¿Y si el tiempo no existiera? - Carlo Rovelli - E-Book

¿Y si el tiempo no existiera? E-Book

Carlo Rovelli

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Beschreibung

El nacimiento del universo, el destino de los agujeros negros, la realidad del tiempo, la mecánica cuántica o la teoría de la relatividad son algunos de los protagonistas del presente título. Objetos de estudio tanto de la física como de la filosofía antigua, estos fascinantes conceptos entrañan una dificultad de comprensión muchas veces imposible para el público no especializado. Sin embargo, su autor, Carlo Rovelli -físico teórico y uno de los iniciadores de la teoría de la gravedad cuántica de bucles- nos habla de estos temas de forma transparente, con una clara conciencia divulgativa. ¿Y si el tiempo no existiera? es una invitación a la reflexión y descubrimiento a la ciencia, con un contenido que prepara al lector para entender los nuevos y fascinantes paradigmas de la física contemporánea. Rovelli se pregunta por el conjunto de la ciencia, por sus relaciones con los otros ámbitos de conocimiento y por su papel en la sociedad. Este libro es una celebración del espíritu científico, un camino hacia la búsqueda y las interrogaciones por la naturaleza y el espacio.

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CARLO ROVELLI

¿Y SI EL TIEMPONO EXISTIERA?

TRADUCCIÓN DEMARIA PONS IRAZAZÁBAL

Herder

Título original: Et si le temps m’existait pas?

Traducción: Maria Pons Irazazábal

Diseño de cubierta: Gabriel Nunes

Edición digital: José Toribio Barba

© 2014, Dunod, París

© 2018, Herder Editorial S.L., Barcelona

ISBN digital: 978-84-254-4058-8

1.ª edición digital, 2019

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro de Derechos Reprográficos) si necesita reproducir algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com)

Herder

www.herdereditorial.com

ÍNDICE

Prefacio a la segunda edición francesa

Prólogo

1. Un problema extraordinario: la gravedad cuántica

2. Espacio, partículas y campos

3. Nacimiento de la teoría de los bucles

4. Interludio: la ciencia o la exploración permanente denuevas formas de pensar el mundo

5. Los bucles: granos de espacio, redes de espín, cosmología esencial y calor de los agujeros negros

6. El tiempo no existe

7. Los bucles, las cuerdas y los otros

Epílogo

Agradecimientos

Índice analítico

PREFACIO A LA SEGUNDAEDICIÓN FRANCESA

Carlo Rovelli es físico teórico y uno de los iniciadores de la teoría de la gravedad cuántica de bucles, un tema de una dificultad matemática aterradora. Sin embargo, cuando lo conocí y lo escuché en una reunión interdisciplinaria, estuvo hablando de su trabajo de una forma tan clara que un adolescente de quince años lo habría seguido sin perder palabra, y de una forma tan apasionante que el joven oyente habría preguntado qué había que hacer para ser físico.

Carlo Rovelli trabaja a la vanguardia de la técnica, pero jamás cede al placer de la pirueta. Está pendiente de las cuestiones que trata de resolver. Esta conciencia de los problemas lo convierte en un divulgador mágico. De forma esquemática y transparente describe el cuadro de la física fundamental para aclarar sus fisuras, esas cuestiones abiertas en las que están sumergidos los físicos de hoy.

Y, más allá de la física, Rovelli se pregunta por la ciencia en su conjunto, por sus relaciones con los otros ámbitos de conocimiento y por su papel en la sociedad. El físico no es, no puede ser, un técnico desconectado de las realidades —puesto que es de la realidad de lo que pretende hablar—. El mundo que estudia en el acelerador de partículas y el mundo en el que se despierta todas las mañanas son el mismo. Mejor que cualquier otro científico, Carlo Rovelli nos hace sentir esta intensa conexión de la actividad del investigador con el runrún del mundo.

El editor italiano Sante Di Renzo tuvo la clarividencia de pedir a Carlo Rovelli que concibiera una obra destinada a los jóvenes que se sintieran atraídos por una carrera científica. A partir de muchas conversaciones sobre la carrera del físico nació la obra Che cos’è il tempo? Che cos’è lo spazio?

Cuando pensé en publicar esa obra, tras haber escuchado a Rovelli en una conferencia, él mismo me propuso tomar como base ese texto y ampliar lo relativo al contenido científico y la reflexión sobre la ciencia. Por tanto, el libro que les ofrecemos es una obra más acabada y más extensa, un auténtico «cono de pensamiento». En él aprendemos en qué dirección va la física de mañana y por qué se encuentra con Aristóteles, a qué se parece un «grano» de espacio-tiempo y cómo el estudio de este tipo de cuestiones desempeña un papel importante en el camino de la civilización.

Más que una obra de ciencia, es una demostración de espíritu científico, esa actitud tan natural en los niños y tan difícil de conservar.

Élisa Bruneperiodista científica

PRÓLOGO

He dedicado gran parte de mi vida a la investigación científica, pero la ciencia fue para mí una pasión tardía. Cuando era joven, más que la ciencia, lo que me fascinaba era el mundo entero.

Crecí en Verona, en el seno de una familia tranquila. Mi padre, un hombre de una rara inteligencia, discreto y reservado, era ingeniero y dirigía su propia empresa. Él me transmitió el placer de contemplar el mundo con curiosidad. Mi madre, una italiana auténtica, desbordante de amor por su único hijo, me ayudaba en los trabajos de «investigación» que realizaba en la escuela primaria, y alimentaba mis ansias de descubrir.

Asistí al Liceo clásico de Verona, donde se estudiaba griego e historia más que matemáticas. Era una institución rica en estímulos culturales, pero pretenciosa y provinciana, dedicada a su misión de proteger a los privilegiados y la identidad de la burguesía local. Muchos profesores habían sido fascistas antes de la guerra, y lo seguían siendo en su fuero interno. Eran los años sesenta y setenta, y el conflicto entre generaciones estaba en plena ebullición. El mundo cambiaba rápidamente. A la mayoría de los adultos que me rodeaban les costaba mucho aceptar la evolución; se mantenían firmes en posturas defensivas y estériles. Confiaba poco en ellos, y menos aún en mis profesores. Chocaba continuamente con ellos y con cualquier figura autoritaria.

Mi adolescencia fue pura rebeldía. No me reconocía en los valores entre los que vivía, evolucionaba en medio de la confusión y no tenía ninguna certeza. Solo una cosa me parecía clara: el mundo que yo veía era distinto del que me hubiera parecido justo y hermoso. Soñaba con ser un vagabundo y vivir al margen de esta realidad que no me gustaba. Leía con avidez los libros que me hablaban de otras formas de vida y de otras ideas. Creía que en cada unos de los libros que todavía no había leído se ocultaban tesoros maravillosos.

Durante mis estudios universitarios en Bolonia, mi conflicto con el mundo adulto fue parejo al de una gran parte de mi generación. Queríamos cambiar el mundo, hacerlo mejor, menos injusto; descubrir nuevas formas de vivir y de amar; experimentar nuevas formas de comunidad; probarlo todo. Nos enamorábamos continuamente y discutíamos hasta el agotamiento. Queríamos aprender a ver las cosas sin a priori. Teníamos momentos de desconcierto, y en otras ocasiones creíamos entrever el alba de un mundo nuevo.

Era una época en que se vivía de sueños. Viajábamos mucho: mental y efectivamente, en busca de amigos y de ideas. A los veinte años emprendí un viaje en solitario alrededor del mundo. Quería vivir la aventura, «buscar la verdad». Hoy, desde la perspectiva de los cincuenta años, esta ingenuidad me provoca risa pero, en cualquier caso, creo que era una buena elección, y en cierto modo todavía sigo inmerso en una aventura que empecé en aquella época. El camino no siempre ha sido fácil, pero las esperanzas descabelladas y los sueños sin límites no me han abandonado nunca; solo hacía falta tener el valor de seguirlos.

Junto con un grupo de amigos impulsamos una de las primeras radios libres de la época, radio Alice, en Bolonia. Los micrófonos estaban abiertos a todo el que quisiera expresarse a través de las ondas. Radio Alice impulsaba experiencias y utopías. Junto con dos amigos escribí un libro en el que se explicaba la revuelta estudiantil italiana de finales de los años setenta. Pero las esperanzas de revolución fueron sofocadas rápidamente y el orden se impuso. No es tan fácil cambiar el mundo.

A medio camino de mis estudios universitarios, me sentí más perdido que antes, con la sensación amarga de que los sueños compartidos por la mitad del planeta estaban a punto de desvanecerse. No tenía ni idea de qué iba a hacer con mi vida. Vencer en la carrera del ascenso social, progresar, ganar dinero y recoger algunas migajas de poder me parecía demasiado triste. El mundo entero estaba por explorar, y detrás de las nubes seguía imaginando la existencia de horizontes sin límites.

Entonces la investigación científica vino a mi encuentro, en ella descubrí un espacio de libertad ilimitada, una aventura tan extraordinaria como antigua. Hasta ese momento yo estudiaba porque tenía que aprobar, y sobre todo para retrasar el servicio militar obligatorio; no obstante, muy pronto las asignaturas que estudiaba empezaron a interesarme y, luego, a apasionarme.

En el tercer curso de la carrera de física aparece la «nueva» física, la del siglo xx: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein. Son ideas fascinantes, revoluciones conceptuales extraordinarias que transforman nuestra visión del mundo y trastornan las viejas ideas, incluso las que se creían más sólidas. A través de ellas se descubre que el mundo no se corresponde con las apariencias. Se aprende a ver las cosas con otros ojos. Es un fantástico viaje mental. De este modo pasé de una revolución cultural abortada a una revolución de pensamiento en curso.

Gracias a la ciencia descubrí una forma de pensar que empieza estableciendo reglas para comprender el mundo y que después es capaz de modificar esas mismas reglas. Esa libertad en la búsqueda del conocimiento me fascinaba. Impulsado por la curiosidad, y tal vez por lo que Federico Cesi, amigo de Galileo y visionario de la ciencia moderna, llamaba «el deseo natural de saber», me encontré inmerso, casi sin darme cuenta, en problemas de física teórica.

De modo que mi interés por esta disciplina nació por accidente y por curiosidad más que por una elección consciente. En el Liceo sacaba buenas notas en matemáticas pero me atraía sobre todo la filosofía. Si en la universidad decidí estudiar física y no filosofía fue solamente porque mi desprecio por las instituciones vigentes me llevaba a considerar los problemas filosóficos demasiado importantes para ser discutidos en la escuela…

Por tanto, en el momento en que mi sueño de construir un mundo nuevo chocó con la realidad, me enamoré de la ciencia, que contiene un número infinito de mundos nuevos, y que me ofrecía la posibilidad de seguir un camino libre y luminoso en la exploración de lo que nos rodea. La ciencia fue para mí un compromiso que me permitía no renunciar a mi deseo de cambio y de aventura, mantener la libertad de pensar y de ser el que soy, minimizando a la vez los conflictos con mi entorno que esto implicaba. Es más, contribuía a una empresa que el mundo apreciaba.

Creo que una gran parte del trabajo intelectual o artístico tiene su origen en este hecho. Ofrece a los posibles desviados una especie de refugio. Al mismo tiempo, la sociedad necesita a este tipo de personas, ya que se mantiene en un estado de equilibrio dinámico: por un lado, unas fuerzas que aseguran su estabilidad y su permanencia, e impiden que el desorden destruya lo que ya ha sido construido; por el otro, el deseo de cambio y de justicia tiende a modificarla, a hacerla progresar y evolucionar. Sin ese deseo de cambio, la civilización no habría llegado jamás al punto en que se encuentra; seguiríamos adorando a los faraones.

Creo que la curiosidad y el deseo de cambio de la juventud, que están presentes en cada generación, son la primera causa de evolución de la sociedad. Al lado de las figuras de orden, que mantienen la estabilidad pero frenan la historia, se necesitan personas que vivan de sueños y se lancen a descubrir nuevos territorios, ideas originales, formas inéditas de ver y de comprender la realidad. El mundo actual ha sido pensado y construido por quienes en el pasado fueron capaces de soñar. Solo nuevos sueños pueden dar vida a nuestro futuro.

Este libro presenta algunas etapas del camino que he recorrido siguiendo mi curiosidad y mis sueños. Habla de la fascinación por las ideas y de los amigos que he encontrado.

1. UN PROBLEMA EXTRAORDINARIO:LA GRAVEDAD CUÁNTICA

Cuando cursaba el cuarto año en la universidad, descubrí un artículo escrito por un físico inglés, Chris Isham, que trataba de la gravedad cuántica. El artículo explicaba que en la base de la física contemporánea hay un problema fundamental no resuelto, relacionado con la definición del tiempo y del espacio, es decir, con la estructura básica del mundo. Leí el artículo con avidez. No entendí gran cosa, pero el tema que el artículo presentaba me sedujo. Veamos las grandes líneas del problema.

El lamentable estado de la física fundamental

La gran revolución científica del siglo xx se compone de dos episodios de gran importancia. Por un lado, la mecánica cuántica, por el otro, la relatividad general de Einstein. La mecánica cuántica, que describe muy bien el mundo microscópico, transformó profundamente nuestros conocimientos sobre la materia. La relatividad general, que explica con precisión la fuerza de la gravedad, transformó radicalmente nuestros conocimientos sobre el tiempo y el espacio. Estas dos teorías han sido ampliamente confirmadas por la experiencia, y han permitido el desarrollo de una buena parte de la tecnología contemporánea.

Pero estas dos teorías conducen a dos maneras diferentes de describir el mundo, a primera vista incompatibles. Cada una de ellas parece escrita como si la otra no existiera. Lo que un profesor de relatividad general explica en clase carece de sentido para su colega que enseña mecánica cuántica a los mismos estudiantes en la clase de al lado, y viceversa. La mecánica cuántica utiliza las antiguas nociones de tiempo y espacio refutadas por la teoría de la relatividad general. Y la relatividad general utiliza las antiguas nociones de materia y energía, refutadas por la mecánica cuántica.

No hay ninguna situación física actual en la que se apliquen simultáneamente las dos teorías. Según la escala de los fenómenos, a veces se aplica una, a veces la otra. Las situaciones físicas en las que se aplican las dos teorías, como las distancias muy pequeñas, el centro de un agujero negro o los primeros momentos de la vida del Universo, implican niveles de energía difícilmente accesibles a nuestros instrumentos.

No sabemos cómo articular esos dos grandes descubrimientos; no tenemos un marco global para pensar el mundo. Nos encontramos en una situación de gran confusión, con explicaciones parciales e incompatibles entre sí, hasta el punto de que en realidad ya no sabemos qué son el espacio, el tiempo y la materia. La física fundamental de hoy se halla en un estado lamentable.

A lo largo de la historia se han producido situaciones similares, por ejemplo antes de la acción unificadora de Newton. Para Kepler, que observaba los planetas y las estrellas, los objetos describían elipses. Para Galileo, que estudiaba los objetos cayendo al suelo, describían parábolas. Pero Copérnico entendió que la Tierra es un lugar como cualquier otro, no tiene nada de particular en el Universo. Por tanto, ¿podía haber una teoría que funcionara en la Tierra y otra que funcionara en el cielo? Newton consiguió conciliar las dos visiones en una única teoría: aplicando una misma ecuación a los planetas y a las manzanas que caen.

Esta hermosa unidad prevaleció durante tres siglos. Hasta principios del siglo xx la física fue un conjunto de leyes bastante coherente, fundamentado en unas pocas nociones clave como el tiempo, el espacio, la causalidad y la materia. A pesar de producirse evoluciones importantes, estas nociones se mantuvieron básicamente estables. A finales del siglo xix empezaron a acumularse algunas tensiones internas y, durante el primer cuarto del siglo xx, la mecánica cuántica y la relatividad general pulverizaron estos fundamentos. La hermosa unidad newtoniana se había perdido.

Las dos teorías —mecánica cuántica y relatividad general— obtuvieron enormes éxitos y una verificación experimental constante; actualmente, forman parte de nuestros conocimientos establecidos. Cada una de las dos teorías modifica la base conceptual de la física clásica de una forma que para ella es coherente, pero no disponemos de un marco conceptual que pueda englobar ambas teorías. Por consiguiente, no tenemos medios para predecir lo que ocurre en el ámbito en que la gravedad empieza a presentar efectos cuánticos, a escalas inferiores a 10-33 cm. Esas dimensiones tan pequeñas son extremas, pero hay que poder describirlas. El mundo no puede depender de dos teorías incompatibles. En la naturaleza se producen realmente fenómenos a escalas tan pequeñas, por ejemplo cerca del Big Bang o en las proximidades de un agujero negro. Si queremos comprender esos fenómenos, hemos de ser capaces de calcular lo que ocurre a esta escala. De una forma u otra hay que conciliar ambas teorías. Esta misión es el problema central de la gravedad cuántica.

Evidentemente, es un problema difícil. Pero, con la temeridad de un joven de veinte años, en el último curso de mis estudios universitarios decidí que este era el reto al que quería consagrar mi vida. Me seducía la idea de estudiar conceptos tan fundamentales como el tiempo y el espacio, así como el hecho mismo de que la situación parecía inextricable.

En Italia casi nadie estudiaba este problema. Mis profesores me desaconsejaron vivamente que tomara ese camino: «Es un camino que no conduce a ninguna parte», «nunca encontrarás trabajo», o bien: «deberías unirte a un equipo sólido y ya establecido». Pero muchas veces lo único que consiguen los consejos de prudencia de los adultos es reforzar la despreocupada testarudez de la juventud.

Cuando era niño leía los cuentos de un escritor italiano, Gianni Rodari. Uno de ellos cuenta la historia de Giovannino y del camino que no conduce a ninguna parte. El héroe vivía en un pueblo en el que había un camino que no conducía a ninguna parte. Pero como era curioso y testarudo, y pese a lo que todo el mundo le decía, quería ir a verlo. Y fue, y por supuesto encontró un castillo y una princesa, que lo cubrió de piedras preciosas. Cuando regresó al pueblo, tan rico, todo el mundo se precipitó hacia el camino, pero nadie encontró ni rastro del tesoro. Esta historia se me había quedado grabada. Con la gravedad cuántica había encontrado un camino que, según la opinión general, no conduciría a ninguna parte. Sin embargo, en él encontré a mi princesa y muchas piedras preciosas.

2. ESPACIO, PARTÍCULAS Y CAMPOS

Describamos el origen y la dificultad del problema de la gravedad cuántica de una forma algo más detallada, empezando por un concepto clave, el de espacio, que es el primero, históricamente, que fue puesto en tela de juicio. Después explicaré cómo la noción de tiempo sufrirá una transformación más espectacular aún.

La noción de espacio según la visión del mundo más corriente es la de un gran «contenedor» del mundo. Una especie de caja grande, regular, homogénea, sin una dirección preferente, donde se aplica la geometría de Euclides y en la que se desarrollan los acontecimientos del mundo. Todos los objetos que conocemos están formados por partículas que se desplazan en este espacio-caja. Y es en este espacio donde Newton construyó su potente teoría de la gravitación universal, que todavía hoy es la base de innumerables aplicaciones en todos los ámbitos de la tecnología y de la ingeniería.

Doscientos años después de Newton, a finales del siglo xix, James Clerk Maxwell y Michael Faraday estudian la fuerza eléctrica entre objetos cargados, y esto los lleva a modificar esta descripción. Al espacio y a las partículas añaden un tercer ingrediente: el «campo» electromagnético, un nuevo «objeto» que tendrá una gran importancia en toda la física posterior.

El campo electromagnético es el soporte de las fuerzas eléctrica y magnética. Un campo es una especie de entidad difusa que llena todo el espacio. Faraday lo imagina como un conjunto de líneas que salen de las cargas eléctricas positivas y llegan a las cargas eléctricas negativas. La figura 1 muestra algunas de estas líneas. En realidad, son infinitas y ocupan todo el espacio de una manera continua, como los hilos de una tela de araña inmaterial dibujada en las tres dimensiones del espacio.

Por cada punto del espacio pasa una línea de Faraday. La dirección de esta línea, en ese punto, viene dada por un vector (una pequeña flecha) tangente a la línea. El campo ejerce una fuerza eléctrica sobre una carga eléctrica situada en este lugar, en la dirección de ese vector.

Figura 1.Campo eléctrico alrededor de dos cargas; el campo está compuesto de líneas, las líneas de Faraday. La dirección de la fuerza eléctrica en un punto está indicada por la flecha.