Universos paralelos E-Book

José Rodríguez-Quintero

• Herausgeber: RBA Libros
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 186

Veröffentlichungsjahr: 2019

Beschreibung

Este libro da respuesta a una de las hipótesis más sorprendentes de la ciencia actual: la de que nuestro universo es solo uno de entre una infinidad de mundos posibles. Si bien puede parecer una idea propia de la ciencia ficción, del cómic o del cine, vemos aquí que el concepto de «multiverso» tiene apoyo científico. Desde la mecánica cuántica, desde la teoría M, veremos las probabilidades de su existencia.

Leseprobe

UNIVERSOS PARALELOS

Realidades múltiples y dimensiones ocultas

José Rodríguez-Quintero

© del texto: José Rodríguez-Quintero, 2017.

© de las fotografías: Archivo RBA: 51a, 81ai, 81ad; William Blake Archive: 81b; Edward Elrick: 51b; NASA/JPL-Caltech: 104-105; NASA/WMAP Science Team: 71; D. van Ravenswaay/Science Photo Library/Age Fotostock: 130-131; Science Photo Library/Age Fotostock: 103b; Georg Wiora/CC BY-SA 2.5: 101.

Diseño de la cubierta: Elsa Suárez Girard.

Diseño del interior: Tactilestudio.

Infografías: Joan Pejoan; Antonio Muñoz: 116-117.

© RBA Coleccionables, S.A., 2017.

© de esta edición: RBA Libros, S.A., 2019.

Avda. Diagonal, 189 - 08018 Barcelona.

rbalibros.com

Primera edición: abril de 2019.

Ref.: ODBO492

ISBN: 9788491874164

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Sumario

Introducción

Un mundo de probabilidades

Muchos mundos sin probabilidad

Mundos probables

Un mundo improbable

Bibliografía

Navegación estructural

Cubierta

Portada

Créditos

Sumario

Introducción

Un mundo de probabilidades

Bibliografía

Introducción

La idea de la existencia de múltiples universos o realidades paralelas, más o menos accesibles o desconectadas de la nuestra, se ha instalado en el imaginario colectivo reciente. Son múltiples las referencias a esta idea que se han ido destilando, desde mediados del siglo XX, en manifestaciones culturales diversas, como la literatura, el cine y la novela gráfica o el cómic. Cualquier fan de los superheroicos personajes de las conocidas editoriales Marvel o DC está familiarizado con la existencia, en la ficción, de mundos paralelos que albergan copias idénticas o exóticas de estos personajes, o portales interdimensionales que los transportan a otras realidades. ¿Son las ideas subyacentes solo ficción? ¿Qué grado de verosimilitud les concede la física moderna? ¿Pueden la mecánica cuántica o la cosmología moderna proporcionar una base científica firme para la idea de que, en algún otro universo, se desarrolla una realidad idéntica a la que nosotros podemos constatar aquí y ahora? El objeto de este libro es, precisamente, ocuparse de estas preguntas con todo el rigor y la honestidad que deben caracterizar a un análisis hecho desde el ámbito de la ciencia. Este propósito nos embarcará en un apasionante viaje por el vasto panorama de las ideas y teorías físicas que han revolucionado nuestra visión del universo y nuestro concepto de la realidad.

Algunas especulaciones teóricas en el ámbito de la física moderna abren hoy la puerta a la posible coexistencia de nuestro universo, como parte de una realidad múltiple, con otros muchos universos. El conjunto de estos múltiples universos es comúnmente denominado multiverso y, a lo largo del último medio siglo, han sido postulados multiversos de diferente tipo y naturaleza. Las especulaciones que han llevado a físicos teóricos y cosmólogos a postularlos se han centrado fundamentalmente en interpretaciones de la mecánica cuántica, en variantes del paradigma cosmológico dominante, basado en la teoría del Big Bang (Gran Explosión), y en la teoría de cuerdas, que ha sido concebida como marco para la unificación de la gravedad y las restantes interacciones fundamentales integradas en el llamado modelo estándar de la física de partículas elementales. Estos universos múltiples surgen de elucubraciones formales que, ancladas al sofisticado andamiaje matemático de las teorías físicas fundamentales, persiguen generalmente la consistencia interna y la «elegancia». No obstante, es tal el éxito de estas teorías, en su propósito de describir el mundo físico que nos rodea, que merece la pena no desdeñar las consecuencias que puedan extraerse de ellas, o de su estructura matemática, por poco cercanas a la lógica cotidiana que nos puedan resultar.

La mecánica cuántica o la teoría especial de la relatividad, a principios del siglo pasado, revolucionaron completamente nuestra percepción del mundo físico, desafiando al sentido común y enterrando las nociones de determinismo y simultaneidad, y hasta sus más inverosímiles consecuencias han demostrado ser compatibles con los resultados experimentales más elaborados y cuidadosamente obtenidos. Ambas, combinadas con la teoría de campos, son la base de la asombrosamente precisa descripción moderna de la interacción electromagnética entre partículas elementales, como los electrones y los protones: la electrodinámica cuántica. Analogías de esta última, basadas en extensiones de la estructura matemática de la teoría, se han aplicado con éxito a la descripción de las interacciones nucleares débil y fuerte, completando el edificio teórico del modelo estándar, que ha sido repetidamente contrastado con éxito por multitud de experimentos, como los realizados en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en los últimos treinta años.

La teoría general de la relatividad supuso una reformulación de la interacción gravitatoria, extendiendo la noción concebida por Newton y ofreciendo singulares predicciones que han sido experimentalmente verificadas. Ha proporcionado, además, la base matemática para la teoría del Big Bang y para la cosmología moderna.

Exigir a la interacción gravitatoria la misma estructura matemática que las otras tres interacciones del modelo estándar (electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), integrándolas a todas en una teoría «del todo», conduce a la teoría de cuerdas, con sus diferentes versiones y variantes, y a la concepción de un espacio-tiempo multidimensional.

La existencia de multiversos es una posibilidad que se deriva de la estructura matemática de estas teorías físicas y, consecuentemente, merece interés, rigurosa atención y, si es posible, el escrutinio de la observación y el experimento. Sin esto último, el multiverso no dejará de ser una interesante curiosidad matemática o una controvertida especulación de carácter metafísico propiciada por nuestra comprensión formal de la realidad. De hecho, uno de los principales argumentos que apoyarían su existencia tiene un claro acento metafísico: el principio antrópico aplicado a resolver la paradoja cosmológica del ajuste fino. Dicha paradoja se refiere a la singular circunstancia de que algunos «parámetros» físicos parecen delicadamente «ajustados» para propiciar un universo apto para la vida. En nuestra comprensión actual de las leyes fundamentales de la física, estas aparecen asociadas a ciertas simetrías cuya rotura determina el valor de estos parámetros. Si el proceso de rotura de simetría es aleatorio, el nuestro, con sus leyes físicas y sus parámetros, es un universo muy improbable. La existencia de una miríada de universos distintos, con diferentes y variadas configuraciones de estos parámetros, integrados en algún tipo de multiverso, ofrecería una salida al embarazoso problema de la improbabilidad del nuestro. Solo aquellos universos con configuraciones de parámetros compatibles con formas de vida, por improbables que sean, pueden ser estudiados por aquellas formas de vida que estén dotadas de inteligencia y destreza matemática.

El cosmólogo de origen sueco Max Tegmark ha propuesto una suerte de taxonomía que tiene como objeto clasificar las diferentes versiones posibles de multiversos, propuestos hasta ahora o que puedan ser potencialmente propuestos en el futuro. El resultado son cuatro clases jerarquizadas de multiversos, construidas como muñecas rusas, o sea albergando una clase dentro de otra más amplia, esta a su vez dentro de otra mayor y así sucesivamente. Esta clasificación nos servirá para abordar de manera ordenada, a lo largo del libro, las diferentes nociones de multiverso, la base científica que los sustenta y sus principales implicaciones.

La clase I de multiversos es la más cercana a la lógica cotidiana. En ella encajaría un universo espacialmente infinito y homogéneo a gran escala, compuesto por infinidad de «universos-isla» o «mundos» que han evolucionado de manera aislada en un tiempo finito. En él, sin necesidad de recurrir a las inquietantes leyes de la mecánica cuántica, la pura y simple probabilidad nos aseguraría que, dentro de esa infinidad, otros mundos habrían evolucionado hasta repetir el nuestro, en su estado actual. Como discutiremos, dentro del paradigma cosmológico actual, que incluye la inflación cósmica, los datos obtenidos para las fluctuaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas son compatibles con la existencia de este tipo de multiverso.

Las leyes de la física no variarían de un universo a otro en un multiverso de clase I. Un multiverso de clase II, sin embargo, sería aquel constituido por múltiples universos con leyes y constantes físicas fundamentales que diferirían de unos a otros. Cada uno de esos universos podría ser, a su vez, un multiverso de la clase I, si reuniera condiciones para ello. La clase III de multiverso es la que podríamos denominar multiverso cuántico. En ella encajaría la propuesta defendida por el físico Hugh Everett en su tesis doctoral de 1957, según la cual el engorroso postulado del colapso de la función de onda en el proceso de medida, formulado ex profeso para dotar de predictibilidad a la mecánica cuántica, es solo necesario para ahormar la descripción cuántica de la realidad a la perspectiva única de cada observador. Así, como analizaremos en detalle, Everett sugirió que observador y sistema físico observado se entrelazaban durante el proceso de medida, y la realidad se desdoblaba con cada posible alternativa cuántica, generando múltiples historias que se desarrollaban en universos paralelos. Por último, Tegmark incluyó también una clase IV de multiversos que escapa, claramente, al ámbito de cualquier discusión científica, quedando en el plano de la abstracción matemática o de la pura metafísica. La sugerencia de la existencia de esta última clase, de hecho, podría ser considerada como una actualización del paradigma platónico. Estaría compuesta por universos construidos con cualquier estructura matemática imaginable que, desde una perspectiva platónica radical, serían la verdadera realidad y existirían en sentido físico. Esta idea justificaría la sorprendente correspondencia entre matemática y realidad física que, desde Galileo, ha perturbado a físicos y matemáticos a lo largo de más de cuatrocientos años. ¿Es la matemática el lenguaje en el que la naturaleza se expresa, o es simplemente una extraordinaria y eficaz herramienta desarrollada por el cerebro humano para aproximarnos a la realidad natural? Complejísimas y nada intuitivas abstracciones matemáticas en el campo de la geometría, el análisis o el álgebra se han adaptado maravillosamente bien al propósito de formular las leyes que gobiernan la realidad física, que parecen sustentar la primera de las alternativas. Tegmark abunda en ello, con esta última clase de multiversos, y responde al filósofo Ludwig Wittgenstein que, sobre la matemática y el mundo, afirmaría en su Tractatus logico-philosophicus que la primera «no dice nada del mundo, existiendo en cualquier mundo posible o, incluso, aunque no hubiera mundo». Para Tegmark, el mundo, cualquier mundo posible, existirá porque existe la matemática. Esta última clase de multiversos, mencionada aquí por completitud, no será objeto de análisis en el presente libro, que está enfocado a discutir la verosimilitud del multiverso cuántico y de las variantes cosmológicas que encajan en las clases I y II.

Una última cuestión que merece, al menos, alguna atención antes de cerrar esta introducción es la que se refiere a la búsqueda de posibles evidencias empíricas para la existencia de multiversos. Como hemos mencionado, han sido mayormente postulados para preservar la estructura matemática, o como posibilidad consistente, de las teorías físicas fundamentales. Pero ¿puede ser contrastada o refutada su existencia? La pregunta es, en sí misma, controvertida. En algunos casos, como ocurre para los multiversos de clase I, diferentes burbujas de Hubble podrían llegar a interactuar, propiciando un efecto medible. También universos confinados en diferentes hipersuperficies del mismo continuo espacial proclamado por la teoría de cuerdas podrían interactuar, con efectos potencialmente observables. Por otra parte, las condiciones exigibles para la existencia de ciertos tipos de multiversos, sobre las que hablaremos en profundidad, como la preservación de una propiedad de los procesos mecano-cuánticos denominada unitariedad o la curvatura negativa o nula para la geometría del universo en relatividad general, pueden ser estudiadas de manera experimental y propiciar alguna suerte de refutación. La tarea es, en cualquier caso, ardua y solo muy remotamente fructífera.

Un mundo de probabilidades

Corrían los últimos días del siglo XIX cuando un físico alemán, que ya gozaba de una bien ganada reputación dentro de la comunidad científica internacional por sus trabajos sobre la teoría del calor y sobre termodinámica en general, presentó un trabajo sobre la distribución espectral de la radiación térmica en la reunión anual de la Sociedad Alemana de Física. La traducción del título del trabajo era «La teoría de la ley de distribución de energías del espectro normal», el físico era Max Planck y en aquella fecha, el 14 de diciembre de 1900, se presentó en sociedad la que sería la primera piedra de la primera gran revolución de la física moderna: la hipótesis cuántica.

A lo largo del primer cuarto del siglo siguiente, reconocidos físicos como, entre otros, Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli o Erwin Schrödinger, pusieron otras muchas piedras que permitieron completar un singular y brillante edificio: la mecánica cuántica. Sus leyes se revelaron tan eficaces y precisas para la descripción del mundo microscópico como inquietantes y desconcertantes para la intuición del común de los mortales. La luz tenía propiedades corpusculares, la materia propiedades ondulatorias, los electrones ya no seguían trayectorias y determinar su posición implicaba desconocer la velocidad que poseían; y, sobre todo, un gato podía estar ¡vivo y muerto al mismo tiempo! Esas mismas leyes y su consistencia matemática constituyen la principal base científica para la sorprendente especulación formulada por Hugh Everett en su tesis doctoral, defendida en Princeton en 1957, y que proponía la existencia de una multitud de universos paralelos, lo que se denomina multiverso cuántico o simplemente multiverso, como peaje a pagar para preservar una propiedad de la mecánica cuántica llamada unitariedad (a la que prestaremos atención más adelante). En particular, dicha propiedad debía preservarse también cuando se realiza una medición de alguna característica observable para un sistema dado y la función de onda que lo representa, aparentemente, colapsa perdiendo parte de su información.

En esencia, el trabajo de Everett estaba motivado, precisamente, por el intento de resolver el conocido como problema de la medida en mecánica cuántica. Problema que se deriva del establecimiento de la denominada interpretación ortodoxa de Copenhague como paradigma de la mecánica cuántica para la descripción del mundo físico microscópico. Everett concibió un mundo cuántico en el que la función de onda no colapsaba y la información del sistema cuántico no se perdía. En este mundo, el sistema cuántico con un resultado particular de una medida y el observador que la había medido se desdoblaban del sistema con otros resultados y de otros observadores, generando realidades cuánticas alternativas que se desconectaban y evolucionaban en paralelo. Así, el proceso de medida multiplicaba la realidad hasta generar tantas versiones cuánticas de la misma como resultados posibles de cada medida. Mundos paralelos que surgían de cada alternativa cuántica, que diferían inicialmente en el resultado de una medida concreta, pero que continuaban desdoblándose y divergiendo con cada alternativa medida. Las implicaciones de la idea de Everett producen verdadero vértigo: la existencia de una infinidad de realidades paralelas, que han aparecido desde el principio de los tiempos y siguen continuamente apareciendo, desarrollando todas las historias posibles.

No obstante, a pesar del equipaje metafísico que acompaña al trabajo de Everett, el suyo es un trabajo muy técnico, marcadamente formal y sólidamente matemático. Lo que Everett propone es, a grandes rasgos, una alternativa al paradigma de la interpretación ortodoxa de Copenhague, que extiende el formalismo de la mecánica cuántica y resuelve la paradoja asociada al problema de la medida. La existencia de múltiples realidades paralelas, de múltiples universos, es una mera consecuencia de la extensión sugerida por Everett, de su interpretación alternativa de la mecánica cuántica. Entender el porqué y las consecuencias de las ideas de Everett nos llevará, por tanto, a realizar un recorrido conceptual a lo largo de la gestación de las leyes de la mecánica cuántica y del establecimiento de la interpretación ortodoxa de Copenhague.

DEL CUERPO NEGRO A LA CUANTIZACIÓN DE LA LUZ

El problema físico que llevó a Planck a postular su hipótesis cuántica era el problema del equilibrio de la materia con la radiación. Un problema en el que confluían la termodinámica, la mecánica estadística y el electromagnetismo. Disciplinas, todas, muy bien establecidas dentro del cuerpo de la física clásica a finales del siglo XIX; en particular gracias a los trabajos de Ludwig Boltzmann en mecánica estadística y de James Clerk Maxwell en la formulación unificada del electromagnetismo.

El problema puede describirse como sigue. Todo cuerpo, por el hecho de estar a una cierta temperatura, radia. Emite «luz», es decir, radiación electromagnética no necesariamente visible. La razón es fácil de entender. La materia se compone de moléculas, que a su vez se componen de átomos que, aunque neutros, están compuestos por partículas cargadas eléctricamente como los electrones y los protones. El origen de las propias fuerzas intermoleculares está en el hecho de que, en las moléculas, la distribución de carga eléctrica negativa no es igual a la positiva, existiendo cierta separación de carga, ya sea permanente o instantáneamente. Por otra parte, la mecánica estadística nos enseña que la temperatura de un cuerpo es una medida promedio de la agitación de las moléculas que lo forman, cuando este se halla en equilibrio termodinámico (es decir, cuando se encuentra en equilibrio mecánico, químico y térmico a la vez y no puede experimentar un cambio de estado de manera espontánea). Y el electromagnetismo de esta agitación de componentes cargados genera campos magnéticos y eléctricos variables, es decir ondas electromagnéticas. Esto es lo que se conoce como radiación térmica. La cantidad total de energía radiada por unidad de tiempo y unidad de superficie del cuerpo que radia, denominada radiancia, debe lógicamente depender del grado de agitación y, por tanto, de la temperatura a la que se encuentre dicho cuerpo. La manera en que esa energía se reparte en el continuo de frecuencias del espectro electromagnético, que viene dada por la función llamada radiancia espectral, también dependerá de la temperatura.

Con objeto de analizar los problemas con la máxima generalidad y de la manera más formal posible, los físicos suelen fabricar modelos que se aplican a sistemas idealizados. En el caso del problema del equilibrio entre materia y radiación, ese sistema idealizado se llama cuerpo negro, denominado así porque su superficie absorbe toda la radiación que incide sobre él. La principal característica de un cuerpo negro es que, como Gustav Kirchhoff demostró, la manera en que radia térmicamente no depende de su naturaleza o composición, sino solo de la temperatura del cuerpo. Una buena aproximación experimental de un cuerpo negro es una cavidad mantenida a temperatura constante, cuya radiación interior se observa a través de un pequeño orificio. De ese modo, el problema de la radiación del cuerpo negro adquirió también una notable relevancia práctica al convertirse este en un patrón ideal para fuentes luminosas. Científicos e ingenieros, a lo largo de la segunda mitad del siglo XIX, repitieron cuidadosamente medidas de la distribución espectral de la radiación del cuerpo negro y trataron, sin éxito, de justificarlas de manera teórica. En particular, en contra de cualquier evidencia experimental, la radiancia espectral calculada teóricamente crecía hasta hacerse infinita cuando lo hacía la frecuencia. Dicho desacuerdo radical entre teoría y experiencia (la radiancia espectral medida disminuía hasta anularse para el caso límite de frecuencias infinitas) fue melodramáticamente bautizado como catástrofe ultravioleta.

El problema era, por tanto, de capital importancia porque ponía a prueba el paradigma del conocimiento sólidamente establecido para el mundo físico a finales del siglo XIX. Planck atacó ese problema con la certeza de que tenía que ser resuelto y, usando sus mismas palabras, lo resolvió con un «acto de desesperación», formulando su postulado limitado o cuántico. En esencia, la teoría de Planck del cuerpo negro corregía la fallida teoría clásica, previamente desarrollada por lord Rayleigh y sir James Jeans, en un único punto. Como ellos, Planck aplicó el electromagnetismo clásico para deducir que la radiación en el interior del cuerpo negro, de paredes supuestamente metálicas, correspondía a ondas estacionarias con nodos (puntos en los que la amplitud de la onda es nula) en las paredes. Calculó el número de ondas estacionarias por intervalo de frecuencia, también como Rayleigh y Jeans, pero al asignar la energía promedio por onda, introdujo su hipótesis: la energía portada por la radiación interna del cuerpo negro para una frecuencia dada es un múltiplo entero de una cantidad mínima proporcional a dicha frecuencia. Formulada matemáticamente, la hipótesis de Planck se expresa a través de la conocida ecuación:

E

h

ν

,

donde E representa la energía, ν, la frecuencia, y h es una constante que tiene las dimensiones de una energía multiplicada por un tiempo, magnitud que los físicos conocen como acción. Esta constante resultó ser universal, la misma para cualquier forma de interacción entre radiación y materia, y hoy lleva el nombre de constante de Planck. De ese modo, con esta hipótesis sencilla pero nada previsible desde la lógica cotidiana, la energía promedio por onda estacionaria pasaba a ser una función de la frecuencia y permitía la descripción precisa de los resultados empíricos para la radiación del cuerpo negro.

A este fenómeno, al hecho de que una magnitud que clásicamente puede variar de manera continua, adquiriendo cualquier valor posible, quede limitada a un conjunto discreto de valores accesibles, se le conoce como cuantización. Por «discreto» se entiende que el conjunto de valores es numerable, es decir, que puede establecerse una correspondencia uno a uno con el conjunto matemático de los números naturales o enteros. Planck había introducido, con su hipótesis, la cuantización de la energía de radiación del cuerpo negro. Sin embargo, su interpretación inicial tenía repercusiones más bien modestas. Propuso que las ondas estacionarias en el interior del cuerpo negro estaban acopladas a los electrones que oscilaban en las paredes metálicas de la cavidad, de forma que eran estos electrones oscilantes los que estaban cuantizados, provocando que la radiación interna en la cavidad transmitiera energía tan solo en paquetes discretos. Por tanto, para Planck, al menos inicialmente, el fenómeno no era universal.

La universalización del carácter cuántico de la radiación llegó con trabajos posteriores de otros físicos más jóvenes, como Albert Einstein. En su annus mirabilis de 1905, Einstein publicó en los Anales de la Sociedad Alemana de Física un trabajo titulado «De un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz». En él extendía la hipótesis cuántica de Planck a todo intercambio de energía entre radiación electromagnética y materia, explicando así el conocido como efecto fotoeléctrico