Una sola ley para cuatro fuerzas

En busca de una teoría definitiva del universo
En 1977 el físico estadounidense Steven Weinberg nos asombró al publicar su libro, ahora un clásico de la divulgación científica, Los tres primeros minutos del universo. Con una claridad envidiable supo explicar para un público relativamente amplio la entonces reciente unión de la física de partículas elementales y la cosmología, en una presentación soberbia del llamado modelo standard y de las etapas del universo posteriores al big bang. En su nuevo libro, Sueños de una teoría final (1), nos introduce en una aventura intelectual: la búsqueda de las leyes finales de la naturaleza. Weinberg se dirige a lectores sin conocimientos de física o matemáticas avanzadas. De manera brillante teje los conceptos de la física moderna con la explicación del progreso por el camino hacia esa teoría final, y especula sobre la forma que tendría.

Una de las esperanzas constantes de la humanidad ha sido encontrar una visión global que le permita comprender el mundo. Con el desarrollo de la ciencia moderna, esta esperanza se ha transformado en la búsqueda de unas pocas leyes generales simples que puedan explicar por qué la naturaleza, con toda su aparente complejidad, es como es. Por el momento, lo más cerca que estamos a una visión unificada de la naturaleza es una descripción en términos de partículas elementales y sus interacciones mutuas.

Un edificio sin terminar

A finales del siglo pasado se extendió entre los científicos la sensación de que el edificio de la física estaba casi completado. La euforia duró pocos años, hasta el descubrimiento de la física atómica y la relatividad especial de Einstein. El sueño de una teoría final unificadora volvió a tomar forma a mitad de los años veinte, con la mecánica cuántica. Después vino el descubrimiento de numerosas partículas subatómicas: el protón, el neutrón, el positrón, y muchas otras que a veces recibieron nombres un tanto extraños.

Al avanzar el siglo se fue comprendiendo el papel de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad mantiene nuestros pies sobre la tierra y a los planetas en sus órbitas; la interacción electromagnética es responsable de las propiedades físicas y químicas de los sólidos, líquidos y gases; la interacción fuerte mantiene protones y neutrones unidos en el núcleo atómico; y la fuerza débil produce, entre otros, el primer paso de la cadena de reacciones termonucleares en el sol.

Los físicos de partículas suponen que todas estas fuerzas son diversas manifestaciones de una sola ley: estas fuerzas habrían tal vez estado unificadas en los primeros estadios del universo, después del big bang. Weinberg recibió el Premio Nobel de Física en 1979 por su trabajo de unificación de las fuerzas débil y electromagnética: la teoría electrodébil. La fuerza nuclear fuerte se estudia en el marco de una teoría conocida como cromodinámica cuántica. De este modo, el modelo standard de partículas elementales consiste en la teoría electrodébil combinada con la cromodinámica cuántica; es un paso más en la pretendida unificación.

Ahora los físicos de partículas se encuentran estancados: la teoría ha avanzado tanto que el progreso posterior requerirá construir costosos aceleradores de partículas, más potentes que los actuales, si se quiere avanzar hacia una teoría de gran unificación.

La belleza de las teorías

A pesar de las dificultades, ese sueño de una teoría final inspira gran parte del trabajo que se hace hoy día en la física de altas energías. Como explica Weinberg, “nuestras teorías actuales son sólo de una validez limitada, todavía provisional e incompleta. Pero detrás de ellas encontramos destellos de una teoría final, que sería de validez ilimitada y totalmente completa y consistente”. Es ésta una búsqueda de verdades universales sobre la naturaleza, y cuando se encuentran, se intentan explicar deduciéndolas a partir de verdades más profundas. El punto de partida, al que todas las explicaciones llevan, es lo que Weinberg entiende por una teoría final.

Por supuesto que una teoría final no acabaría con la investigación científica, ni tampoco con la investigación pura en física. “Una teoría final será final sólo en un sentido: llevará a su fin un tipo de ciencia, la antigua investigación de aquellos principios que no se pueden explicar mediante principios más básicos”. Weinberg propone definir la teoría final como aquella que es “tan rígida que no puede ser transformada en otra teoría ligeramente diferente sin introducir absurdos lógicos”: tendría, así, un carácter inevitable.

Weinberg describe cómo en el estudio de las partículas elementales se están descubriendo leyes que van creciendo en coherencia y universalidad, y “estamos empezando a sospechar que esto no es un mero accidente, que en estas leyes hay una belleza que refleja algo que está contenido en la estructura del universo a un nivel realmente profundo”. En muchos de los que buscan las leyes finales del universo se observa una constante referencia a la belleza. De tal modo que se ha llegado a proponer la belleza de las teorías como criterio de verdad. Belleza que no quiere decir elegancia matemática ni economía de medios, sino simplicidad: simplicidad de ideas.

Leyes que no cambian

Otro aspecto que da simplicidad a una teoría es la simetría. Un principio de simetría, o invarianza, de las leyes de la naturaleza es simplemente la afirmación de que cuando hacemos ciertos cambios en el punto de vista desde el que observamos un fenómeno natural, las leyes de la naturaleza que descubrimos no cambian. Galileo descubrió la invarianza de las leyes de la mecánica para un observador en reposo y otro con velocidad uniforme. Newton se extrañó al encontrar diferentes leyes físicas para observadores estáticos o en movimiento giratorio. Einstein reformuló la teoría de Newton unificando lo que Newton no consiguió. Previamente había ampliado la invarianza hallada por Galileo a las leyes del electromagnetismo.

“Cualquier principio de simetría -anota Weinberg- es a la vez un principio de simplicidad”. Estos principios han cobrado nueva importancia en la física de este siglo, especialmente en las últimas décadas. La simetría de las leyes de la naturaleza es incluso más importante en la mecánica cuántica que en la física clásica, lo que lleva a Weinberg a afirmar que “la materia pierde además su papel central en física: lo que queda son principios de simetría”.

Hay principios de simetría que dictan la existencia de todas las fuerzas conocidas de la naturaleza. Por ejemplo, la simetría entre diferentes sistemas de referencia -digamos entre un sistema estacionario y otro en rotación- requiere la existencia de la gravitación. Gran parte de la física es consecuencia directa de ellos. Pero, desgraciadamente, “el modelo standard incluye muchos aspectos que no están dictados por los principios fundamentales (como nos gustaría), sino que simplemente tienen que ser tomados de los experimentos: un menú de partículas, un conjunto de constantes como cocientes de masas, e incluso las propias simetrías”.

El final está lejos

Aunque no será fácil elaborar una teoría última, los físicos a veces subestiman la distancia que todavía hay que recorrer hasta alcanzarla. “La teoría final puede estar a siglos de distancia y puede resultar totalmente diferente a cualquier cosa que ahora podamos imaginar”. La única parte de la física actual que parece probable que sobreviva sin cambios en una teoría final es la mecánica cuántica. Esto no es sólo porque la mecánica cuántica está en la base de toda nuestra comprensión de la materia y las fuerzas, y ha superado unas pruebas experimentales extraordinariamente selectivas; “más importante es el hecho de que nadie ha sido capaz de pensar en ninguna forma de cambiar la mecánica cuántica de modo que preserve sus logros sin conducir a absurdos lógicos”.

Aunque la mecánica cuántica proporciona el escenario en el que se representan todos los fenómenos naturales, en sí mismo es un escenario vacío: la historia de la física de este siglo muestra que son los principios de simetría los que dictan los personajes del drama que observamos en el escenario cuántico. Basándose en esta experiencia, se supone que la teoría final descansará sobre principios de simetría.

La mente de Dios

Entre los científicos, sólo los físicos parecen capaces de usar con frecuencia la palabra “Dios” sin rubor. Sean de una u otra religión, o de ninguna, para muchos -como Stephen Hawking- es una metáfora irresistible hablar de las leyes finales de la naturaleza comparándolas con la mente de Dios. Esto se debe, anota Weinberg, a que “conociendo estas leyes tendríamos en nuestro poder el libro de las reglas que gobiernan todo”.

Pero Weinberg puntualiza que los científicos a veces usan la palabra “Dios” para significar algo tan abstracto e inasible que es difícil distinguirlo de las leyes de la naturaleza. Y sugiere que esta palabra debería utilizarse para significar un Dios personal, creador y legislador, que ha establecido no sólo las leyes de la naturaleza y el universo, sino también la medida del bien y el mal; una persona que está pendiente de nuestras acciones; alguien, en suma, a quien podemos adorar. No duda en plantear claramente la cuestión clave: “Es difícil no preguntarse si encontraremos alguna respuesta a nuestras preguntas más profundas, o algún signo de las obras de un Dios personal, en esa teoría final. Pienso que no lo encontraremos”.

De hecho, la experiencia histórica muestra que la ciencia ha ido en la dirección opuesta, hacia una fría impersonalidad de las leyes de la naturaleza. Hace mucho los físicos renunciaron deliberadamente a tratar de fines e intenciones. Esto permitió a los científicos del siglo XVII centrar su atención en aspectos parciales de la realidad física, como el movimiento o las fuerzas. Reduciendo el campo de acción a lo que tengan de matemático esos conceptos se aumentó la potencia de la ciencia, hasta alcanzar límites entonces insospechados. Pero no será la física, que dejó de lado los aspectos no cuantitativos de la realidad, la que nos enseñará algo nuevo sobre Dios. Ni siquiera lo hará una teoría final, que al fin y al cabo no sería sino física, eso sí, de gran perfección y belleza.

El universo y su sentido

En su libro de 1977, Los tres primeros minutos del universo, Weinberg fue un poco precipitado al afirmar: “Cuanto más comprensible parece el universo, más parece no tener sentido”. Como ha explicado más tarde, no quería decir que la ciencia nos enseña que el universo es sin sentido, sino más bien que el universo por sí mismo no sugiere ningún sentido. A pesar de sus intentos de matización, la frase ha sido citada con frecuencia. Recientemente se ha publicado un libro de entrevistas a veintisiete cosmólogos y físicos, donde se les pregunta por esta frase. Sus respuestas fueron variadas, y no faltó quien indicó que era una frase llena de nostalgia.

El propio Weinberg aceptó esta sugerencia con humor y replicó que era una frase “nostálgica de un mundo en el que los cielos declaraban la gloria de Dios”. Reconoció que “sería maravilloso encontrar en las leyes de la naturaleza un plan preparado por un creador ocupado en que los seres humanos jueguen algún papel esencial”. Pero, personalmente, no acepta que un Dios rija los destinos del universo. Se rebela contra la realidad del sufrimiento en un mundo que se supone está gobernado por un Dios bueno: “El Dios de los pájaros y de los árboles tendría que ser también el Dios de los pájaros defectuosos y del cáncer”.

Ciertamente, el problema del sufrimiento -también para un científico- ocupa un lugar central: es el que no permite ver a Dios o, por el contrario, lleva a unirse a Él. Frente al sufrimiento, la ciencia no tiene respuesta: hay mucho más que aprender sobre el dolor humano en la literatura universal que en todos los manuales de medicina, biología o física. Y tan sólo una visión abierta a la transcendencia es capaz de enmarcar el sufrimiento en su lugar.

Algunos científicos dicen que la contemplación de la naturaleza les ofrece toda la satisfacción espiritual que otros han encontrado tradicionalmente en la creencia en un Dios personal. Algunos de ellos pueden en realidad sentir eso. Weinberg no. Considera que el pensamiento religioso está marcado con el signo de la ilusión, pero no piensa que la ciencia vaya a proporcionar nunca los consuelos que ha ofrecido la religión al encarar la muerte. Weinberg insiste en el supuesto carácter ilusorio de la religión: “Al ver a los científicos cambiar de opinión una y otra vez sobre los asuntos que pueden ser estudiados directamente en laboratorios experimentales, ¿cómo se puede tomar en serio la pretensión de la tradición religiosa o de las escrituras sagradas de tener un conocimiento cierto sobre materias que trascienden la experiencia humana?”

Sin duda, la experiencia humana es más rica que los resultados cuantitativos que se obtienen en un laboratorio. La ciencia es una tarea relativamente nueva -de apenas unos siglos-, mientras que la experiencia humana es anterior, tan antigua como el hombre: y comprende las artes, la literatura, las tradiciones… y también la religión. Toda esa experiencia no ha dejado de existir porque la ciencia haya irrumpido con fuerza en la historia. Por supuesto, la experiencia religiosa no es cuantificable, pero sí cuantiosa: no son pocos los científicos que tienen fe en ese Dios personal que parece no querer manifestarse a través de la ciencia experimental.

¿Teoría final o búsqueda sin término?

La idea de una explicación última, proclamada con énfasis por algunos físicos teóricos, ha sido puesta en duda por influyentes intelectuales, tanto científicos como filósofos. Karl Popper rechaza el concepto de explicación última. Sostiene que “toda explicación puede ser explicada en último término por una teoría o conjetura de un grado más alto de universalidad. No puede haber una explicación que no esté necesitada de una explicación posterior”. La ciencia sería, así, una búsqueda sin término.

También uno de los grandes nombres de la física cuántica, el Premio Nobel Eugene Wigner, ha avisado a los científicos: “No tenemos derecho a esperar que nuestra mente pueda formular conceptos perfectos para la total comprensión de los fenómenos de la naturaleza inanimada”; aunque a veces nos lleve a pensar lo contrario la fascinante efectividad de las matemáticas.

Recientemente, el científico y divulgador británico John D. Barrow ha estudiado en detalle la tesis de algunos filósofos de la ciencia que se basan en los teoremas de Gödel para negar la posibilidad de una teoría final. Gödel demostró que la aritmética -y, por tanto, cualquier sistema lógico que contenga la aritmética- es incompleta. Por tanto, argumentan esos pensadores, nunca podremos conocer todo acerca del universo físico en términos de leyes matemáticas, debido a que no podemos producir todos los enunciados verdaderos, y sólo los verdaderos, de la aritmética, ni podemos decidir si todos esos enunciados son verdaderos o falsos. Al final de su libro, Barrow expresa claramente la rendición de la lógica ante las garras de los teoremas de Gödel, en su aplicación a las teorías físicas: “Ninguna consideración no poética de la realidad puede ser completa (…). No existe una fórmula que pueda ofrecer toda la verdad, toda la armonía, toda la simplicidad. Ninguna ‘teoría final’ podrá nunca brindarnos una comprensión completa”.

La sombra de Gödel es alargada, y alcanza a las raíces de la física. Weinberg, conocedor de todos estos obstáculos, propone sin embargo su propia conjetura: “Hay una teoría final, y somos capaces de descubrirla”.

Juan José Pérez Camacho _________________________(1) Steven Weinberg. Dreams of a Final Theory. Hutchinson Radius. Londres (1993). 260 págs.

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