LA FÍSICA Y EL UNIVERSO

 

Por qué las leyes de la física nunca explicarán el universo

Andrew Pontzen

 Ilustración: Elia Barbieri

Deberíamos pensar en el cosmos más como un animal que como una máquina.

Es difícil aceptar la escala del espacio: cientos de miles de millones de estrellas en nuestra galaxia y, como mínimo, billones de galaxias en el universo. Pero para un cosmólogo hay algo aún más intrigante que los números alucinantes en sí mismos, que es la cuestión de cómo se crearon todas estas estrellas y galaxias durante un período de 13.800 millones de años. Es la última aventura prehistórica. La vida no puede evolucionar sin un planeta, los planetas no se forman sin estrellas, las estrellas deben estar acunadas dentro de las galaxias, y las galaxias no existirían sin un universo ricamente estructurado que las sustente. Nuestros orígenes están escritos en el cielo, y apenas estamos aprendiendo a leerlos.

Alguna vez pareció que, a pesar de toda su inmensidad, el cosmos podía entenderse mediante la aplicación de un pequeño número de leyes físicas rígidas. Newton resumió esta idea, mostrando cómo las manzanas que caen de los árboles y las órbitas planetarias alrededor de nuestro sol surgen de la misma fuerza, la gravedad. Este tipo de unificación radical de los fenómenos terrenales y celestiales sobrevive en la enseñanza moderna: se espera que todas las innumerables moléculas, átomos y partículas subatómicas del universo obedezcan el mismo conjunto de leyes. La mayor parte de la evidencia sugiere que esta suposición es cierta, por lo que debería seguirse que perfeccionar nuestra comprensión de estas leyes resolverá cualquier pregunta restante sobre la historia cósmica.

Sin embargo, esto es una falacia lógica. Incluso si imaginamos que la humanidad finalmente descubrirá una "teoría del todo" que cubra todas las partículas y fuerzas individuales, es probable que el valor explicativo de esa teoría para el universo como un todo sea marginal. A lo largo del siglo XX, incluso cuando la física de partículas reveló los secretos de los átomos, quedó claro que el comportamiento a nivel macro no puede entenderse centrándose exclusivamente en objetos individuales.

Los insectos sociales aquí en la Tierra proporcionan un ejemplo útil. Las hormigas armadas, por ejemplo, pululan para localizar colonias de presas más pequeñas, que luego devoran. Mientras pululan, realizan extraordinarias hazañas de cooperación, usando sus cuerpos para allanar el terreno, o incluso para construir puentes sobre terrenos irregulares.

A los ojos humanos, el comportamiento colectivo de las hormigas podría sugerir que un ejecutivo dentro del nido formula estrategias para llegar a la presa de manera eficiente, pero no existe tal toma de decisiones. Solo hay hormigas solitarias, que siguen reglas simples e inmutables, como unirse a un puente de hormigas si hay muchas personas empujando detrás y abandonar la estructura si nadie más se arrastra. La sofisticación surge del gran número de personas que siguen estas reglas. Como dijo el físico Philip W Anderson: “Más es diferente ”.

El sistema solar, aparentemente el epítome de la predictibilidad mecánica, tiene un futuro incierto a largo plazo por esta razón. De forma aislada, un solo planeta alrededor de una sola estrella orbitaría indefinidamente, pero en realidad hay múltiples planetas y cada uno tira, aunque muy sutilmente, de los demás. Con el tiempo, una serie de pequeños "empujones" pueden producir un efecto importante, uno que requiere una cantidad excesiva de cálculos para predecirlo.

Hasta cierto punto, las computadoras pueden asumir este desafío, simulando el resultado colectivo al sumar las influencias individuales utilizando una aritmética rápida y confiable. El problema es que las simulaciones no están de acuerdo entre sí. Algunos predicen que el sistema solar es estable a pesar de los continuos impulsos o "empujones", mientras que otros sugieren que dentro de unos pocos miles de millones de años, Mercurio podría ser inducido a colisionar con Venus, o incluso ser expulsado al espacio profundo.

Las simulaciones del sistema solar no están de acuerdo porque ningún cálculo puede explicar perfectamente todas las influencias, e incluso el más mínimo desacuerdo sobre los enviones individuales conduce eventualmente a un resultado completamente diferente. Es un ejemplo del fenómeno conocido como caos, y es a la vez emocionante y preocupante. Emocionante, porque muestra que los sistemas planetarios pueden exhibir comportamientos mucho más ricos de lo que podría sugerir la fría y sin vida ley de la gravedad. Preocupante, porque si incluso el sistema solar es caótico e impredecible, podríamos preocuparnos de que intentar comprender el universo más amplio sea una empresa condenada al fracaso.

Considere las galaxias, en promedio decenas de millones de veces más grandes que el sistema solar, y muy variadas en sus formas, colores y tamaños. Comprender cómo las galaxias llegaron a ser tan diversas requiere, como mínimo, que sepamos cómo y dónde se formaron las estrellas dentro de ellas. Sin embargo, la formación de estrellas es un proceso caótico en el que nubes difusas de hidrógeno y helio se condensan lentamente bajo la gravedad, y ninguna computadora es capaz de rastrear todos los átomos necesarios (hay alrededor de  10 57 solo en nuestro sol). Incluso si el cómputo fuera factible, el caos magnificaría exponencialmente las más mínimas incertidumbres, impidiéndonos obtener una respuesta definitiva. Si fuéramos estrictos en apegarnos a las leyes tradicionales de la física como explicación de las galaxias, aquí está el final del camino.

Para caber dentro de las computadoras, una simulación de la formación de una galaxia tiene que agrupar un gran número de moléculas, describiendo cómo se mueven en masa, se empujan entre sí, transportan energía, reaccionan a la luz y la radiación, y así sucesivamente, todo sin referencia explícita a los innumerables individuos dentro. Esto requiere que seamos creativos, encontrando formas de describir la esencia de muchos procesos diferentes, permitiendo una variedad de resultados sin obsesionarnos con los detalles, que de todos modos son incognoscibles. Nuestras simulaciones se basan necesariamente en extrapolaciones, compromisos y especulaciones sin cuartel desarrolladas por expertos. Las partes inciertas cubren no solo las estrellas, sino también los agujeros negros, los campos magnéticos, los rayos cósmicos y la "materia oscura" y la "energía oscura" aún por entender que aparentemente gobiernan la estructura general del universo.

Esto nunca resultará en una réplica digital literal del universo que habitamos. Tal recreación es tan imposible como un pronóstico preciso para el futuro del sistema solar. Pero las simulaciones basadas incluso en descripciones sueltas y las mejores conjeturas pueden actuar como una guía, sugiriendo cómo las galaxias pueden haber evolucionado con el tiempo, permitiéndonos interpretar los resultados de telescopios cada vez más sofisticados, guiándonos sobre cómo aprender más.

En última instancia, las galaxias se parecen menos a las máquinas y más a los animales: vagamente comprensibles, gratificantes de estudiar, pero solo parcialmente predecibles. Aceptar esto requiere un cambio de perspectiva, pero enriquece aún más nuestra visión del universo.

El profesor Andrew Pontzen es el autor de El universo en una caja: una nueva historia cósmica (Jonathan Cape).