ambos modelos explican características bastante generales y simples del universo: que es casi uniforme a gran escala; que es plano, como el espacio euclidiano, y que tiene estas variaciones de densidad simples, con casi la misma intensidad en cada escala de longitud. Estas características se explican ya sea por el modelo de colisión de branas o por el modelo de la inflación. E incluso podría haber otro modelo mejor en el que nadie ha pensado todavía. En cualquier caso, es una situación saludable para la ciencia el tener teorías rivales que sean tan diferentes como sea posible. Esto nos ayuda a identificar claramente qué pruebas críticas —sean observacionales o lógico/matemáticas— serán la clave para distinguir las teorías y probar que algunas de ellas son erróneas. La competencia entre modelos es buena: nos ayuda a ver cuáles son las fortalezas y debilidades de nuestras teorías.

En este caso, un campo de batalla clave entre el más establecido modelo inflacionario y nuestro nuevo modelo cíclico es teórico: cada modelo tiene fallos y enigmas. ¿Qué sucedió antes de la inflación? ¿Se infla la mayor parte del universo, o solo parte de él? O, en el caso del modelo cíclico, ¿podemos calcular todos los detalles de la colisión entre branas y convertir los argumentos intuitivos en matemáticas precisas? Nuestro trabajo como teóricos es llevar esos problemas al límite para ver si se pueden resolver, o si van a resultar fatales para los modelos.

Igualmente importante, si no más, es el intento de poner a prueba los modelos observacionalmente, porque la ciencia no es nada sin la prueba de la observación. Incluso si el modelo cíclico y la inflación hacen predicciones similares, sabemos que hay al menos una forma en que difieren. Si hubo un período de inflación —un gran brote de expansión inmediatamente después del comienzo del universo— habría llenado el espacio con ondas gravitatorias, y esas ondas gravitatorias deberían ser medibles en el universo actual. Varios experimentos ya las están buscando, y el próximo año el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea hará un mejor intento: debería ser capaz de detectar las ondas gravitatorias predichas por los modelos de inflación más simples. Nuestro modelo con las branas en colisión predice que el satélite Planck y otros experimentos similares no detectarán nada. Así que el experimento puede probar si estamos equivocados.

Algo que me excita especialmente en este momento es que hemos estado trabajando en los detalles matemáticos más finos de lo que sucede en el propio Bang. Hemos hecho algunos progresos muy buenos en la comprensión de la singularidad, donde, según la teoría de Einstein, todo se hace infinito; donde todo el espacio se reduce a un punto, de modo que la densidad de radiación y materia tiende a infinito, y las ecuaciones de Einstein se vienen abajo.

Nuestro nuevo trabajo se basa en un descubrimiento muy hermoso hecho en la teoría de cuerdas hace unos diez años, con un nombre muy técnico. Se denomina correspondencia anti-de Sitter/teoría de campos conforme. No voy a tratar de explicarla, pero básicamente se trata de una idea geométrica muy hermosa que dice que si tengo una región del espacio y el tiempo, que podría ser muy grande, entonces en algunas situaciones puedo imaginar este universo rodeado por lo que llamamos una frontera —que es básicamente una caja que encierra la región que nos interesa. Hace unos diez años se demostró que incluso si el interior de este recipiente está descrito por la gravedad —con todas las dificultades que presenta la formación de agujeros negros y las diversas paradojas que produce— todas esas cosas que se dan en el interior de la caja pueden describirse por una teoría que vive en las paredes de la caja que rodea el interior. Esa es la correspondencia. Una teoría gravitatoria se corresponde con otra teoría que no tiene gravedad, y que no tiene ninguna de esas paradojas gravitatorias. Lo que hemos estado haciendo recientemente es utilizar este marco para estudiar lo que sucede en una singularidad cósmica que se desarrolla en el tiempo, dentro del contenedor. Nosotros estudiamos la singularidad indirectamente, estudiando lo que sucede en la superficie de la caja que rodea al universo. Cuando hacemos esto encontramos que si el universo colapsa para crear una singularidad puede rebotar, y el universo puede volver a salir del rebote. Cuando atraviesa la singularidad, el universo se llena de radiación —muy parecido a lo que sucede en el modelo de branas en colisión— y se crean variaciones de densidad.

Este es un trabajo muy reciente, pero creo que una vez que se complete va a servir en buena medida para convencer a la gente de que el Big Bang, o sucesos similares, son en realidad descriptibles matemáticamente. El modelo que estamos estudiando no es físicamente realista, porque es un universo con cuatro grandes dimensiones espaciales. Resulta que este es el caso más sencillo de tratar, por razones bastante técnicas. Por supuesto, el universo real solo tiene tres grandes dimensiones espaciales, pero por el momento nos hemos centrado en un modelo de cuatro dimensiones porque las matemáticas son más fáciles. Cualitativamente, lo que este estudio está revelando es que se pueden estudiar singularidades en gravedad y darles sentido. Creo que eso es muy excitante y creo que estamos en una vía muy interesante. Espero que realmente lleguemos a entender cómo se forman las singularidades en gravedad, cómo evoluciona el universo a través de ellas, y cómo esas singularidades desaparecen.

Sospecho que eso será la explicación del Big Bang, que el Big Bang fue la formación de una singularidad en el universo. Creo que al comprenderlo estaremos en mejores condiciones para entender cómo se establecieron las leyes de la física que actualmente vemos: por qué hay electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuerza débil, y así sucesivamente. Todas estas cosas son una consecuencia de la estructura del universo a pequeña escala, y dicha estructura se fijó en el Big Bang. Es un campo muy difícil, pero estoy muy contento porque realmente estamos haciendo progresos.

El problema actual, que está dominando la física teórica —erróneamente, creo yo, porque creo que la gente debería estar estudiando la singularidad y el Big Bang ya que evidentemente es de ahí de donde viene todo, pero la mayoría de la gente está evitando el problema—, es el hecho de que el leyes de la física que vemos, de acuerdo con la teoría de cuerdas, son un resultado de la configuración específica de las dimensiones extra del espacio. Así que hay tres dimensiones ordinarias, de las que somos conscientes, y luego se supone que hay seis dimensiones más en la teoría de cuerdas, que se enrollan en un ovillo diminuto. En cualquier punto de nuestro mundo habría otras seis dimensiones, pero retorcidas en un nudo diminuto. Y el problema es que hay un enorme número de maneras de retorcer estas dimensiones extra. Probablemente haya un número infinito de formas. Hablando en términos muy generales, pueden envolverse en branas envolventes y otros objetos que las rodean, retorcerse como un pañuelo con un montón de trozos de cuerda y bandas elásticas enrollados alrededor.

Esto provocó que mucha gente se tirara de los pelos. Se suponía que la teoría de cuerdas era una teoría única y que iba a predecir un único conjunto de leyes de la física, pero la teoría permite muchos tipos diferentes de universos con las dimensiones extra retorcidas de diferentes maneras. ¿En cuál de ellos vivimos? Lo que algunas personas han estado haciendo, porque suponen que el universo simplemente parte del Bang en algún momento, es simplemente lanzar un dado. Dicen: «De acuerdo, podría estar retorcido de esta manera, o de esa manera o de esa otra manera, y no tenemos manera de juzgar cuál es más probable que las demás, así que vamos a suponer que es al azar». En consecuencia, no pueden predecir nada. Puesto que no tienen una teoría del Big Bang, no tienen una teoría de por qué esas dimensiones terminaron de la manera que son. Llaman a esto el paisaje; hay un paisaje de universos posibles, y ellos aceptan que no tienen ninguna teoría de por qué deberíamos vivir en un lugar determinado en el paisaje. Entonces, ¿qué hacen?

«Bueno —dicen ellos—, quizá necesitamos el principio antrópico.» El principio antrópico dice que el universo es como es porque si fuera diferente no estaríamos aquí. La idea es que existe este gran paisaje con un montón de universos en el mismo, pero el único que puede permitir que existamos es el que tiene exactamente las leyes de la física que vemos. Parece un argumento extravagante. Es un argumento muy extravagante. No predice nada. Es un ejemplo clásico de posdicción: simplemente está diciendo «Bueno, tiene que ser así, porque de lo contrario no estaríamos aquí hablando de ello». Podría señalar muchos otros defectos lógicos en el argumento, pero el punto básico es que este argumento no llega en realidad a ninguna parte. No es predictivo y no se puede poner a prueba. El principio antrópico, tal como está siendo utilizado ahora, no conduce realmente a ningún progreso en el tema. Y lo que es peor todavía, está desanimando a la gente de abordar las cuestiones importantes, como el hecho de que la teoría de cuerdas, tal como se entiende actualmente, es incompleta y debe ampliarse para tratar el Big Bang. Eso es algo obvio, pero resulta sorprendente que muy pocos parezcan apreciarlo.

No estoy convencido de que el paisaje sea real. Todavía hay algunas dudas matemáticas razonables acerca de si todas estas configuraciones retorcidas son legítimas. No ha sido demostrado. Pero si es cierto, entonces ¿cómo se va a decidir cuál de estas configuraciones es la que adopta el universo? A mí me parece que, hagas lo que hagas, tienes que tratar con el Big Bang. Se necesita una teoría matemática de cómo funciona el Big Bang, ya sea una que describa cómo empezó el tiempo o una que describa cómo el universo atraviesa un suceso como el Big Bang y si, cuando lo atraviesa, va a tener un efecto dramático sobre estas dimensiones retorcidas. Para mí, la solución más plausible de un problema de paisaje sería que la dinámica del universo seleccione una configuración determinada como la más eficaz para atravesar Big Bangs y permitir un universo que sigue ciclos durante un tiempo muy largo.

Por ejemplo, solo por poner un ejemplo trivial: si uno pregunta por qué el gas en esta sala está uniformemente distribuido, necesitamos una teoría física que lo explique. De nada serviría decir: «Bueno, si no fuera así, habría un gran vacío en una parte de la sala y si yo entrara allí me moriría». Si la distribución de gas no fuera del todo uniforme, nosotros no duraríamos mucho tiempo. Eso es el principio antrópico. Pero no es la explicación científica. La explicación es que las moléculas que hay en la habitación se están agitando, y cuando se comprende su dinámica se entiende que es mucho más probable que se asienten en una configuración en la que están distribuidas casi de manera uniforme. No tiene nada que ver con la existencia de las personas.

De la misma manera, creo que la mejor manera de acercarse a los misterios cosmológicos es comenzar por entender cómo funciona el Big Bang. Entonces, cuando estudiemos la dinámica del Bang, tendremos esperanzas de descubrir que la dinámica lleva a un universo parecido al nuestro. Si uno no puede entender la dinámica, no puede hacer mucho realmente, excepto rendirse y recurrir al argumento antrópico. Es un punto obvio, pero, por extraño que parezca, es una opinión minoritaria. En nuestro campo, la opinión mayoritaria en este momento es esta imagen de un paisaje bastante extraño donde alguien, o algún proceso aleatorio, y nadie sabe cómo sucede, elige que nosotros estemos en uno de estos universos.

La idea detrás del universo cíclico es que el mundo que experimentamos, con tres dimensiones espaciales, es en realidad un objeto extenso, que se puede imaginar como una membrana siempre que recordemos que es tridimensional —nosotros simplemente la dibujamos como bidimensional porque es más fácil de visualizar—. De acuerdo con esta imagen, vivimos en una de estas membranas, y esta membrana no es la única, hay otra membrana pareja, separada de ella por un espacio muy pequeño. Hay tres dimensiones del espacio dentro de cada membrana, y una cuarta dimensión que separa las dos membranas. Sucede que en esta teoría hay otras seis dimensiones espaciales, también enrolladas en un ovillo diminuto, pero vamos a olvidarnos de esas por el momento.

Así que uno tiene esta configuración con estos dos mundos paralelos, literal y geométricamente paralelos, separados por un pequeño espacio. Esta imagen no fue un sueño. Esta imagen surge de los modelos matemáticos más sofisticados que tenemos de las partículas y fuerzas fundamentales. Cuando tratamos de describir la realidad, los quarks, electrones, fotones y todas estas cosas, nos vemos llevados a esta imagen de los dos mundos paralelos separados por un espacio, y nuestro punto de partida fue suponer que esta imagen es correcta.

Estas membranas son a veces llamadas «extremos de los mundo-branas». Básicamente, porque son como espejos; son reflectores. No hay nada fuera de ellas. Son literalmente el fin del mundo. Si usted viaja a través del espacio entre las dos membranas, daría en una de ellas y rebotaría. No hay nada más allá de ellas. Así que todo lo que tiene son estas dos membranas paralelas con un espacio que las separa. Pero estas dos membranas se pueden mover. Así que imaginemos que partimos del universo actual. Estamos sentados aquí, hoy, y estamos viviendo en una de estas membranas. Hay otra membrana, muy cerca de nosotros. No podemos verla porque la luz solo viaja a lo largo de nuestra membrana, pero la distancia que la separa de nosotros es mucho más pequeña que el tamaño de un núcleo atómico. Apenas está separada de nosotros. También sabemos que en el universo actual hay algo llamado «energía oscura». La energía oscura es la energía del espacio vacío. Dentro de la teoría cíclica, la energía asociada con la fuerza de atracción entre estas dos membranas es responsable, en parte, de la energía oscura.

Imagine que usted tiene estas dos membranas que se atraen mutuamente. Para separarlas tiene que poner energía en el sistema. Esa es la energía oscura. Y la energía oscura en sí misma hace que estas dos membranas se atraigan. En ese preciso momento el universo está lleno de energía oscura; lo sabemos a partir de observaciones. De acuerdo con nuestro modelo, la energía oscura no es realmente estable y no va a durar para siempre. Si usted piensa en una bola rodando por una colina, la energía almacenada crece a medida que la bola sube a más altura; del mismo modo la energía oscura crece a medida que aumenta la separación entre las membranas. En algún momento, el movimiento de la bola se invierte y cae cuesta abajo. Y del mismo modo, después de un período de dominio de la energía oscura, las dos membranas comienzan a moverse una hacia otra, y luego colisionan, y eso es el Bang. La desexcitación de la energía oscura que vemos hoy en día es lo que conduce al próximo Big Bang en el modelo cíclico.

La energía oscura no fue confirmada observacionalmente hasta 1999 y fue una enorme sorpresa para la imagen inflacionaria. No hay razón para su existencia en esa imagen: según la teoría inflacionaria, la energía oscura no desempeña ningún papel en el universo primitivo. Por el contrario, en el modelo cíclico, la energía oscura es de vital importancia, ya que es la desexcitación de la energía oscura lo que lleva al siguiente Big Bang.

Esta imagen de colisiones cíclicas entre branas resuelve realmente uno de los rompecabezas más duraderos en los modelos cíclicos. La idea de un modelo cíclico no es nueva: Friedmann y otros imaginaron un modelo cíclico ya en la década de 1930. Ellos concebían un universo finito que colapsaba y rebotaba una y otra vez. Pero Richard Tolman pronto señaló que, en realidad, eso no eliminaría el problema de la necesidad de tener un principio. La razón de que esos modelos cíclicos no funcionaran es que cada rebote produce más radiación y eso significa que el universo tiene más cosas en él. De acuerdo con las ecuaciones de Einstein, esto hace el universo más grande después de cada rebote, de modo que cada ciclo dura más que el que le precede. Entonces, si nos remontamos hacia el pasado, la duración de cada rebote se hace cada vez más corta y la duración de los ciclos se reduce a cero, lo que significa que el universo seguía teniendo que comenzar hace un tiempo finito. Un modelo cíclico eterno era imposible en el marco antiguo. Lo que hay de nuevo en nuestro modelo es que mediante el empleo de la energía oscura, y teniendo un universo infinito que diluye la radiación y la materia después de cada Bang, podemos tener realmente un universo cíclico eterno, que podría durar para siempre.

12.

Einstein: un simposio «edge»

Brian Greene, Walter Isaacson, Paul Steinhardt

Brian Greene

Profesor de Matemáticas y Física en laUniversidad de Columbia, y autor de La realidad oculta, de El tejido del cosmos y de El universo elegante.

Tratándose de Albert Einstein, sus contribuciones son de tan increíble magnitud que meterse en su cabeza y tener, aunque solo fuera por un momento, una idea de lo que es ver el mundo con tal claridad e intuición sería fascinante.

Pero si yo tuviera que hacerle una pregunta, probablemente me atendría a una un poco más pegada a la tierra. Es bien conocido que, hablando de la teoría de la relatividad general, él dijo que no estaba esperando a que los datos mostraran si era correcta o incorrecta; la teoría era tan bella que tenía que ser correcta. Y cuando llegaron los datos y la confirmaron, afirmó que ni siquiera estaba sorprendido; de hecho, es bien conocido que dijo que si los datos hubieran resultado diferentes lo habría sentido por el buen Dios, porque la teoría era correcta. ¡Tanta fe tenía en la teoría!

Así que la pregunta que tengo es: nosotros, muchos de nosotros, estamos trabajando sobre el legado de Einstein en un sentido, que es tratar de encontrar la teoría unificada que él buscó durante largo tiempo y nunca encontró, y ahora llevamos muchos años siguiendo una aproximación llamada teoría de supercuerdas. Y es una empresa completamente teórica. Es completamente matemática. Todavía tiene que tomar contacto con los datos experimentales. Me gustaría preguntar a Einstein qué pensaba de esta aproximación a la unificación. ¿Ve en este marco la misma belleza, la misma elegancia, el mismo tipo de ideas poderosas e incisivas que pudieran ofrecerle la misma confianza que tenía en la teoría de la relatividad general?

Sería bueno tener su respuesta a esto, porque no sabemos cuándo vamos a entrar en contacto con los datos experimentales. Creo que la mayoría de los que trabajamos en este campo nunca vamos a tener fe en que esta aproximación es correcta hasta que entremos en contacto con los datos, pero sería bueno tener la opinión del maestro respecto a si cree que esto huele bien, que va en la dirección correcta. Muchos de nosotros pensamos que sí, pero sería bueno tener también su opinión sobre esta cuestión.

Walter Isaacson

Presidente y director ejecutivo del Instituto Aspen, y autor de Steve Jobs and Einstein: His Life and Universe.

Yo iba a hacerle la misma pregunta que Brian, pero me voy a extender ahora un poco más. Durante las dos últimas décadas de su vida, e incluso durante las dos últimas horas de su vida, en su lecho de muerte, Einstein estuvo escribiendo ecuaciones, muy matemáticas, tratando de hacer la teoría unificada que reunirá las diversas fuerzas de la naturaleza en una aproximación de teoría de campos.

Brian planteaba la pregunta de si Einstein aprobaría esto o no, y yo creo que sí lo haría, porque si nos fijamos en la, quizá, docena de serios esfuerzos que hizo hacia una teoría unificada estos sí tienen mucho en común con las matemáticas y la aproximación matemática que se está haciendo en la teoría de supercuerdas, incluyendo la consideración de dimensiones extra y utilizando las matemáticas de esa manera para tratar de encontrar la solución matemática elegante.

Eso llevaría a la siguiente pregunta que tengo sobre Einstein. En la primera parte de su carrera y, puedo suponer, la parte más exitosa de su carrera, él no se basaba tanto en el formalismo matemático. En su lugar, en todos los artículos de 1905 y en los principales experimentos mentales que le pusieron en el camino hacia la relatividad general que culminó en 1915, él tenía una intuición física. De hecho, las personas que examinan su teoría de la relatividad general las llaman estrategia matemática y estrategia física.

Obviamente no son totalmente independientes en su proceso iterativo, pero en el período comprendido entre 1905 hasta al menos 1914 él apenas consideraba las matemáticas como una herramienta de depuración para la que contaría con la ayuda de otras personas una vez que entendió la equivalencia entre la gravedad y la aceleración o los otros grandes experimentos mentales que hizo.

Si nos fijamos en lo que hace posteriormente con la teoría unificada, personas que colaboraron con él, como Banesh Hoffman y otros, dicen: «No teníamos ninguna idea física que nos guiara, nada parecido al principio de equivalencia entre gravedad y aceleración, o alguna otra gran idea, y en su lugar se convirtió en un formalismo cada vez más matemático, sin lo que Einstein llamaba las luces de tierra que nos pondrían más en contacto, como acabamos de decir, con la realidad física». Y hay algunos que piensan —y yo lo siento así, y por eso he adoptado esta idea— que él utilizó la estrategia física, la aproximación física, desde 1905 hasta alrededor de 1913-1914, e incluso en los cuadernos de Zúrich, donde trata de obtener la relatividad general y las ecuaciones de la gravedad correctas, y simplemente no puede obtenerlas; y está compitiendo con David Hilbert, que es un matemático de Gotinga que tiene la ventaja de ser un matemático mejor, pero también la desventaja de no ser tan bueno como físico.

A Hilbert no le preocupa si la teoría se reduce a la teoría newtoniana en el caso de campo débil o lo que sea; él simplemente estaba siguiendo la covarianza general como estrategia matemática para obtener las ecuaciones de campo de la gravedad. Einstein finalmente adopta esta aproximación y eso hace que tenga éxito gracias a lo que es una estrategia muy matemática. Y durante el resto de su vida dedicará mucho tiempo al formalismo matemático en lugar de preocuparse por la física intuitiva que hay detrás de todo.

¿Era esa la aproximación correcta? ¿Es eso lo que está pasando con la teoría de cuerdas? ¿Es esa la mejor manera de hacerlo; es lo que uno tiene que hacer? Como dijo Einstein cuando se le preguntó acerca de esto, esa es la manera en que hay que aproximarse a las cosas ahora, no tenemos ninguna nueva idea física deslumbrante.

Finalmente, la gran pregunta es, cuando él lucha —y yo creo que su búsqueda de una teoría unificada viene de su malestar con la mecánica cuántica—, cuando se enfrenta a quienes están en el campo de la mecánica cuántica, ellos contraatacan y dicen cosas como «Bueno, solo estamos haciendo lo que tú solías hacer, estamos cuestionando todas las hipótesis; estamos diciendo que, a menos que se pueda observar algo, no hay ninguna razón para postular que existe». Einstein dice: «Sí, pero eso no tiene sentido ahora». Y ellos responden: «Tú siempre cuestionabas la autoridad y cuestionabas todo a menos que realmente pudieras observarlo, y ahora te resistes».

Einstein dijo: «Bueno, para castigarme por mi desprecio de la autoridad, el destino me ha convertido en una autoridad. Ya no soy tan rebelde». Es lo que está diciendo. Así que ¿por qué se hace en cierto modo más defensor del orden clásico y menos rebelde, incluso cuando sigue buscando la teoría unificada?

Paul Steinhardt

Catedrático Albert Einstein en Ciencia del Departamento de Física y Ciencias Astrofísicas, Universidad de Princeton, y

coautor de Endless Universe.

La pregunta que yo tengo acerca de Einstein está relacionada con la que ha planteado Brian, pero con un matiz, tal vez porque yo veo lo que ha estado sucediendo en la física teórica en los últimos treinta años, y especialmente en los últimos años, desde un punto de vista ligeramente diferente.

En los últimos treinta años han surgido en la física teórica grandes ideas que estaban destinadas a simplificar nuestra comprensión del universo. Una de ellas es la idea de la inflación, la idea de que hubo un período de expansión muy rápida que alisó y aplanó el universo y que explica por qué veríamos prácticamente lo mismo desde cualquier lugar que miráramos. Por supuesto, está basada en la teoría de la relatividad general de Einstein y directamente relacionada con su introducción de la cosmológica en 1917, aunque elaborada de tal manera que esta rápida expansión solo ocurriría en el universo primitivo, y no en el universo posterior. Simplemente para explicar por qué el universo es igual, o parece igual, en casi todas partes.

La otra gran idea que se ha estado desarrollando es esa de la que Brian ha escrito de forma tan elegante, que es la idea de la teoría de cuerdas, que todo en la naturaleza está hecho de cuerdas vibrantes cuánticas, y que podemos derivar una teoría unificada sencilla que explique todos las leyes físicas que vemos.

Se esperaba que la teoría de cuerdas iba a explicar el mundo microfísico y la inflación iba a explicar el mundo macrofísico.

¿Qué hemos aprendido de estas dos grandes teorías, la inflación y la teoría de cuerdas? Pues bien, en los últimos años, especialmente en la última década, hemos aprendido que —por lo menos a mi modo de ver— ninguna de las dos está realmente satisfaciendo su promesa. Resulta que la inflación no hace lo que originalmente pensábamos que hacía cuando se introdujo en la década de 1980. No toma un universo original inicialmente complicado, inhomogéneo, no uniforme, curvado y retorcido, y lo aplana en todas partes, y deja un universo que está lleno de la materia que vemos, que se suaviza y aplana. En lugar de esto, lo que hace la inflación, una vez que comienza, es seguir haciendo un universo cada vez más hinchado, y solo ocasionalmente deja tras de sí unas pocas bolsas en el universo que tienen materia que podríamos reconocer y que podrían ser habitables.

Y de hecho, de entre todas estas bolsas, las que se parecerían a las que observamos serían muy raras. De modo que si bien la inflación fue diseñada para explicar por qué el universo es tan uniforme como es, y por qué eso es una ocurrencia probable, parece que la teoría nos está llevando a un punto de vista en donde con inflación es realmente improbable que encontremos bolsas en el universo que parezcan tan lisas y planas como lo que observamos.

Del mismo modo, la esperanza en la teoría de cuerdas era que iba a explicar unívocamente por qué las leyes de la física son las que son. Pero los desarrollos de los últimos años sugieren que la teoría de cuerdas no hace una predicción única para las leyes físicas: de hecho podría haber un gúgol, o muchos gúgoles, de posibilidades. Y las que nos ha tocado observar no son particularmente probables, al menos no hay ninguna razón por la que deberían ser probables.

Así que una conclusión clave de acuerdo con la visión actual de la teoría de cuerdas y la teoría inflacionaria es que la naturaleza del universo es fundamentalmente aleatoria. Aunque el universo parece ser notablemente uniforme en todas partes hasta donde podemos ver, nuestras teorías más destacadas en la actualidad sugieren que las condiciones que observamos son en realidad fenómenos muy raros y poco probables en el universo entero. Y yo me pregunto qué hubiera pensado Einstein de eso. Me pregunto si hubiera encontrado aceptable una idea como esta. Mi propio punto de vista es que tenemos que cambiar uno o ambos de estos dos componentes clave de nuestra comprensión del universo. Tenemos que revisarlos drásticamente o reformarlos por completo, reemplazarlos por algo que se combine para hacer una teoría poderosa que realmente explique, de una manera convincente, por qué el universo es como es.

ISAACSON: ¿Por qué hay una discusión teológica tan personal —puedo verla entre Sam Harris, Richard Dawkins y Christopher Hitchens, por un lado, y quienes son firmes creyentes por el otro— hasta el punto en que cuando la gente comienza a debatir la teoría de cuerdas sus rostros se ponen rojos?

STEINHARDT: Creo que es por la razón que yo estaba empezando a plantear. En mi opinión y en la de muchos otros la teoría fundamental está atascada en este momento. En lugar de proporcionar lo que se suponía que iba a proporcionar —una explicación sencilla de por qué las masas de las partículas y sus interacciones son las que son— la teoría nos dice que hay gúgoles de posibilidades y no hay ninguna razón en particular para las propiedades que realmente observamos. Han sido seleccionadas al azar. De hecho, la mayor parte del universo tiene propiedades diferentes. Entonces, la pregunta es: ¿es esa una explicación satisfactoria de las leyes de la física? En mi opinión, si yo hubiera entrado por la puerta con una teoría que no se llamara teoría de cuerdas y dijera que es consistente con las leyes observadas de la naturaleza, pero, por cierto, también da un gúgol de otras posibilidades, dudo que hubiera podido decir otra frase. No habría sido tomado en serio.

GREENE: ¿De verdad piensas eso? No quiero ponerme técnico, pero tomemos el modelo estándar de la física de partículas, que es la teoría cuántica de campos que ha sido desarrollada a lo largo de varias décadas y que generalmente vemos como el logro más sólido, el pináculo de la física de partículas. Cuando nos fijamos en el marco en el que se sitúa el modelo estándar de física de partículas, es decir, la teoría cuántica de campos relativista, encontramos que hay un gúgol, si no más, de universos posibles que ese marco es capaz de describir. Las masas de las partículas pueden modificarse de manera arbitraria y la teoría sigue teniendo sentido, es internamente consistente; se pueden cambiar las intensidades de las fuerzas, las intensidades de las constantes de acoplamiento.

Así, si tomas el modelo estándar, el modelo que todos pensamos que es tan espectacular, dentro del paisaje de teorías a las que ese marco pueden dar lugar, y entras por la puerta y dices: «He obtenido esta teoría llamada el modelo estándar para describir toda la física», ¿no está todo el mundo excitado? Si yo utilizara el mismo criterio para juzgarla, tú pensarías que yo también iba a ignorarla porque forma parte de una familia de teorías que pueden describir un gúgol de universos diferentes. Entonces, ¿en qué se diferencia de la teoría de cuerdas?

STEINHARDT: Bueno, yo creo que hay una diferencia fundamental, que es que nadie cree que el modelo estándar sea la teoría final, y la teoría de cuerdas está proclamando que es la teoría final.

GREENE: ¡Oh!, creo que ese tipo de afirmaciones habría que ponerlas...

STEINHARDT: Pero se ha planteado la pregunta, ¿por qué hay gente molesta con ella? Y la respuesta es, porque ya la creas personalmente o no, la teoría de cuerdas ha sido anunciada como la teoría final a partir de la cual deberíamos ser capaces de entender...

GREENE: Tendría que decir que es lamentable que la gente hiciera ese tipo de publicidad. Si uno se fija en la historia de la teoría de cuerdas, estoy de acuerdo contigo; hubo un momento en que la gente pensaba que esta podría ser la teoría final que describiría todo. De hecho, aún puede serlo. Pero creo que hubo un cierto tipo de euforia juvenil que dominó cuando la teoría estaba en su infancia en la década de 1980 y principios de la de 1990, una euforia que tal vez era un poco infundada, porque la teoría estaba tan inmadura que realmente no se podían hacer pronunciamientos sobre ella en los que realmente se pudiera tener fe. Yo, personalmente, como creo que hacen muchos teóricos de cuerdas, veo la teoría de cuerdas como un posible próximo paso hacia una comprensión más profunda de las leyes de la física. Podría ser el paso final, no podemos juzgarlo todavía.

Creo que la manera más sobria de considerarla es que tenemos la mecánica cuántica, tenemos la relatividad general, tenemos que juntarlas de una manera consistente, la teoría de cuerdas es una manera posible de hacerlo y, por lo tanto, deberíamos explorarla y ver adónde va. Creo que sería lamentable que por el simple hecho de que esté siendo anunciada como la teoría final se la juzgue de manera diferente de como se juzga a cualquier otra teoría científica, que es por sus propios méritos.

STEINHARDT: Eso es una estupenda retirada de lo que mucha gente ha afirmado.

GREENE: ¿De verdad lo crees?

STEINHARDT: Sí, por supuesto. Y es peor que eso. Algunos llegan a afirmar que esta idea de que hay este gúgol, o tal vez un número infinito de posibilidades, es algo que deberíamos aceptar, que ahora se deduce de la teoría de cuerdas; que deberíamos aceptar que la teoría de cuerdas es verdadera, y puesto que ha llevado a esta multiplicidad de posibilidades, deberíamos aceptar esta conclusión como verdadera.

GREENE: Es cierto que los científicos en general, y muy en particular los teóricos de cuerdas, suelen describir su trabajo sin hacer siempre todas las matizaciones necesarias. Yo, por ejemplo, he hablado de la teoría de cuerdas como una posible teoría final, como la posible teoría que uniría todas las fuerzas y toda la materia en un marco coherente; y generalmente procuro decir —aunque quizá no siempre— que todavía no es una teoría probada; nuestra esperanza es que lo conseguirá. No estamos seguros de dónde va a llevar. Simplemente tenemos que explorar y ver dónde aterrizamos.

Del mismo modo, creo que si te sentaras a hablar en un escenario más informal con la gente a la que te refieres —los que hablan de todos estos universos diferentes que salen de la teoría de cuerdas y de cómo es un nuevo marco que tenemos para pensar en las cosas, en el que somos uno de muchos universos— ellos te dirían: «Sí, lo que realmente queremos decir es que es aquí adonde parece que nos ha llevado la teoría de cuerdas, y por eso queremos explorarlo». ¿Es necesariamente el marco? Creo que la mayoría de ellos diría: «No lo sabemos; simplemente estamos disparando en la oscuridad porque esta es nuestra mejor aproximación a una mecánica cuántica y una relatividad general unificadas, y vamos a explorar adónde nos lleva». Ellos no están diciendo necesariamente que es ahí definitivamente adónde va, porque esa es la naturaleza de la investigación: tú no sabes adónde va a llevar, solo sigues adelante y ves adónde te lleva.

STEINHARDT: Pero lo que irrita a la gente es la sola idea de que se pueda aceptar esa posibilidad, que la teoría final tiene este gúgol de posibilidades para las leyes de la física. Eso no debería ser aceptado. Esto debería ser considerado como un fracaso que requiere una idea salvadora. El hecho es que dondequiera que miremos en el universo solo vemos un conjunto de leyes. Además, el universo es liso y uniforme, más liso y más uniforme de lo que necesitamos los seres humanos para existir. Sin embargo, se nos pide que aceptemos la idea de que el universo más allá de donde podemos ver es completamente diferente. ¿Es esto ciencia o es metafísica?

ISAACSON: Eso es exactamente: estábamos hablando de por qué despierta tanta pasión y luego empezamos a debatir directamente la teoría de cuerdas. Me encantaría volver de nuevo a Einstein. Dos veces dijiste algo que me parece muy interesante: que tenemos que encontrar una manera de hacer compatibles sus dos grandes pilares de la física del siglo XX, la relatividad general y la teoría cuántica. Por supuesto, Einstein creía en ello sin reservas, porque él amaba la unificación, amaba la unidad. En segundo lugar, él y Newton estaban de acuerdo en algo muy importante, y es que la naturaleza ama la simplicidad. Pero siempre me he preguntado por la cuestión filosófica más metafísica: ¿cómo sabemos que a Dios le gusta la simplicidad? ¿Cómo sabemos que él quiere que estas cosas sean compatibles? ¿Cómo sabemos que la teoría cuántica y la relatividad tienen que ser conciliables?

GREENE: En realidad, algunas personas sugieren que no necesariamente tienen que ser compatibles. Nunca me han convencido sus argumentos; a mí me parece evidente que las leyes de las que estamos hablando, y la teoría cuántica en particular, no pretendían solamente describir las cosas pequeñas —que es donde fue desarrollada y donde sus características inusuales se manifiestan con más fuerza—, sino que la teoría cuántica pretendía ser una teoría que se aplica en todas partes, en todas las escalas.

La relatividad general se inicia como una teoría que describe las cosas grandes porque es ahí donde la gravedad importa; pero cuando te fijas en las ecuaciones de la relatividad general ves que, en principio, pueden aplicarse en escalas arbitrariamente pequeñas. Lo que ocurre es que, cuando llegas a escalas realmente minúsculas, notas que hay una incompatibilidad profunda entre las dos teorías, y además te das cuenta de que hay cosas en el universo que entran en esos dominios. Tienes, por ejemplo, un agujero negro, que puedes decir que empieza como una estrella que luego agota su combustible nuclear, colapsa bajo su propio peso y se hace cada vez más pequeña; en algún momento la estrella se hace tan pequeña que la mecánica cuántica realmente comienza a cobrar una gran importancia. Por su parte, la gravedad es siempre importante porque se trata de un objeto muy pesado. Si esas dos teorías no trabajan juntas, ¿cómo se puede describir lo que sucede con esta estrella que colapsa?

ISAACSON: ¿Esto es cierto también en el Big Bang?

STEINHARDT: Sí, y por eso es por lo que la cosmología es el campo de batalla clave para tratar de resolver cómo se relacionan la física cuántica y la gravedad. No puedes dejar de utilizarlas para comprender de dónde surgió el universo, o si tuvo un comienzo, o qué sucedió antes del Bang.

ISAACSON: ¿Y es imposible imaginar un cosmos en el que esas dos teorías no fueran de alguna manera fundamental totalmente conciliables?

STEINHARDT: Sería un error. Sería inconsistente.

GREENE: Aunque Freeman Dyson parece tener puntos de vista inusuales sobre esto.

STEINHARDT: Sí, y yo también tengo que decir que no los entiendo...

ISAACSON: Y sobre eso es donde yo tenía mi pregunta, pero trataba de evitar a Freeman Dyson porque tenía miedo de haber malinterpretado por completo su pregunta.

STEINHARDT: Pero tú hiciste una buena pregunta, ¿y cómo lo sabemos? La respuesta es que no sabemos que las cosas tengan que ser simples. Pero un par de cosas interesantes han sucedido históricamente conforme hemos seguido esa línea de razonamiento.

Nos las hemos arreglado para impulsar el programa de comprender el universo en escalas pequeñas y en escalas grandes, siguiendo esta aproximación de buscar simplicidad. En particular, cuando nos fijamos en el cosmos; ahora podemos ver los más lejanos confines observables del cosmos, podemos ver que las leyes de la física son las mismas, y que las condiciones físicas también son muy similares en todo universo observable.

Hasta que tengamos pruebas firmes de lo contrario, creo que seguiremos este programa de búsqueda de unificación y simplicidad hasta que nos lleve tan lejos como podamos ir. No tengo ninguna clase de principios morales sobre el método científico; simplemente creo que es el método más eficaz que hemos encontrado los seres humanos hasta el momento para tomar lo que sabemos y sumar nuevos conocimientos. Si se nos ocurre otro programa de pensamiento que lo haga mejor, deberíamos adoptarlo, pero por el momento...

ISAACSON: ¿Así que una parte fundamental del programa de pensamiento es que las leyes se unifican en algún nivel, y que finalmente llegaremos a una mayor simplicidad, y no más complejidad bizantina en las leyes de la naturaleza?

GREENE: Siempre y cuando estés dispuesto a ajustar la medida de la simplicidad y la complejidad a medida que aprendes cada vez más sobre el universo. Si tuvieras que presentar la mecánica cuántica a Newton, en un primer momento podría parecer bastante complicado porque utiliza unas matemáticas completamente diferentes, ideas diferentes, invoca conceptos que no puedes ver directamente, y eso sin duda se siente como una capa de complejidad. Pero cuando lo estudias durante muchas décadas y te acostumbras a sus características inusuales, lo miras y ves que es solo una simple ecuación: la ecuación de Schrödinger.

Desde un punto de vista matemático puro, es una ecuación lineal —en términos técnicos, el tipo más simple de ecuación para analizar— y describe los datos. Así que tu sentido de lo que es complicado y lo que es simple se ha desplazado ahora una capa porque estás juzgando este marco que para un científico de los siglos XVI o XVII podría parecer realmente extraño; pero desde una perspectiva moderna funciona, y tú afinas tu sentido estético de modo que realmente parece muy elegante, y muy simple.

ISAACSON: Utilizas con frecuencia la palabra «elegante», que...

GREENE: Se ha convertido en algo manido, pero si una teoría es tan simple que su ecuación profunda se puede poner en una camiseta, entonces generalmente la vemos como algo bastante sencillo. Ciertamente ese es el caso tanto de la relatividad general como de la mecánica cuántica.

ISAACSON: Hay un libro maravilloso que escribió Einstein, con Leopold Infeld, en 1938, llamado La evolución de la física, que no es fácil de encontrar. Lo he repasado dos o tres veces porque me encanta cómo se escribió. Se escribió para ganar dinero para los dos, porque es de los años treinta, y estaba Hitler, y eran refugiados y todo eso. Es un libro muy popular, pero tiene un argumento filosófico profundo, y el editor va a reeditarlo porque yo le insistí para que lo sacara.

El argumento filosófico profundo es que será una aproximación de teoría de campos la que va a funcionar. Empieza con Galileo; habla sobre la materia y las partículas, y sencillamente hace que el argumento de que al final todo va a reconciliarse mediante una teoría de campos. Se trata de si va a haber una gran diferencia entre una teoría de campos y una teoría de la materia.

GREENE: Puedes llevar esa pregunta todavía un paso más allá: ¿hay siquiera una distinción entre, por ejemplo, una teoría de campos, que ha tenido tanto éxito, y una teoría de cuerdas, que a primera vista parece invocar ideas diferentes de las que tendrías si estuvieras siguiendo una pura aproximación de teoría de campos?

Una de las grandes ideas, uno de los grandes resultados en la última década en la teoría de cuerdas ha sido encontrar una estrecha asociación, de hecho una equivalencia, entre teorías de campos y teorías de cuerdas. Incluso si la teoría de cuerdas parte de un punto de vista muy diferente y se puede estudiar sin que parezca ser una teoría de campos, te das cuenta...

ISAACSON: Pero ¿no son las matemáticas diferentes?

GREENE: Las matemáticas parecen diferentes al principio, pero uno de los sorprendentes descubrimientos en teoría de cuerdas en la última década ha sido algo que se llama «dualidades», esto es, algo parece de una manera y alguna otra cosa puede parecer completamente diferente, pero si los estudias con la intensidad adecuada y la precisión adecuada puedes encontrar que en realidad son la misma cosa, solo que descrita en diferentes lenguajes. Igual que en un libro en francés y en un libro en sánscrito no parecen iguales, pero si tienes un diccionario que los relaciona puedes decir: «¡Ah!, son el mismo libro». Del mismo modo, tenemos la teoría de cuerdas enmarcada en el lenguaje que es relevante para la teoría de cuerdas...

ISAACSON: Un lenguaje matemático que no es teoría de campos...

GREENE: Un lenguaje matemático que no parece teoría de campos, y luego tienes una teoría de campos formulada en el lenguaje de la teoría cuántica de campos, y parecen diferentes, se ven diferentes, pero se ha hecho mucho trabajo para fijar el diccionario que te permite decir: «Este elemento de esto es ese elemento de eso, y viceversa», y te das cuenta de que en realidad están hablando de la misma teoría, solo que en un lenguaje diferente.

ISAACSON: ¿Es eso una especie de reflejo de la dualidad básica que hay en el corazón de la mecánica cuántica?

GREENE: No, creo que este es un tipo de dualidad diferente —y Paul tiene una visión diferente sobre esto— porque las dualidades en cuestión son inherentes a cada una de estas aproximaciones, con independencia del hecho de que resulten estar hablando de la misma teoría. Es una relación completamente inesperada y profunda entre ellas, pero fundamentalmente muestra que la teoría de cuerdas no es en realidad tan diferente de la teoría de campos; es teoría de campos, es un tipo particular de teoría de campos, solo que organizado de una manera diferente que hace que se vea diferente a primera vista. Pero básicamente confirma lo que estabas diciendo de ese libro de hace setenta años, que la teoría de campos parece ser la herramienta que nos llevará al siguiente paso.

STEINHARDT: No estoy seguro de hasta qué punto hay que confiar en afirmaciones como esa, porque básicamente eso es hablar de las matemáticas que utilizas. Sería equivalente a decir que la explicación va a implicar cálculo infinitesimal. Y si bien es probable que la teoría de campos va a ser una de las herramientas matemáticas útiles, también es probable que tengamos que descubrir algunas nuevas matemáticas a lo largo del camino para llegar a una respuesta final. Creo que la mayoría de nosotros, Einstein incluido, tendemos a centrarnos menos en las herramientas y mucho más en los conceptos físicos subyacentes.

Quiero volver a una de las preguntas que has planteado: has preguntado por la simplicidad. Debería haber hecho hincapié en lo siguiente: podría haberse dado el caso de que, cuando empezamos a mirar el universo, hubiéramos descubierto diferentes leyes de la física, diferentes fuerzas gravitatorias, diferentes fuerzas electromagnéticas, otras diferencias extrañas respecto de lo que vemos cerca —curiosamente, las mismas cosas que algunos creen que predice la teoría de cuerdas—. Entonces nos hubiéramos convencido experimentalmente de que no vivimos en un universo sencillo y que algo como la imagen del paisaje de cuerdas es correcto. También viviríamos en un universo que, debido a su falta de uniformidad y nuestro limitado punto de vista aquí en la Tierra, no nos da ninguna esperanza de comprender el universo en su totalidad. Entonces, la imagen de un universo aleatorio sería convincente. En el momento en que empezamos a mirar al espacio, las cosas se verían tan diferentes de las que observamos aquí...

ISAACSON: Einstein tuvo un poco esa sensación, creo yo, a medida que la mecánica cuántica avanzaba a finales de los años cuarenta; él ya era viejo, pero seguía descubriendo cada vez más partículas y cada vez más fuerzas que ni siquiera estaba dispuesto a acomodar mientras permanecía allí, delante de su pizarra, con Valentine Bargmann y Peter Bergman y todos sus ayudantes. Pero estaba un poco deprimido por el hecho de que a la naturaleza parecía gustarle que se descubrieran cada vez más fuerzas y más partículas que no eran reconciliables.

STEINHARDT: Aunque me imagino que a Einstein le gustaría el concepto de la teoría de cuerdas. No todos los teóricos de cuerdas piensan de la misma manera, pero yo lo veo como la culminación del programa de Einstein de geometrización de las leyes de la física. Einstein tomó la gravedad y la convirtió en un espacio ondulante, gelatinoso, y ahora la teoría de cuerdas convierte todo lo que hay en el universo, todas las fuerzas, todos los constituyentes, en entes geométricos, vibrantes, ondulantes. La teoría de cuerdas también utiliza la idea de dimensiones más altas, que también es algo que Einstein encontraba atractivo.

Lo que yo estaba comentando antes era adónde ha llegado recientemente el programa de cuerdas, que he descrito como un atasco. No puedo decir a ciencia cierta cómo lo vería Einstein, pero tengo la firme sospecha de que él rechazaría la idea. Leí una cita interesante de Einstein —creo que de los años cincuenta— en la que decía que había fracasado en construir una teoría unificada y expresaba su preocupación porque podría pasar mucho tiempo antes de que se lograra hacerlo. La razón, afirmaba él, que a mí me pareció interesante, era que los físicos ya no saben lógica y filosofía. No mencionaba las matemáticas, sino más bien la lógica y la filosofía.

ISAACSON: Lo que él realmente sentía era que se había convertido en un confirmado realista, o un realista científico, y sentía que se trataba de una cuestión filosófica; que había una realidad física subyacente independiente de nuestras observaciones de la misma, y eso es lo que se suponía que la ciencia iba a descubrir. Pero eso pasó de moda con los que él llamaba neopositivistas; tú puedes llamarlos como quieras, pero supongo que la mayoría de la gente en la vanguardia de la mecánica cuántica no suscribiría la teoría de que hay una realidad física subyacente independiente de las observaciones de la misma, que es un pilar filosófico sobre el que se construye la ciencia. Y ese era su problema filosófico.

STEINHARDT: Yo lo interpreto de otra manera. En ese momento se había impuesto algo que se podría llamar una actitud americana hacia la física. Era una actitud en donde estaba rota la conexión entre la física y la filosofía. Se suponía que uno tenía que centrarse en lo calculable: tomar su teoría, hacer predicciones con ella, calcular con ella, poner a prueba si sus cálculos eran correctos por medio de experimentos; y mantenerse alejado de las cuestiones filosóficas. La idea era que, con este enfoque, podemos avanzar sistemáticamente en nuestro camino en la ciencia.

ISAACSON: Sí, esa es una buena observación. Ciertamente él podría haber querido decir eso, porque él también lo creía.

STEINHARDT: Desde ese punto de vista, la razón por la que la teoría unificada estaría más allá de nuestro alcance es que nunca se encontraría el camino sin la guía de principios filosóficos profundos. Pensé que era una cita interesante porque refleja algunas de mis preocupaciones acerca de dónde están yendo tanto la cosmología como la física fundamental, que tal vez han perdido su camino. Por supuesto que está pasado de moda apelar a puntos de vista filosóficos. Pero quizá sería una cosa sana.

GREENE: ¡Eh!, nosotros tenemos un grupo de investigación del que forma parte un filósofo, así que...

ISAACSON: Pero vosotros habéis tenido arte, habéis tenido música...

GREENE: No, no me estoy refiriendo a estas empresas en absoluto. Tenemos un grupo que está tratando de abordar cuestiones tales como la flecha del tiempo. ¿De dónde procede la flecha del tiempo? ¿Por qué el tiempo parece desarrollarse en una dirección pero no a la inversa? Esta es una pregunta que los filósofos han estudiado intensamente durante mucho tiempo, y han refinado la pregunta de tal manera que, cuando hablamos sobre diversas soluciones posibles, ellos son capaces de ver las soluciones y decir: «Bueno, espera un segundo, en realidad estás suponiendo de alguna manera algo que hemos pasado por alto y déjame explicarte cómo es».

Hemos encontrado que es muy útil hablar con filósofos que quizá no han estudiado teoría cuántica de campos con la intensidad técnica que lo haría un estudiante de grado o un investigador en física, pero han tomado cierta distancia para examinar las grandes preguntas, y realmente han reflexionado sobre ellas en un nivel fundamental. Y esto es realmente una ayuda extraordinaria.

ISAACSON: Volvamos a la historia, al período de 1900 a 1915, que para mí, tal vez porque estoy un poco sesgado por haber trabajado tanto sobre Einstein, es un período de gran creatividad explosiva. Es un período en el que se desarrollaron tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad, de modo que gran parte de ese desarrollo fue impulsado por la filosofía y los filósofos. Si le preguntaras a Einstein cuáles fueron sus influencias más importantes, él pondría a Michelson y Morley en el número 3.500 de la lista, si es que los ponía. De vez en cuando diría «Sí, no sé si los leí alguna vez», pero Ernst Mach y David Hume, esas son las personas que estábamos discutiendo todo el tiempo, y esas son las personas que nos llevaron a dar los saltos creativos que teníamos que dar en ese período.

Es interesante preguntar por qué entre 1900 y 1915 tenemos estos saltos creativos, obviamente en la ciencia, pero también en Stravinsky y Schönberg diciendo: «Está bien, no tenemos que atenernos a las reglas clásicas», o en Proust y Joyce, o en Picasso y Kandinsky, todos ellos rompiendo las reglas clásicas. Pero, especialmente en la ciencia, los saltos parecían haber sido impulsados por gente como Ernst Mach, que eran casi más filósofos que físicos.

STEINHARDT: Mi impresión es que esto empezó a romperse con los desarrollos de la mecánica cuántica en la década de 1920, cuando, después de un cierto esfuerzo luchando con la interpretación de la misma, llegó esta actitud de decir: «Vale, dejemos de preocuparnos por su interpretación; lo que sabemos que podemos hacer con ella es calcular y hacer predicciones de nuevos fenómenos». Y había tantos fenómenos nuevos para examinar que ocupó a generaciones de teóricos seguir esta línea de ataque: ignorar la interpretación y la filosofía y simplemente seguir adelante con estos cálculos.

Luego, una vez que se había roto la conexión histórica con la filosofía, esta llegó a ser menospreciada. Incluso se consideró que la filosofía podría distraer de descubrir algo interesante. Pero quizá ahora fuera el momento de volver a ella.

Ya ves, habían estado produciéndose grandes avances porque los físicos estaban haciendo preguntas que podían ponerse a prueba casi de inmediato. Durante casi un siglo había existido una rápida interacción de ida y vuelta entre experimento y teoría. Cada vez que llegara una nueva observación, o se realizara un nuevo experimento, habría una nueva pregunta. Alguien podía hacer un nuevo cálculo, y alguien más podría hacer el siguiente experimento: nueva física estaba fluyendo de la teoría al experimento y vuelta de nuevo muy rápidamente. Pero ahora hemos llegado a un punto en donde el tiempo que transcurre entre avances experimentales importantes en física fundamental es muy largo, décadas en el caso de la física de partículas. No tenemos guía experimental, y tampoco tenemos los fundamentos filosóficos. Quizá no necesitamos nuevos experimentos. Quizá tengamos que mirar de nuevo a la filosofía como guía.

GREENE: En el programa especial sobre la teoría de cuerdas que se emitió hace algún tiempo por televisión había entrevistas con varias personas sobre el hecho de que la teoría de cuerdas aún no había hecho predicciones que pudieran ponerse a prueba. Y la formulación de este hecho por varios físicos entrevistados era que si la teoría de cuerdas no puede hacer, o sí puede hacer, predicciones de este tipo se convierte en filosofía, no en física.

Mientras veía la serie me decía a mí mismo: «Pobres filósofos, la filosofía no es mala física, no es física que no ha alcanzado su meta.

Es solo una manera de analizar vías hacia la verdad que quizá no utilizan tantas matemáticas como normalmente utilizan físicos y matemáticos». Hay muchas ideas aún por aprovechar de la comunidad filosófica, y supongo que vamos a atravesar un ciclo en el que ese tipo de interacción se dará cada vez más.

STEINHARDT: Sí. De hecho, uno de los giros interesantes en la teoría de cuerdas de los que hemos estado hablando es la idea de que hay una multiplicidad de posibilidades, y una de las aproximaciones para tratar con ella es el razonamiento antrópico, es decir, utilizar el hecho de que existimos como una especie de principio de selección. Este resulta ser un territorio en el que los filósofos han pensado bastante. Están muy por delante de los físicos en cuanto a advertir los defectos y las trampas.

GREENE: Estoy totalmente de acuerdo contigo. ¿Podríamos volver a la evaluación que hiciste hace un rato de la teoría de cuerdas diciendo que estaba atascada? Me parece una valoración negativa muy fuerte, y me pregunto si te estoy entendiendo bien o si es más matizada.

Cuando uno mira la historia de la teoría de cuerdas, los logros han sido múltiples, como ya sabes: ideas sobre singularidades del espacio-tiempo, simetrías espejo, cambios de topología, la capacidad de entender ciertas estructuras de simetría, la capacidad de dar ideas sobre la posibilidad de tener una estructura de generaciones en las familias de las partículas de materia, las ideas que se dan en las teorías gauge como una estructura general y en particular ser capaces desarrollar las teorías gauge que nos son familiares; y todas esas características por encima de ellas que unen relatividad general y mecánica cuántica. Ahora bien, estoy de acuerdo, y realmente soy muy feliz al decir que tenemos un camino por recorrer ya que aún no hemos tomado contacto directo con la observación experimental.

Pero, para mí, tenemos precisamente un camino por delante de nosotros que aún tenemos que recorrer. Que nos lleve o no finalmente a esas predicciones, el futuro lo dirá. No creo que podamos juzgarlo ahora y decir que el programa está atascado. Puedo decir que el programa ha llegado espectacularmente lejos, pero definitivamente tenemos que ir mucho más lejos hasta que sepamos si lo que estamos haciendo es correcto o incorrecto. ¿No es eso una buena evaluación en tu opinión?

STEINHARDT: Mi punto de vista es más matizado. Esta multiplicidad, si eso llegara a ser el punto final de la teoría, es un atasco. Hay una entre varias posibilidades...

GREENE: Perdona que te interrumpa pero es porque ya he oído a varias personas que adoptan una perspectiva similar, que consiste en escuchar a un par de teóricos de cuerdas que están defendiendo un punto de vista particular según el cual este es el punto final de la teoría de cuerdas, hay muchos universos, somos uno de estos muchos y no hay más explicación que dar. Pueden estar en lo cierto, pueden estar equivocados, pero desde luego yo no digo en este momento que ese sea el punto final de la teoría de cuerdas. Eso es una estación de paso que algunos están explorando, pero otros están ensayando otras vías.

STEINHARDT: Tú tienes una actitud más razonable respecto a esto que otros a quienes he escuchado. Me gustaría que se reconociera sin reservas que un gúgol de posibilidades de gúgol es un atasco, y que no es aceptable...

GREEN: Pero la versión de muchos universos de la teoría de cuerdas, ¿es eso lo que quieres decir?

STEINHARDT: Sí. Pero me apresuro a añadir que puedo imaginar varias maneras de escapar de este atasco. Una de ellas es descubrir nuevas ideas en la teoría de cuerdas que muestren que la multiplicidad no es realmente predicha por la teoría; después de todo, el argumento matemático no es firme. O, en segundo lugar, incluso si hay una multiplicidad, quizá se pueda encontrar alguna razón por la cual en casi todas partes del universo debería darse una sola de estas posibilidades, es decir, aquella que realmente observamos. O tal vez la teoría de cuerdas en su forma actual está muy bien, pero tienes que cambiar la cosmología y ese cambio elimina la multiplicidad. Todos estos rescates son concebibles para mí.

Lo que no puedo aceptar es el punto de vista actual que simplemente acepta la multiplicidad. No solo es un atasco, sino que es un tipo de atasco particularmente nefasto, porque si se acepta la idea de tener una teoría que permite un número infinito de posibilidades (de las cuales nuestro universo observable es una), entonces no hay realmente ninguna manera dentro de la ciencia de refutar esta idea. Ya una nueva observación o un nuevo experimento dé un resultado u otro siempre se puede afirmar que nos ha tocado vivir en un sector del universo donde es así. De hecho, este razonamiento ya se ha aplicado recientemente cuando los teóricos trataron de explicar el inesperado descubrimiento de la energía oscura. El problema es que nunca se puede refutar una teoría así..., ni se puede demostrar.

GREENE: Se puede imaginar que hay características que son consistentes en todos estos universos...

STEINHARDT: Se podría imaginar, pero nunca se podría demostrar experimentalmente.

GREENE: No, lo que quiero decir es que se podría encontrar matemáticamente que en todos estos universos siempre se da la propiedad X.

STEINHARDT: ¿Quieres decir que pueda deducirse de la teoría de cuerdas? No creo que eso sea cierto. No creo que sea posible.

GREENE: Vale, eso es una creencia; no está basado en ningún cálculo.

STEINHARDT: Bueno, yo creo que si me vinieras con una teoría semejante, yo probablemente podría darle la vuelta en 24 horas y dar con una teoría alternativa en la que la propiedad X no fuera universal después de todo. De hecho, tú sabes que eso es cierto por las discusiones que ya están teniendo lugar en el campo, donde algunos dicen: «Estas propiedades son universales y estas otras no lo son». Al día siguiente, otro teórico escribirá un artículo diciendo que no, que son universales propiedades diferentes. Sencillamente no hay directrices de peso para decidir.

GREENE: Estoy de acuerdo en que es así como se han desarrollado las cosas. Pero pensé que te oí decir que no podías imaginar que se pueda refutar una teoría que tenga un marco de este tipo y yo estoy planteando una forma en la que se podría refutar.

STEINHARDT: Eso puede ser cierto en principio, pero en la práctica no creo que esto ocurriera nunca. Si una versión de la teoría de cuerdas con una gúgol-ple multiplicidad de leyes físicas llegara a ser refutada algún día, no creo que los proponentes renunciaran a la teoría de cuerdas. Sospecho que un teórico inteligente daría con una variante que evitaría el conflicto. De hecho, ya hemos tenido experiencia con las teorías del multiverso hasta la fecha. En la práctica nunca hay suficientes experimentos u observaciones, o suficientes limitaciones matemáticas para descartar un multiverso de posibilidades. De la misma manera, esto significa que no hay predicciones firmes que puedan decidir definitivamente si esta multiplicidad más allá de nuestro horizonte es cierta o no.

GREENE: Estoy de acuerdo contigo. Pero solo para que yo lo entienda, ¿estás diciendo que esta forma particular de considerar la teoría de cuerdas, según la cual el punto final son muchos universos, es inaceptable?

STEINHARDT: Así es. Afirmo que es necesario corregirla.

GREEN: Pero también estás de acuerdo —solo para que quede claro— en que esto no es un atasco en la teoría de cuerdas per se; esa es una forma particular de acercarse a la teoría de que tú no la defenderías porque el punto final sería inaceptable. Tienes que ir más allá...

STEINHARDT: Así es; es justo lo que estaba diciendo; algunas personas dicen que es el punto final, y yo estoy diciendo que no es aceptable. Si tú crees eso, es el momento de abandonarlo.

GREEN: Pero son esos los que se han atascado.

STEINHARDT: Sí, es ese punto de vista el que es un atasco y necesita una corrección. No estoy argumentando que la teoría de cuerdas deba ser abandonada. Creo que promete mucho. Estoy argumentando que está en dificultades y se necesitan nuevas ideas para salvarla.

Pero volvamos a Einstein. Una cuestión interesante a considerar sobre Einstein es hasta qué punto los físicos de su generación eran radicales y fueron reemplazados por una generación de físicos que serían considerados conservadores.

ISAACSON: Lo que es particularmente interesante para mí es que había un Einstein radical que en 1925 fue reemplazado por un Einstein conservador. Eso es exagerar un poco, pero precisamente cuando él hace su última gran contribución a la teoría cuántica —básicamente la estadística de Bose-Einstein— casi instantáneamente está girando hacia una postura defensiva y resistiéndose a todo, desde la falta de realismo a la falta de la causalidad rígida en la mecánica cuántica. Llama Jóvenes Turcos a los físicos jóvenes en la Conferencia Solvay de 1927-1930, y ellos le califican de ridículamente conservador y le dicen que ha abandonado el radicalismo de cuando solía cuestionarlo todo.

Es un tema que va más allá de la física: ¿por qué hasta los 50 años sueles considerarte un radical, y luego cumples 50 años de edad y, ya estés editando la revista Time o haciendo física teórica, empiezas a decir cosas como «No, no podemos hacer eso, lo hemos intentado antes» o «No funciona».

Si tuviera que dar una razón para el conservadurismo básico de Einstein, volvería a eso de lo que Paul estaba hablando, que es una cuestión de filosofía, que es precisamente donde el concepto de realismo está en el centro. Hay tres o cuatro razones por las que no le gusta la mecánica cuántica, y si hubiera que elegir una no son las probabilidades ni el final de la causalidad estricta, incluso si dice la que causalidad estricta es el mayor regalo perdurable que Newton nos dio. La razón es el abandono del realismo que para él se convierte en un pilar de la física clásica. Si uno tiene que definir el conservadurismo, supongo que la definición sería defender el orden clásico frente a derribar radicalmente el viejo orden. Eso es lo que él deja de hacer en 1925.

13.

¿Por qué el universo parece lo que parece?

Sean Carroll

Físico teórico del Caltech, y autor de From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time.

¿Por qué el universo parece lo que parece?

Esto parece, por un lado, una pregunta muy obvia. Por otro lado, es una pregunta interesante y extraña, porque no tenemos ninguna base para la comparación. El universo no es algo que pertenezca a un conjunto de muchos universos. No hemos visto diferentes tipos de universos para que podamos decir: «¡Oh!, este es un universo inusual», o «Este es un universo muy típico». Sin embargo, sí tenemos ideas acerca de lo que pensamos que debería parecer el universo si fuera «natural», como decimos en física. Una y otra vez no parece natural. Creemos que esto es una clave de algo que está sucediendo y no entendemos.

Un ejemplo muy clásico que preocupa mucho a la gente estos días es la aceleración del universo y la energía oscura. En 1998 los astrónomos estaban observando supernovas muy distantes en el universo tratando de averiguar cuántas cosas había en este, porque si hay muchas cosas —si hay mucha materia y energía— el universo se estaría expandiendo cada vez más lentamente a medida que lo frenara la materia. Lo que encontraron al mirar estos brillantes objetos distantes, supernovas Tipo Ia, fue que el universo no solo se está expandiendo, sino que la expansión se está acelerando. Todas las cosas se están separando cada vez a más velocidad. Nuestra mejor explicación para esto es algo que se llama energía oscura, la idea de que en cada centímetro cúbico de espacio, en cada pequeña región del espacio, una vez que se ha vaciado de modo que no haya átomos, no haya materia oscura, ni radiación, ni materia visible, sigue habiendo energía. Hay energía inherente en los espacios vacíos. Esta energía del vacío empuja el universo, proporciona un impulso; mantiene el universo en aceleración. Podemos medir cuánta energía se necesita en el espacio vacío para ajustar estos datos, este hecho de que el universo se está acelerando. Obtenemos una respuesta y la respuesta es de 10–8 ergios por centímetro cúbico, que es muy significativo.

Pero también podemos estimar cuál debería ser su magnitud. Podemos preguntarnos cuál debería haber sido la energía del vacío. Podemos hacer un cálculo sencillo, utilizando simplemente lo que sabemos acerca de la teoría cuántica de campos, el hecho de que hay partículas virtuales que continuamente aparecen y desaparecen. Podemos decir que debería haber una cierta cantidad de energía del vacío. La respuesta es que debería ser de 10¹¹² ergios por centímetro cúbico. En otras palabras, la predicción teórica es 10¹²⁰ veces mayor que la observada en la realidad. Este es un ejemplo en donde decimos que el universo no es natural. Hay un parámetro del universo, hay un hecho sobre el universo en que vivimos —cuánta energía hay en el espacio vacío— que no coincide con lo que cabría esperar, con lo que uno conjeturaría ingenuamente.

Esto es algo a lo que se ha prestado mucha atención en los últimos diez años o incluso antes de eso, tratando de entender el ajuste fino que aparentemente hay en las leyes de la física. La gente habla del principio antrópico y de si se podría o no explicar esto diciendo que si la energía del vacío fuera más grande no estaríamos aquí para hablar de ello. Tal vez hay un efecto de selección que dice que solo podemos vivir en un universo como este en donde hay un ajuste fino de los parámetros. Pero hay otro tipo de ajuste fino, otra circunstancia poco natural: es el estado del universo, la configuración particular que encontramos en el universo, tanto ahora como en épocas anteriores. Aquí es donde intervienen la entropía y la flecha del tiempo.

Esta es realmente la pregunta que más me interesa en este momento. Sabemos que hay todo tipo de configuraciones en las que podrían estar las partículas en el universo. Tenemos una comprensión bastante cuantitativa de las maneras en que se podrían reordenar los ingredientes del universo para hacer que parezca diferente. De acuerdo con la mecánica estadística que en el siglo XIX nos enseñaron Boltzmann y Maxwell y Gibbs y gigantes como ellos, lo que cabría esperar en una configuración natural es que tenga alta entropía, que esté muy muy desordenada. La entropía nos está diciendo el número de maneras en que se podrían reordenar los componentes de algo para que su apariencia no cambie. Hay un montón de maneras en que se podría reordenar el aire de esta habitación sin que nadie lo advirtiera. Si todo el aire de la habitación estuviera concentrado en un pequeño rincón, habría solo unas pocas maneras de reordenarlo. Si el aire está concentrado en un rincón, la entropía es baja. Si llena la habitación, la entropía es alta. Es muy natural que los sistemas físicos pasen de tener baja entropía, si son de baja entropía, a tener alta entropía. Hay muchas más maneras de tener alta entropía.

Si uno no conociera nada mejor, si uno preguntara cómo debería ser el universo, en qué configuración debería estar, diría que debe estar en una configuración de alta entropía. Hay muchas más maneras de tener alta entropía, hay muchas más maneras de ser desordenado y caótico que de ser ordenado, uniforme y bien organizado. Sin embargo, el mundo real es bastante ordenado. La entropía es muchísimo menor de lo que podría ser. La razón para esto es que el universo primitivo, cerca del Big Bang, hace unos 14.000 millones de años, tenía una entropía increíblemente baja en comparación con la que podría haber tenido. Este es un misterio absoluto en cosmología. Esto es algo a lo que los cosmólogos modernos no saben responder: por qué nuestro universo observable empezó en un estado con tal orden y regularidad primigenios, con tan baja entropía. Sabemos que, si lo hace, tiene sentido. Podemos contar una historia que comienza en el universo primitivo de baja entropía, y seguirla a través del presente y en el futuro. No va a volver a tener baja entropía. Va a seguir aumentando en entropía. Va a seguir haciéndolo para siempre. Nuestro mejor modelo del universo en este momento es uno que comenzó hace unos 14.000 millones de años en un estado de baja entropía, pero seguirá por siempre en el futuro en un estado de alta entropía.

¿Por qué nos encontramos tan cerca en la secuela de este suceso muy extraño, este Big Bang, que tiene tan baja entropía? La respuesta es: simplemente, no lo sabemos. El principio antrópico no es suficiente para explicarlo. Tenemos que pensar en profundidad acerca de lo que pudo haber sucedido tanto en el Big Bang como incluso antes del Big Bang. Mi conjetura favorita para la respuesta es que la razón por la cual el universo comenzó con una entropía tan baja es la misma razón por la que un huevo comienza con baja entropía. El ejemplo clásico de entropía es que uno puede tomar un huevo y hacer una tortilla. No puede tomar una tortilla y convertirla en un huevo. Eso se debe a que la entropía aumenta cuando se bate el huevo para convertirlo en una tortilla. ¿Por qué el huevo comienza con una entropía baja? La respuesta es que no está solo en el universo. El universo consiste en algo más que un huevo. El huevo procedía de una gallina. Fue creado por algo que tenía una entropía muy baja y que formaba parte de un sistema más grande. La idea es que nuestro universo es parte de un sistema más grande. Entonces se puede empezar a tratar de entender por qué tenía esa baja entropía inicial. Yo creo que el hecho de que podamos observar que el universo primitivo tiene una entropía tan baja es la mejor prueba que tenemos actualmente de que vivimos en un multiverso, que el universo que observamos no es todo lo que hay, que realmente estamos insertados en una estructura mucho más grande.

Estamos en una situación muy inusual en la historia de la ciencia en la que la física se ha convertido un poco en víctima de su propio éxito. Tenemos teorías que ajustan los datos, y esto es una cosa terrible cuando eres un físico teórico. Uno quiere ser quien inventa esas teorías, pero no quiere vivir en un mundo donde esas teorías ya han sido inventadas, porque entonces se hace más difícil mejorarlas si ajustan los datos. Lo que uno quiere es que los datos nos presenten anomalías que no sabemos cómo explicar.

En este momento tenemos dos modelos increíblemente exitosos —en realidad tres, si queremos contar la gravedad—. Para la gravedad tenemos la teoría de la relatividad general de Einstein, que hemos tenido desde 1915. Ofrece una maravillosa explicación de cómo funciona la gravedad, desde el sistema solar al universo muy muy primitivo, un segundo después del Big Bang. En física de partículas tenemos el modelo estándar de la física de partículas basado en la teoría cuántica de campos, que predice un cierto conjunto de partículas. Se construyó en el transcurso de los años sesenta y setenta, y luego, a lo largo de los años ochenta y noventa, todo lo que hicimos fue confirmar que era correcto. Cada vez tenemos más pruebas de que encajan todos los datos. El modelo estándar es perfectamente compatible con las observaciones que teníamos. Por último, en cosmología tenemos el modelo del Big Bang estándar: la idea de que empezamos en un estado denso y caliente cerca del Big Bang y luego nos expandimos y enfriamos en el transcurso de 14.000 millones de años. Tenemos una teoría para las condiciones iniciales, cuando había ligeras variaciones en densidad de un lugar a otro y estas ligeras variaciones crecieron hasta convertirse en estrellas y galaxias y cúmulos de galaxias.

Los tres ingredientes juntos —el modelo estándar de la física de partículas, la relatividad general para la gravedad y el modelo estándar de la cosmología del Big Bang— encajan prácticamente todos los datos que tenemos. Se hace muy difícil ir más allá de eso, pero es crucial que vayamos más allá porque estas ideas son mutuamente incompatibles. Sabemos que no pueden ser la respuesta final. Tenemos estas preguntas importantes. ¿Cómo reconciliar la teoría cuántica de campos y la mecánica cuántica en general, que es la base del modelo estándar, con la relatividad general, que es la forma en que describimos la gravedad? Estas dos teorías hablan lenguajes completamente diferentes y eso hace que sea muy difícil saber cómo casarlas. En cosmología tenemos el Big Bang, que es una fuente de completo misterio. ¿Cómo empezó el universo? ¿Por qué las condiciones iniciales eran las que eran? Eso es algo que tenemos que averiguar. También tenemos indicios de cosas que no encajan muy bien en el modelo. Tenemos la materia oscura, que no puede acomodarse en el modelo estándar de la física de partículas, y tenemos la energía oscura que hace que el universo se acelere, que no es algo que podamos acomodar. Podemos amañar las ecuaciones introduciendo un factor para que ajusten los datos, pero de nuevo no tenemos una comprensión de por qué es así, de dónde procede.

Lo que queremos hacer es ir más allá de estos modelos que tratan de encajar los datos y pasar a una comprensión más profunda. ¿Cuáles son los ingredientes fundamentales a partir de los cuales surgen la física de partículas y la gravedad? ¿Cuáles son las cosas que pudieron haber sucedido en el Big Bang? Hay un montón de ideas disponibles en el mercado.

En el caso de la física fundamental tenemos la teoría de cuerdas como paradigma dominante. No sabemos si la teoría de cuerdas es correcta. Podría estar equivocada, pero desde hace muchos años la gente ha estado trabajando en la teoría de cuerdas, sugiriendo que sustituyamos la idea de las diminutas partículas que forman el universo por pequeños lazos de cuerda. Esa sola idea llevada a su conclusión lógica predice un montón de cosas maravillosas, que por desgracia no podemos observar. Hay un problema con nuestra capacidad para hacer experimentos en el régimen en el que la teoría de cuerdas podría hacerse importante. No podemos hacer una cuerda por sí misma. No podemos observar el carácter filamentoso de las partículas ordinarias porque se requieren energías demasiado altas. Una predicción de la teoría de cuerdas es que deberían existir dimensiones extra del espacio. No solo habría las tres dimensiones del espacio que conocemos y amamos —arriba-abajo, delante-detrás, izquierda-derecha— sino que debería haber dimensiones extra, y esas dimensiones son de alguna manera invisibles. Todos ellas podrían estar enrolladas en ovillos realmente minúsculos y no podemos verlas. De hecho, es posible que nunca las veamos, dependiendo de lo pequeñas que sean. O algunas de ellas podrían ser grandes, y nosotros estamos atrapados en algún subconjunto. No podemos llegar a las dimensiones extra, y la idea es que vivimos en una membrana. Una de las preguntas que la teoría de cuerdas pone en un lugar destacado es: si a la propia teoría —la teoría de cuerdas— le gusta predecir que hay dimensiones extras, entonces ¿dónde están? No solo dónde están, sino ¿por qué no son visibles? ¿Qué sucedió en el universo para hacer estas dimensiones invisibles? Hay un montón de ideas.

Hace poco escribí un artículo con Lisa Randall y Matt Johnson acerca de cómo podría haber comenzado un universo que tenía más dimensiones y luego sufrió una transición a un espacio grande donde algunas de las dimensiones estaban enrolladas. Esta es una idea provocadora, de la que también se alimenta la cosmología. La cuestión es que uno no puede simplemente sentarse y tratar de conciliar la gravedad —las leyes de la relatividad general— con la mecánica cuántica sin hablar también de cosmología y de por qué el universo empezó en el estado en que lo hizo. La vía que tenemos para hacerlo es examinar lo que sucedió antes del Big Bang. En este momento, el mejor modelo que tenemos de lo que sucedió en lo que hoy llamamos el Big Bang, que es el favorito entre los cosmólogos, es la inflación. La idea es que hubo un período temporal de aceleración superrápida, que tomó una minúscula porción del universo y la alisó, la llenó de energía, y luego esa energía se transformó en partículas ordinarias y materia oscura, y eso es lo que vemos hoy como Big Bang.

Sin embargo, la inflación plantea un montón de preguntas que no responde. La pregunta más obvia es: ¿por qué empezó la inflación? Uno dice: «Bueno, hay una región minúscula. Estaba dominada por alguna forma de energía». ¿Hasta qué punto es esto probable? Roger Penrose y otros han hecho hincapié en que es muy muy poco probable que pueda darse. La inflación no proporciona una explicación natural de por qué el universo primitivo parece lo que parece a menos que se pueda dar una respuesta a por qué la inflación pudo siquiera empezar alguna vez. Esa no es una pregunta de la que sepamos la respuesta en este momento. Por eso es por lo que tenemos que remontarnos hasta antes de la inflación y antes del Big Bang, a una parte diferente del universo para entender por qué sucedió la inflación y no alguna otra cosa. Allí entramos en las branas y el universo cíclico.

A mí no me gusta realmente ninguno de los modelos que se encuentran en el mercado ahora mismo. Tenemos que pensar más en lo que debería parecer el universo. Si no tuviéramos ninguna idea previa, con base experimental, de cómo es realmente el universo, trataríamos de entender lo que cabría esperar acerca de su apariencia simplemente a partir de primeros principios, y luego ver cómo esto se parece o deja de parecerse al universo real. Solo cuando nos tomamos en serio lo que a nuestras teorías les gustaría que pareciera el universo y luego tratamos de encajarlas con el universo que vemos, podemos sacar ventaja de estas pistas que los experimentos nos están dando para tratar de conciliar las ideas de la mecánica cuántica, la gravedad, la teoría de cuerdas y la cosmología.

Una de las cosas interesantes acerca de la situación de la teoría de cuerdas, donde somos víctimas de nuestro propio éxito, donde tenemos los modelos que ajustan muy bien los datos pero estamos tratando de ir más allá de ellos, es que los criterios para el éxito han cambiado un poco. Ya no se trata de que una teoría u otra hagan una predicción que se pueda poner a prueba mañana mismo. Todos queremos poner a prueba nuestras ideas, pero esto se convierte en un objetivo más a largo plazo cuando es difícil encontrar datos que ya no estén de acuerdo con las teorías existentes. Sabemos que las teorías existentes no son correctas y tenemos que ir más allá de ellas.

La mecánica cuántica y la relatividad general son incompatibles, pero la naturaleza no es incompatible consigo misma. La naturaleza descubre alguna manera de conciliar estas ideas. La teoría de cuerdas es el caso evidente de un lugar en donde se ha investigado a fondo, empezando en los años sesenta y setenta para despegar y hacerse muy popular en los años ochenta. Ahora estamos casi en 2010 y todavía seguimos sin haber tomado contacto con los experimentos. A usted le gustaría decir en algún momento: «Muéstrame las ganancias». ¿Qué has aprendido realmente de hacer esto? Los teóricos de cuerdas han aprendido muchísimo acerca de la teoría de cuerdas, pero sigue quedando la pregunta de si hemos aprendido algo acerca de la naturaleza. Esa es todavía una cuestión abierta.

Una de las razones por las que la teoría de cuerdas es tan popular entre las personas que han reflexionado cuidadosamente sobre ella es que realmente conduce a cosas nuevas. Es realmente fructífera. No es que uno tenga que hacer alguna conjetura como «¡Oh!, tal vez el espacio-tiempo es discreto» o «Tal vez el universo está hecho de moléculas pequeñas» o algo así, y luego dice: «Bueno, ¿qué es lo que se obtiene de eso?». Haciendo la conjetura de que en lugar de partículas puntuales hay pequeñas cuerdas, uno se ve llevado a pensar que si introduce esto en el marco de la mecánica cuántica se obtienen diez dimensiones. Entonces, ¡vaya!, también tiene que ser supersimétrica. Hay diferentes tipos de partículas que realmente observamos en la naturaleza y, si tratamos de compactificar esas dimensiones extra y ocultarlas, empezamos a obtener cosas que se parecen al modelo estándar. Estamos aprendiendo cosas que nos hacen pensar que estamos en el camino correcto.

En la década de 1990 hubo una segunda revolución de las supercuerdas que realmente convenció a muchos escépticos de que estábamos en el camino correcto. Todavía hay muchos escépticos que siguen sin estar convencidos. Una de las cosas que hemos aprendido es que todas las diferentes versiones de la teoría de cuerdas proceden de una misma teoría subyacente. En lugar de haber muchas versiones diferentes de la teoría de cuerdas, es probable que solo haya una teoría correcta subyacente que se manifiesta de diferentes maneras. Las que se podrían haber considerado como diferentes versiones del universo, diferentes versiones de las leyes de la física, en realidad se parecen más a diferentes fases de la materia. En el caso del agua tenemos agua en estado líquido, tenemos hielo, tenemos vapor de agua. Dependiendo de las condiciones en que se encuentra el agua, esta se manifiesta de diferentes maneras y tendrá diferentes densidades, diferentes velocidades de propagación del sonido, cosas así. La teoría de cuerdas dice que el espaciotiempo podría ser algo así. El espacio-tiempo puede encontrarse en diferentes fases, como el agua líquida o el hielo congelado. En esas fases diferentes las leyes locales de la física —el comportamiento a su alrededor— pueden ser completamente diferentes. Pueden parecer radicalmente diferentes.

El ejemplo más famoso fue descubierto por Juan Maldacena, un joven teórico de cuerdas, que demostró que se puede tener una teoría tal que en una versión de la misma el espacio-tiempo se parecería a la gravedad en cinco dimensiones y otra versión de la misma parecería una teoría de cuatro dimensiones sin gravedad. Hay un número diferente de dimensiones del espacio. En una versión de la teoría hay gravedad y en otra no hay gravedad, pero en realidad son la misma teoría después de todo. Decir que la teoría de cuerdas es una teoría de la gravedad ya no es toda la historia. Es una teoría que en algunas versiones parece una teoría de la gravedad, pero en otras versiones no tiene ninguna gravedad.

La razón por la que esto es tan crucial es que hay un montón de problemas filosóficos que se presentan cuando se intenta cuantificar la gravedad pero no se presentan cuando tratamos con teorías ordinarias de física de partículas sin gravedad. Por ejemplo, la naturaleza del tiempo. ¿Tiene el universo un principio? ¿Emergen el espacio y el tiempo, o están ahí desde el principio? Son muy buenas preguntas para las que, a priori, no tenemos respuesta, pero la teoría de cuerdas nos ha dado ahora un terreno de juego explícito y concreto, un ejemplo académico donde, en principio, todas las respuestas son deducibles. En la práctica podría requerir un gran esfuerzo llegar allí, pero se puede traducir cualquier pregunta que uno tenga en una pregunta en teoría de campos ordinaria sin gravedad. No hay principio del tiempo. El tiempo y el espacio están ahí, igual que lo están en la física de partículas ordinaria.

Hemos aprendido mucho de la teoría de cuerdas acerca de lo que puede ser la gravedad cuántica. Ya se manifieste o no en el mundo real, todavía está casi todo por hacer. Uno de los problemas es que es muy fácil decir que hay diferentes fases y que eso es interesante. El problema es que hay demasiadas fases. No es como si hubiera diez o doce posibilidades diferentes y tuviéramos que encontrar la que encaja en el universo. Más bien es como si tuviéramos 101.000 posibilidades diferentes, o incluso tal vez un número infinito de posibilidades. Entonces dices: «Bueno, todo vale». Pero tropiezas con problemas con la falsabilidad. ¿Cómo se puede demostrar que una teoría no es correcta si no se puede sacar nada concreto de ella? Mi respuesta a eso es que simplemente no lo sabemos todavía. Pero eso no quiere decir que no lo sepamos nunca.

La otra cosa es que en la teoría de cuerdas predecimos que hay un multiverso, que no solo puede haber condiciones diferentes en lugares diferentes en el universo, sino que las habrá. Si se combinan las ideas de la teoría de cuerdas con las ideas de la inflación, resulta que este universo que observamos es tan solo una parte diminuta de una estructura mucho más grande donde las cosas son muy diferentes. La gente dice: «¿Puedes siquiera hablar de eso y aun así llamarte científico? Hablas de todo esto que nunca podemos observar». Lo que hay que tener en cuenta es que el multiverso no es una teoría. El multiverso es una predicción de una teoría. Esta teoría, que incluye tanto la teoría de cuerdas como la inflación, predice que debe haber regiones más allá de lo que podemos observar donde las condiciones son muy diferentes. Esa es una diferencia muy importante porque ahora podemos imaginar otras maneras de poner a prueba la teoría, incluso si no se puede comprobar directamente la idea del multiverso. La idea del multiverso podría cambiar nuestras expectativas acerca de por qué ciertas cosas que observamos en nuestro universo son un problema o no lo son. Se podría decir que el hecho de que tengamos una energía del vacío pequeña no es un problema porque estamos solo en una región del universo que, por una u otra razón, no es representativa.

Básicamente, la versión resumida de esta larga historia es que estamos en un proyecto a largo plazo. Tenemos muy buenas ideas dentro de la teoría de cuerdas para conciliar la mecánica cuántica y la gravedad. No sabemos si son las ideas correctas, pero estamos haciendo progresos. El hecho de que aún no sepamos la respuesta, que todavía no podamos hacer una predicción firme y refutable para el gran colisionador de hadrones o para observatorios de ondas gravitatorias o para la cosmología no es de ninguna manera una prueba de que la teoría de cuerdas no esté en el buen camino. Tenemos que seguir adelante con los experimentos, ensuciarnos las manos, aprender más acerca de la cosmología, la materia oscura y la energía oscura, y también seguir adelante con las teorías. Desarrollarlas hasta un punto en donde realmente podamos compararlas con algún experimento que todavía no hemos hecho.

Tenemos algunas buenas ideas para avanzar en el futuro a partir de la situación en la que nos encontramos en este momento, y mi experiencia personal está en el lado teórico. Sucede muy a menudo que el progreso real viene del lado experimental de las cosas, y no solo el lado experimental de las cosas, sino de experimentos que no habíamos previsto que fueran a sorprendernos. Están estos experimentos maravillosos que se están haciendo, no solo los grandes experimentos en LIGO para detectar ondas gravitatorias, y con el LHC en busca de nuevas partículas, sino también experimentos más pequeños, experimentos de mesa, en busca de pequeñas desviaciones de la ley de gravedad de Newton, en busca de nuevas fuerzas de la naturaleza que son muy débiles o de nuevas partículas que son muy difíciles de detectar. Tengo que decir que es muy probable que uno de estos experimentos nos saque de manera imprevista nuestro sueño dogmático y nos dé algunas ideas nuevas.

Tengo una opinión algo heterodoxa acerca de las ideas estándar en cosmología. Tenemos el escenario del universo inflacionario, del que Alan Guth fue realmente pionero y que gente como Andre Linde y Paul Steinhardt han desarrollado. Esta es una idea maravillosa, que sospecho que es correcta. Sospecho que una parte de la historia del universo está correctamente explicada por la idea de la inflación, la idea de que empezamos en esta región diminuta que se expandió y se aceleró a este ritmo superrápido. Sin embargo, creo que la forma en que la mayoría de la gente, incluidos quienes concibieron la idea, piensa en la inflación es errónea. Son demasiado optimistas pensando que la inflación se deshace de todos los problemas que podría haber tenido el universo primitivo. Existe esta sensación de que la inflación es como la confesión: que borra todos los pecados anteriores. No creo que eso sea correcto. No habremos explicado lo que hay que explicar hasta que nos tomemos en serio la cuestión de por qué se inició la inflación en primer lugar. Es realmente un error, y una actitud equivocada por parte de muchas de las personas que aceptan la inflación, decir que la inflación no tiene por qué responder a esa pregunta porque, una vez que se inicia, responde a todas las preguntas que se planteen.

Cuando yo estaba en la facultad leyendo con gusto todos estos diferentes artículos y aprendiendo diferentes cosas, algunos de los artículos que leí eran de Roger Penrose, que era escéptico acerca de la sabiduría convencional dominante respecto al escenario del universo inflacionario. Penrose repetía una y otra vez en términos muy claros que la inflación no responde a la pregunta que queremos responder porque no explica por qué el universo primitivo tenía una baja entropía. Dice por qué evolucionó el universo de la manera que lo hizo postulando que el universo empezó en un estado de entropía aún más baja que lo que se suponía convencionalmente. Es cierto que si se hace esa hipótesis se sigue todo lo demás, pero no hay ninguna razón, decía Penrose, para hacer esa hipótesis. Yo leía esos artículos y sabía que se estaba diciendo algo muy inteligente, pero pensé que Penrose no lo había entendido del todo y básicamente lo rechacé.

Luego leí artículos de Huw Price, que es un filósofo australiano que señalaba, básicamente, el mismo punto. Decía que los cosmólogos se están engañando acerca de la entropía del universo. Están dejando que sus modelos supongan que el universo primitivo tenía una baja entropía y el universo final tiene una entropía muy alta. Pero no hay tal asimetría incorporada en las leyes de la física. Las leyes de la física a un nivel profundo tratan igual el pasado y el futuro. Pero el universo no trata igual el pasado y el futuro. Una manera de pensar en ello es que si uno estuviera flotando en el espacio no habría ninguna noción preferida de arriba o abajo, izquierda o derecha. No existe una dirección privilegiada en el espacio. Aquí en la Tierra sí hay una noción privilegiada de arriba o abajo, pero es porque la Tierra está debajo de nosotros. Es este objeto físico espectacular el que crea una direccionalidad en el espacio, arriba frente abajo. Del mismo modo, si uno estuviera en un universo completamente vacío, no habría ninguna noción de pasado y futuro. No habría ninguna diferencia entre una dirección del tiempo o la otra.

La razón de que encontremos una dirección en el tiempo aquí en esta habitación, o en la cocina cuando uno casca un huevo o mezcla la leche con el café, no es porque vivamos en la vecindad física de algún objeto importante, sino porque vivimos en la secuela de un suceso influyente, y ese suceso es el Big Bang. El Big Bang pone en marcha todos los relojes del mundo. Cuando descendemos a cómo evolucionamos, por qué nacemos y luego morimos, y nunca en el orden inverso, por qué nos acordamos de lo que ocurrió ayer y no nos acordamos de lo que va a pasar mañana, todas estas manifestaciones de la diferencia entre el pasado y el futuro proceden de la misma fuente. Esa fuente es la baja entropía del Big Bang.

Esto es algo que ya se mencionó en el siglo XIX cuando los gigantes de la termodinámica como Boltzmann y Maxwell estaban tratando de averiguar cómo trabaja la entropía y cómo trabaja la termodinámica. Boltzmann dio con una gran definición de la entropía y fue capaz de demostrar que si la entropía es baja aumentará. Eso es bueno porque esa es la segunda ley de la termodinámica. Pero se quedó atascado en esta cuestión de por qué era baja la entropía inicial. A él se le ocurrieron todas estas ideas que recuerdan mucho a las ideas sobre las que los cosmólogos están hablando hoy. Boltzmann concibió la idea de un multiverso, el principio antrópico donde las cosas eran diferentes en unas regiones del universo que en otras y que vivíamos en una parte poco representativa del mismo. Pero él nunca aclaró realmente cuál pensaba que era la respuesta correcta, lo que tiene mucho sentido porque aún hoy no sabemos cuál es la respuesta correcta. Sabemos muy bien cómo explicar que yo recuerdo el ayer y no el mañana, pero solo si suponemos que empezamos con un universo en un estado de baja entropía.

Me gusta decir que la cosmología observacional es posiblemente la ciencia más barata para entrar. Cada vez que uno pone leche en su café y se da cuenta de que no puede desmezclar la leche de su café, está aprendiendo algo profundo acerca del Big Bang, sobre las condiciones en el universo muy muy primitivo. Esto es solo una gran pista que el universo real nos ha dado sobre cómo funcionan las leyes fundamentales de la física. Todavía no sabemos cómo utilizar esta pista. No sabemos la respuesta a quién lo hace, quién es el culpable, por qué el universo es como es. Pero tomar esta pregunta en serio es un gran paso adelante para tratar de entender cómo el universo que vemos a nuestro alrededor encaja directamente en una imagen mucho más grande.

14.

Pensando en el universo en escalas más grandes

Raphael Bousso

Catedrático de Física Teórica de la Universidad de California en Berkeley.

Podemos hacernos preguntas en diferentes niveles de generalidad, o profundidad, si usted quiere, y como científico supongo que es importante encontrar un equilibrio. No solemos hacer muchos progresos cuando decidimos trabajar en las cuestiones más profundas y más trascendentales. Es bueno tenerlas como una brújula, pero es importante dividir las cosas de alguna manera, y la forma en que yo las dividiría es diciendo: «las preguntas trascendentales son cosas como ¿cómo podemos unificar todas las leyes de la naturaleza?, ¿cómo se hace la gravedad cuántica?, ¿cómo se puede entender cómo encajan la gravitación y la mecánica cuántica?, ¿cómo encaja eso con toda la otra materia y las fuerzas que conocemos?». Esas son preguntas realmente muy profundas y muy importantes.

Otra pregunta trascendental es «¿qué aspecto tiene el mundo en las escalas más grandes?». ¿Qué aspecto tiene el universo en las escalas más grandes? ¿Hasta qué punto es especial la parte del universo que vemos? ¿Existen otras posibilidades? Estas preguntas están relacionadas, pero para responderlas tenemos que encontrar modelos específicos, formas específicas de pensar en estas cuestiones, formas de dividirlas en partes y, por supuesto, lo más importante, formas de relacionarlas con la observación y el experimento.

Una sugerencia importante que llegó hace tiempo por el lado teórico fue la teoría de cuerdas, que no estaba pensada para este tipo de preguntas que suenan profundas. Se ideó para entender algo acerca de la fuerza nuclear fuerte, pero luego tomó vida propia y se convirtió en esta increíble estructura que podía ser explorada y que comenzó a escupir respuestas a cuestiones que ni siquiera nos habíamos planteado, como la gravedad cuántica. La teoría de cuerdas empezó haciendo la gravedad cuántica para nosotros.

Este es un tema muy controvertido. Hay otras aproximaciones a este problema de la gravedad cuántica. Personalmente considero que la teoría de cuerdas es, con mucho, la más desarrollada y la más prometedora, y por ello me encuentro buscando pistas sobre las respuestas a este tipo de preguntas utilizando la teoría de cuerdas, explorando las propiedades de esta teoría, preguntando qué nos dice acerca de estas cuestiones.

Otra pista que nos ayuda a dividir las cosas y reducir las preguntas a niveles accesibles es, por supuesto, observacional: ¿qué vemos cuando miramos por la ventana? Lo que es realmente notable es que vemos, y es notable en el sentido en que es notable la pregunta de por qué el cielo no es brillante por la noche (suena estúpido, pero cuando realmente se piensa en ello es una pregunta profunda y necesita una explicación: «¿Por qué no hay una estrella dondequiera que miremos?»). Un tipo similar de pregunta es: «¿Por qué el universo es tan grande». De hecho, desde el punto de vista de la física fundamental es muy notable que el universo sea tan grande. Tienen que suceder un montón de cosas increíbles para que el universo no sea muy pequeño, y voy a decir algo más sobre esto.

Una de las cosas que tiene que suceder es que la energía del espacio vacío tiene que ser muy muy pequeña para que el universo sea grande. Y de hecho, solo mirar por la ventana y ver que se puede ver a unos pocos kilómetros es un experimento que ya dice que la energía del espacio vacío tiene un valor ridículamente pequeño, 0,000 y luego decenas de ceros y un 1. Con solo mirar por la ventana se aprende eso.

Lo curioso es que cuando se calcula cuál debería ser la energía del espacio vacío utilizando las teorías disponibles, teorías realmente bien probadas que han sido puestas a prueba en aceleradores, como la teoría de partículas, el modelo estándar, cosas que sabemos que funcionan, cuando se utiliza eso para estimar la energía del espacio vacío no se puede calcular exactamente. Pero sí se puede calcular cuál es el tamaño de las diferentes contribuciones, y son absolutamente enormes. Deberían ser mucho más grandes que lo que ya sabíamos que pueden ser y, de nuevo, no solo por un factor de 10 o 100, sino por un factor de billones de billones de billones.

Esto requiere una explicación. Es solo una de las cosas que tienen que suceder para que el universo sea tan grande como lo vemos; es una de las propiedades más misteriosas que resultó ser adecuada para que el universo llegara a ser grande, pero necesita una explicación.

Lo curioso es que, debido a que sabíamos que ese número tenía que ser muy pequeño, que la energía del espacio vacío, el peso del espacio vacío, tenía que ser muy pequeño, llegó a darse por supuesto, al menos dentro de una gran parte de la comunidad de la física, que seguramente era cero, por alguna razón desconocida. Y que un día nos despertaríamos y descubriríamos por qué es exactamente cero. Pero en lugar de eso, un día del año 1998 nos despertamos y descubrimos que es distinta de cero. Un día de 1998 nos despertamos y descubrimos que los cosmólogos habían hecho algunos experimentos que examinaban con qué rapidez se ha estado acelerando el universo en las diferentes etapas de su vida, y descubrieron que en cierto momento el universo había comenzado a acelerar su expansión. Estábamos acostumbrados a pensar que lo que haría es explotar en el Big Bang, y luego empezaría a reducirse la velocidad con que aumentan las distancias entre las galaxias. Lo que sucede, por el contrario, es algo parecido a que se hubiera soltado el freno y se hubiera pisado el acelerador hace algunos miles de millones de años; el universo se está acelerando. Eso es exactamente lo que hace un universo si la energía del espacio vacío no es cero y es positiva, y se podría mirar con qué rapidez se está acelerando y deducir el valor real de este número. En los últimos trece años se han reunido una gran cantidad de observaciones independientes para corroborar esta conclusión.

Sigue siendo cierto que lo más importante que teníamos que explicar es por qué la constante cosmológica, o la energía del espacio vacío, no es enorme. Pero ahora también sabemos que la explicación no va a ser que el número es exactamente cero por una razón de simetría. Y por eso necesitamos una explicación que nos diga por qué ese número no es enorme, pero tampoco es exactamente cero.

Lo sorprendente es que la teoría de cuerdas, que no fue ideada con este propósito, logró dar esa explicación, y en mi opinión este es el primer contacto serio entre la observación y la experimentación, por un lado, y la teoría de cuerdas, por otro. Siempre ha sido interesante disponer de una teoría consistente de la gravedad cuántica; es muy difícil desarrollar una, pero resulta que la teoría de cuerdas tiene exactamente el tipo de ingredientes que permiten explicar por qué la energía del espacio vacío tiene este valor extraño, muy pequeño, pero no nulo.

Yo pensaba hacerme matemático, pero luego, en el último minuto, decidí estudiar física porque me di cuenta de que lo que verdaderamente me preocupaba era comprender la naturaleza, y no solo algunos constructos abstractos, tal vez hermosos, pero abstractos. Fui a Cambridge, la de Inglaterra, para mi doctorado. Trabajé con Stephen Hawking sobre las propiedades cuánticas de los agujeros negros y su posible relación con la cosmología del universo primitivo. Fui a Stanford para un posdoc.

En Stanford hablé mucho con Andrei Linde y Lenny Susskind, y todos pensábamos que era hora de que la teoría de cuerdas dijera algo acerca de la cosmología, que la teoría de cuerdas no nos había enseñado lo suficiente acerca de la cosmología. Así que empezamos a pensar en diferentes maneras en que la teoría de cuerdas podía hacerlo.

Una idea que flotaba en el ambiente se llamaba principio holográfico. Esta idea trata la cuestión de cuánta información se necesita para describir una región del espacio-tiempo en el nivel más fundamental y, sorprendentemente, la respuesta no es infinito. Aún más sorprendente: la respuesta no crece con el volumen de la región. Como ‘t Hooft y Susskind habían intuido inicialmente, la respuesta está relacionada con el área de la superficie que rodea a la región. Pero la idea no funciona del todo, especialmente en cosmología. Así que uno de los temas en que trabajé fue en tratar de entender si esta idea del principio holográfico es realmente correcta, si puede ser formulada de tal manera que tenga sentido en todas las regiones del espacio-tiempo imaginables, en cosmología, en el interior de agujeros negros, y no solo en un lugar inocuo donde la gravedad no es importante. Esto resultó ser cierto, y por eso fue muy emocionante.

Otro tema en que empecé a pensar era en tratar de entender el valor pequeño, pero no nulo, de la constante cosmológica, la energía del espacio vacío o, como a la gente le gusta llamarla, la energía oscura. Trabajé sobre este tema con Joe Polchinski, en KITP, en Santa Bárbara, y nos dimos cuenta de que la teoría de cuerdas ofrece una manera de entenderlo; yo diría que actualmente esta es la mejor explicación de este misterioso problema. De Stanford fui a hacer un posdoc en Santa Bárbara, y después de una serie de pequeñas paradas aquí y allá, incluyendo un año en Harvard, en 2004 ingresé en el claustro de Berkeley, donde ahora soy profesor en el Departamento de Física.

Yo no hago experimentos en el sentido de entrar en un laboratorio y empezar a conectar cables. Pero me importa mucho que la teoría en que trabajo explique realmente algo sobre la naturaleza. El problema es que cuanto más se desarrolla la física, empezamos a hacernos preguntas que, por razones tecnológicas, no están en el ámbito de la realimentación experimental del día a día. No podemos preguntar por la gravedad cuántica y al mismo tiempo esperar obtener algo análogo a los datos espectroscópicos que a finales del siglo XIX alimentaron la búsqueda de la mecánica cuántica. Y me parece que es una reacción perfectamente razonable decir: «Bueno, en ese caso creo que es demasiado arriesgado trabajar en este tema». Pero creo que también es una reacción razonable decir: «Bueno, pero la pregunta es obviamente una pregunta razonable». Evidentemente es importante entender la manera de conciliar la mecánica cuántica y la relatividad general. Ambas son grandes teorías, aunque totalmente contradictorias entre sí, y hay muchas razones para creer que al comprenderlas vamos a aprender cosas muy profundas acerca de cómo funciona la naturaleza. Ahora bien, pudiera ser que no seamos lo suficientemente inteligentes para hacerlo, en especial sin la retroalimentación constante de los experimentos, pero igualmente tuvimos motivos para ser pesimistas en muchos momentos en el pasado y sin embargo encontramos una vía para avanzar.

No creo que vayamos a entender mucho acerca de la gravedad cuántica construyendo más aceleradores de partículas. Vamos a entender muchas otras cosas, incluso algunas cosas acerca de la gravedad cuántica, pero de forma más bien indirecta. Pero vamos a buscar en otra parte, vamos a examinar los experimentos cosmológicos, vamos a utilizar el universo para que nos hable sobre energías muy altas. Vamos a dar con ideas que ni siquiera podemos soñar en estos momentos. Siempre me asombra la inventiva de mis colegas experimentales, y no me cabe duda de que nos las darán con el tiempo.

Se ha dicho que los últimos quince años han sido una edad de oro para la cosmología, y es verdad. Tuve mucha suerte con las fechas. Cuando yo era un estudiante de posgrado se lanzó el satélite COBE, que pronto empezó a enviar datos; y eso marcó realmente el inicio de una era en donde la cosmología ya no era el tipo de disciplina donde quizá había uno o dos números que medir y no se podía decir con certeza con qué rapidez se expande el universo.

Antes de eso ni siquiera había acuerdo acerca de con qué rapidez se están alejando unas galaxias de otras. Y de esto pasamos a una era rica en datos, donde tenemos información increíblemente detallada acerca de cómo está distribuida la materia en el universo, con qué rapidez se está expandiendo el universo, no solo en este momento, sino cómo se estaba expandiendo en épocas anteriores, y muchas cosas más. Se midieron cosas que parecían fuera del alcance hace tan solo unos pocos años, y ya no es posible menospreciar la cosmología como una disciplina intuitiva en la que se puede decir casi cualquier cosa y nunca estar en conflicto con los datos. De hecho, en los últimos quince años, más o menos, muchas teorías han seguido el camino de ser eliminadas por los datos, y probablemente varias más van a seguir ese camino muy pronto.

Un ejemplo de una teoría que se ha descartado es una de las ideas de cómo se formó originalmente la estructura en el universo. ¿Por qué no es el universo solo una especie de sopa homogénea? ¿Por qué hay grupos de galaxias aquí, espacios vacíos allí, otra galaxia más allá? ¿Cómo surgió la forma concreta en que están distribuidos estos objetos? ¿Por qué tienen el tamaño que tienen, por qué no son más grandes o más pequeños, por qué no existe solo una galaxia que sea realmente enorme, y el resto, todo lo que podamos ver, esté vacío? Evidentemente, esto necesita una explicación.

Había varias teorías diferentes en el mercado. Una de ellas era la inflación. Una de las cosas buenas sobre ella es que no se inventó originalmente con el propósito de explicar esto, pero resultó tener algo que decir sobre esta cuestión. Luego hay otras teorías que también estaban razonablemente bien motivadas, como las cuerdas cósmicas, que no son lo mismo que las cuerdas de la teoría de cuerdas sino objetos que llamamos defectos topológicos. Básicamente son objetos que se parecen a cuerdas y encierran energía de una manera que no puede ser resultado de la forma en que el universo se enfrió a medida que se expandía en una etapa muy temprana. Y las cuerdas cósmicas, si hubiera el tipo correcto, llevarían a algún tipo de estructura, pero sus predicciones detalladas acerca de cuál sería la estructura del universo, qué tipo de huellas dejaría en el fondo cósmico de microondas, son muy diferentes de las que satélites como COBE han medido ahora muy bien y que el satélite Planck está midiendo con una precisión increíble.

Ya sabemos lo suficiente sobre el fondo cósmico de microondas para descartar por completo la posibilidad de que las cuerdas cósmicas sean responsables de la formación de la estructura. Es posible, por supuesto, que haya cuerdas cósmicas ahí fuera, pero tendrían que ser de un tipo que no ha tenido ningún impacto en la formación de la estructura.

La inflación parece realmente buena. No es que tengamos una confirmación irrefutable de ella, pero ha superado tantas pruebas, podría haber sido descartada ya tantas veces, que yo diría que empieza a parecer interesante en estos momentos.

La inflación tiene muchas variantes, pero hace una serie de predicciones bastante genéricas que, a menos que uno se esfuerce mucho para evitarlas, vienen con casi todos los modelos de inflación que se pueden encontrar en el mercado. Una de esas predicciones es que la geometría espacial del universo debería ser plana. Debería tener el tipo de geometría que se aprende en la escuela secundaria frente al tipo extraño de geometría que estudian los matemáticos en la universidad, y así es como ha resultado ser. Con un margen de error de menos de un 1 por 100, ahora sabemos que el universo es espacialmente plano. La inflación predice un patrón concreto de perturbaciones en el cielo y, una vez más, a medida que conseguíamos datos —y ahora tenemos datos muy precisos— hubo muchas oportunidades de descartar la predicción, pero la inflación resiste. Así que hay una serie de predicciones generales que hace la inflación que han resistido muy bien, pero aún no hemos llegado a un punto en donde podamos decir que el modelo correcto de la inflación es este y no ese otro. Estamos acercándonos. Algunos tipos de inflación han sido descartados, grandes clases de modelos han sido descartados, pero aún no nos hemos acercado a la respuesta correcta, y eso aún podría tardar un tiempo. Yo esperaría.

Estaba diciendo que la teoría de cuerdas nos ha sorprendido en cierta manera por ser capaz de resolver un problema que otras teorías, incluidas algunas que fueron ideadas con este único fin, no habían sido capaces de abordar; es decir, el problema de por qué el espacio vacío pesa tan poco, por qué hay tan poca energía oscura. La forma en que lo hace la teoría de cuerdas es muy similar a la forma en que podemos explicar la enorme variedad de lo que vemos cuando miramos la silla, la mesa y el sofá de la habitación. ¿Qué son estas cosas?

Están hechas con unos pocos ingredientes básicos: electrones, quarks y fotones. Tienes cinco partículas distintas, que puedes combinar, y ahora tienes montones y montones de estas partículas. Hay muy pocos ingredientes fundamentales, pero hay muchas copias de ellos. Tienes muchos quarks, tienes muchos electrones, y cuando los juntas tienes un gran número de posibilidades para lo que puedes hacer. Es como una gran caja de Lego, hay un montón de cosas diferentes que se pueden construir a partir de eso. Con una caja grande de quarks y electrones puedes construir una mesa, si quieres, o puedes construir una silla, si quieres. Es tu elección. Y estrictamente hablando, si tomo un átomo y lo muevo a un lugar ligeramente diferente en esta silla, he construido un objeto diferente. En la jerga técnica estos objetos se llaman soluciones de una cierta teoría llamada el modelo estándar. Si tengo un bloque de hierro y muevo un átomo, es una solución diferente del modelo estándar.

El hecho de que existan innumerables soluciones diferentes del modelo estándar no significa, por supuesto, que el modelo estándar de la física de partículas (este triunfo del pensamiento humano) sea increíblemente complicado, o que sea una teoría de cualquier cosa, o que no tenga poder predictivo; solo significa que es suficientemente rico para dar cabida a la rica fenomenología que realmente vemos en la naturaleza, aunque partiendo de una configuración muy sencilla. Solo hay ciertos quarks. Solo hay un tipo de electrón. Solo los puedes juntar de ciertas maneras y no puedes hacer materiales arbitrarios con ellos. Hay leyes estadísticas que rigen el comportamiento de un número muy grande de átomos, así que aunque las cosas parecen increíblemente complicadas, en realidad comienzan a simplificarse de nuevo cuando tienes números realmente grandes.

En la teoría de cuerdas estamos haciendo un tipo diferente de construcción de bloques de hierro. La teoría de cuerdas es una teoría que quiere vivir en diez dimensiones, nueve dimensiones espaciales y una de tiempo. Vivimos en tres dimensiones espaciales y una de tiempo, o al menos así nos parece. Y esto solía ser visto como algo embarazoso para la teoría de cuerdas, aunque no fatal, porque en realidad es bastante fácil imaginar cómo algunas de esas dimensiones espaciales podrían estar enrolladas en círculos tan pequeños que no serían visibles ni siquiera bajo nuestros mejores microscopios. Pero podría haber parecido más agradable si la teoría hubiera empalmado directamente con la observación.

La teoría empalma muy bien con la observación cuando empiezas a darte cuenta de que hay muchas formas de enrollar las seis dimensiones indeseadas. ¿Cómo las enrollas? Bueno, no se enrollan de una manera aleatoria. Se configuran en un pequeño grupo de círculos, cualquiera que sea la forma que quieren tomar, dependiendo de qué materia hay.

De manera similar a cómo la forma de su coche Lego depende de cómo se juntan las piezas, o la forma de esta silla depende de cómo juntas los átomos en ella, la forma de las dimensiones extra depende de cómo se juntan algunos objetos fundamentales de la teoría de cuerdas. Ahora bien, la teoría de cuerdas es en realidad aún más rigurosa que la compañía Lego, o el modelo estándar, respecto al tipo de ingredientes fundamentales con que puedes jugar. Te permite jugar con flujos, D-branas y cuerdas, y estos son objetos que no introdujimos en la teoría; la teoría nos los da y dice: «Con esto es con lo que hay que jugar». Pero dependiendo de cómo se distorsionen las cuerdas y otros objetos llamados D-branas, y de los flujos en las seis dimensiones extra, estas seis dimensiones adoptarán una forma diferente. Esto significa, en efecto, que hay muchas maneras diferentes de hacer un mundo tridimensional. Igual que hay muchas maneras de construir un bloque de hierro, o un coche de Lego, hay muchas maneras diferentes de hacer un mundo de apariencia 3+1-dimensional.

Por supuesto, ninguno de estos mundos es realmente 3+1-dimensional. Si se pudiera construir un acelerador lo suficientemente potente, se podrían ver todas estas dimensiones extra. Si se pudiera construir un acelerador aún mejor, podríamos ser capaces incluso de manipularlas y hacer un mundo 3+1-dimensional en el laboratorio. Por supuesto, cabe esperar que esto ocurra en escalas de energía que actualmente, y probablemente durante mucho tiempo, son inaccesibles para nosotros. Pero hay que tener en cuenta el hecho de que la teoría de cuerdas tiene esta enorme riqueza de mundos 3+1-dimensionales que se pueden hacer.

Joe Polchinski y yo hicimos una estimación, y nos dimos cuenta de que debería haber no millones o miles de millones de formas diferentes de hacer un mundo 3+1- dimensional, sino diez elevado a centenares, tal vez diez elevado a quinientas maneras diferentes de hacerlo. Esto es interesante por varias razones, pero para nosotros la razón más importante es que implica que la teoría de cuerdas puede ayudarnos a entender por qué la energía del vacío es tan pequeña. Porque, al fin y al cabo, lo que llamamos «el vacío» es simplemente un mundo 3+1-dimensional particular, lo que parece ese mundo cuando está vacío. Y lo que parece cuando está vacío es, básicamente, que sigue teniendo todos los efectos de todas estas cosas que hay en las dimensiones extra, todas estas opciones que uno tiene respecto a qué poner.

Cabe esperar que para cada mundo 3+1-dimensional particular la energía del vacío va a ser diferente, la cantidad de energía oscura o la constante cosmológica va a ser diferente. Y así, si tienes diez elevado a quinientas maneras de hacer un mundo 3+1-dimensional, es casi seguro que en algunos de ellos, solo por accidente, la energía del vacío va a ser muy cercana a cero.

La otra cosa que va a suceder es que en aproximadamente la mitad de estos mundos 3+1-dimensionales el vacío va a tener energía positiva. Así que incluso si no se parte del universo correcto, donde por «correcto» entiendo aquel en que posteriormente evolucionan seres como nosotros para observarlo, se podría partir de un estado prácticamente aleatorio, otra manera de hacer un mundo 3+1-dimensional. Lo que sucedería es que este universo crecería muy rápido, porque la energía de vacío positiva implica aceleración, tal como se observa hoy en el cielo; crecería muy rápido, y luego, mediante los procesos de la mecánica cuántica decaería y se verían cambios en la forma en que la materia se introduce en estas dimensiones extra, y localmente tendríamos la aparición de diferentes mundos 3+1-dimensionales.

Esto no es algo que yo inventara: en realidad se trata de un efecto que es anterior a la teoría de cuerdas, un efecto que se remonta a los cálculos de Sidney Coleman y otros en los años setenta y ochenta, y que no se basa en ninguna materia gravitatoria fantástica. En realidad se basa en una física bastante pedestre, que es muy difícil de rebatir. Lo que sucede es que el universo se hace muy muy grande; todos estos vacíos diferentes, estos mundos tridimensionales que tienen peso positivo, crecen ilimitadamente y decaen localmente, y aparecen nuevas vacuolas que tratan de engullirlos pero no los engullen con suficiente rapidez. Así que los padres crecen con más rapidez que con la que los hijos se los pueden comer, y así se hacen todas las cosas. Uno llena el universo con estos diferentes vacíos, estos diferentes tipos de regiones en las que el espacio vacío tiene todo tipo de pesos diferentes. Entonces puedes preguntar: «Bueno, en esa teoría, ¿dónde van a estar los observadores?». Solo para dar la respuesta más primitiva a esta pregunta es realmente muy útil recordar la historia sobre el principio holográfico de la que he hablado antes.

Si tienes un montón de energía del vacío, entonces, incluso si el universo globalmente crece y crece y crece, si te sientas en algún lugar y miras a tu alrededor, hay un horizonte a tu alrededor. La región que está causalmente conectada, en donde las partículas pueden interactuar y formar estructuras, guarda una relación inversa con la cantidad de energía de vacío que tienes. Por eso es por lo que he dicho antes que con solo mirar por la ventana y ver que el universo es grande, sabemos que tiene que haber muy poca energía del vacío. Si hay una gran cantidad de energía del vacío, el universo es una caja diminuta desde la perspectiva de alguien sentado en él. El principio holográfico dice que la cantidad de información en la pequeña caja es proporcional al área de su superficie. Si la energía de vacío tiene el valor típico que tiene en la mayoría de los vacíos, esa superficie permite solo unos pocos bits de información. Pero cualquiera que sea el aspecto que uno piense que tienen los observadores, seguramente son un poco más complicados que unos pocos bits.

Y por eso se puede entender inmediatamente que no cabe esperar que existan observadores en las regiones típicas. Ellos existen en los lugares donde la energía del vacío resulta ser inusualmente pequeña debido a cancelaciones accidentales entre diferentes ingredientes en estas dimensiones extra, y en donde, por lo tanto, hay lugar para una gran complejidad. Y de este modo hay una forma de entender la existencia de regiones en algún lugar del universo con energía del vacío muy pequeña, y entender también por qué vivimos en estas regiones particulares más bien atípicas.

Lo interesante de esto es que la idea de que tal vez el universo es un multiverso muy grande con diferentes tipos de vacíos fue propuesta en realidad independientemente de la teoría de cuerdas, tratando de resolver este famoso problema de la constante cosmológica. Pero no es realmente tan fácil poner todo en orden. Si uno imagina que la energía del vacío se hace más y más y más pequeña conforme evoluciona el universo, que los vacíos están muy bien alineados de modo que cada uno tiene una energía de vacío ligeramente menor que el anterior, entonces no se puede resolver este problema. Se puede hacer la energía del vacío pequeña, pero también se vacía el universo. No habrá ninguna materia en él.

Lo que era extraordinario era que la teoría de cuerdas fue la primera teoría que proporcionó una manera de resolver este problema sin que ello llevara a una predicción de que el universo está vacío, lo que obviamente sería fatal y de inmediato descartaría esta aproximación. Eso, para mí, fue realmente notable, porque la teoría es en realidad mucho más rígida, no se puede jugar con los ingredientes, y sin embargo fue la que encontró una salida de este punto muerto y resolvió este problema.

Creo que las cosas que todavía no han salido en el programa de Oprah y que van a llegar son preguntas como: «Bueno, si la expansión del universo se esta acelerando, entonces sabemos que va a hacerse infinitamente grande, y que las cosas van a suceder una y otra y otra vez». Porque si se intenta algo un número infinito de veces, entonces todos los resultados posibles van a suceder un número infinito de veces, por muy improbables que sean. Esto es realmente algo que es anterior a este multiverso de la teoría de cuerdas de que estaba hablando. Es una pregunta muy robusta en el sentido de que incluso si crees que la teoría de cuerdas es un montón de basura, aún tienes que preocuparte por este problema porque se basa en la mera observación. Uno ve que el universo se está expandiendo de forma acelerada, y a menos que haya algún tipo de conspiración para que deje de hacerlo, esto significa que hay que hacer frente a este problema de los infinitos. Pero el problema se vuelve aún más importante en el contexto del paisaje de cuerdas, porque es muy difícil hacer predicciones en el paisaje si no dominas estos infinitos.

¿Por qué? Porque a uno le gustaría que ver cierta cosa en su experimento fuera más probable que ver otra cosa, de modo que si ve la cosa poco probable puede descartar la teoría, tal como siempre nos ha gustado proceder en física. Pero si ambas cosas suceden infinitas veces, entonces ¿qué base tenemos para decir que un resultado es más probable que otro? Tenemos que deshacernos de estos infinitos. Esto se llama, al menos entre los cosmólogos, el problema de la medida. Probablemente es un mal nombre, pero ha cuajado.

Ahí es donde está ahora gran parte de la acción. Ahí es donde se está haciendo una gran parte del trabajo técnico, ahí es donde creo que la gente está haciendo progresos. Creo que estamos listos para Oprah, casi, y creo que esa es una pregunta con la que vamos a cerrar un círculo, vamos a aprender algo acerca de las cuestiones realmente profundas, ¿cómo es el universo en las escalas más grandes? ¿cómo funciona la gravedad cuántica en cosmología? No creo que podamos resolver por completo este problema de la medida sin llegar a esas preguntas, pero al mismo tiempo el problema de la medida nos ofrece una vía muy concreta. Es un problema muy concreto. Si uno tiene una propuesta puede ponerla a prueba, puede descartarla o puede seguir poniéndola a prueba para ver si sigue funcionando. Y viendo lo que funciona, viendo lo que no entra en conflicto con la observación, viendo que hace predicciones que parecen estar de acuerdo con lo que vemos, en realidad estamos aprendiendo algo acerca de la estructura de la gravedad cuántica. Por eso creo que en la actualidad es una dirección muy fructífera. Es un problema difícil, porque uno no tiene mucho donde ir. No es como dar un paso minúsculo. Conceptualmente es un problema muy nuevo y difícil. Pero, al mismo tiempo, no es difícil de enunciar, y es muy difícil hacer conjeturas sencillas sobre la forma de resolverlo que no se puedan descartar de inmediato. Así que al menos estamos en la feliz situación de que tenemos un filtro muy rápido. No hay muchas propuestas que tengan siquiera una oportunidad de funcionar.

Lo realmente sorprendente, al menos para mí, es que inicialmente todos llegamos a este problema desde diferentes direcciones, todos teníamos nuestros prejuicios diferentes. Andrei Linde tenía algunas ideas, Alan Guth tenía algunas ideas, Alex Vilenkin tenía algunas ideas. Yo pensaba que iba a aportar esta idea radicalmente nueva de que no debemos considerar un universo existente en esta escala global que ningún observador puede ver, que lo importante es pensar en lo que puede suceder en la región causalmente conectada con un observador. ¿Qué se puede hacer con un experimento que no está en conflicto con las leyes de la física y que requiere propagación superlumínica? Si queremos obtener respuestas razonables, tenemos que hacer preguntas de manera que se ajusten a las leyes de la física.

Pensé, bueno, voy a intentarlo, esto es completamente diferente de lo que los demás están haciendo y está motivado por el principio holográfico del que hablé antes. Yo estaba muy emocionado porque esta propuesta no había tropezado con problemas catastróficos inmediatos, como hacían muchas otras propuestas simples. Cuando uno entraba en detalles esta propuesta daba respuestas que estaban en mucho mejor acuerdo con los datos que el que habíamos tenido con otras propuestas anteriores. Y yo seguía pensando que estaba siendo original.

Pero entonces descubrimos, y de hecho mi estudiante I-Shend Yang tuvo un papel muy importante en este descubrimiento, que hay una dualidad, una equivalencia de clases, y una muy precisa, entre esta manera global de ver el universo que habían preferido la mayoría de los cosmólogos, y la que pensábamos que era nuestra manera radicalmente nueva y causalmente conectada de considerarlo. Al seccionar el universo en este panorama global de un modo que estaba de nuevo motivado por un aspecto diferente del principio holográfico, encontramos que seguíamos obteniendo respuestas que eran exactamente iguales a las que estábamos obteniendo de nuestra propuesta de región causal. Durante un tiempo pensamos: «Bueno, esto es algún tipo de aproximación, una equivalencia accidental, pero si planteamos preguntas suficientemente detalladas vamos a ver una diferencia». Sin embargo, lo que descubrimos en su lugar fue una prueba de equivalencia, descubrimos que estas dos formas de calcular probabilidades dan exactamente los mismos resultados, incluso si se basan en lo que mentalmente parecen maneras totalmente diferentes de considerar el universo.

Eso no quiere decir que estemos en el camino correcto. Ambas propuestas podrían estar equivocadas. El mero hecho de que sean equivalentes no quiere decir que sean correctas. Pero ahora han sucedido muchas cosas que no tenían por qué suceder, han sucedido muchas cosas que nos dan cierta confianza en que tenemos algo, y al mismo tiempo estamos aprendiendo algo acerca de cómo pensar el universo en las escalas más grandes.

Notas

* El lector encontrará a lo largo del volumen referencias a Edge. La razón es que parte de esos textos tiene su origen en la prestigiosa web www.edge.org, punto de encuentro y debate sobre ciencia, cultura, filosofía o arte y en la que, desde 1996, participan los más importantes intelectuales de nuestro tiempo.

* Año en que tuvo lugar esta conversación. (N. del t.)

* Esta conversación tuvo lugar a principios de 2000. (N. del t.)

* Recordemos que este es el año en que tuvo lugar la conversación. (N. del t.)

* Esta conversación tuvo lugar a comienzos de 2003. (N. del t.)

* Finalmente el GLAST se puso en órbita en junio de 2008. (N. del t.)

* El «Mathematical Tripos» es el programa de matemáticas en la Universidad de Cambridge. Su origen está en el examen de matemáticas de varios días de duración que debían pasar todos los graduados en Cambridge durante el siglo XIX. Parece que su nombre se debe a que originalmente los estudiantes se sentaban en taburetes de tres patas. (N. del t.)

* Una máquina de Rube Goldberg es una máquina muy complicada que realiza una tarea muy simple. Debe su nombre al dibujante que las creó. En España tuvieron su equivalente en Los grandes inventos de TBO del Profesor Franz de Copenhague. (N. del t.)

Universo

John Brockman, ed.

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Título original: Universe

© del diseño de la portada, Jaime Fernández, 2012

© de la imagen de la portada, Corbis

© John Brockman, 2012

© de la traducción, Javier García Sanz , 2012

© Editorial Crítica, S. L., 2012

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Primera edición en libro electrónico (epub): septiembre de 2012

ISBN: 978-84-9892-452-7 (epub)

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