Prólogo

Un científico encuentra muchos motivos para escribir un libro de divulgación científica, aunque también hay muchas razones para no hacerlo. Desde luego, lo primordial en toda actividad científica es y será siempre la investigación: con ella se forja una carrera profesional y se ganan premios. Todo lo demás hace perder un tiempo precioso, al menos tal como lo ven algunos colegas que se ven obligados a sopesar ventajas e inconvenientes a la hora de tomar una decisión importante.

Pero ¿para qué sirven todos los avances científicos si uno no puede transmitirlos? ¿Realmente comprendemos el universo cuando no somos capaces de explicárselo a alguien que no haya estudiado previamente una carrera de varios años? Con demasiada frecuencia resulta que el aprendizaje de una materia compleja queda limitado a la aceptación de unos conceptos fundamentales y a entrenarse para manejar unos métodos de cálculo. La auténtica prueba para saber si hemos comprendido todo surge cuando hemos de explicar nuestros conocimientos a cualquier lego de mentalidad abierta. Por ejemplo, la mecánica cuántica, a pesar de todo su éxito y sus múltiples aplicaciones tecnológicas, es difícil de entender, cosa que se podrá comprobar en el capítulo 3 de este libro. Para un científico escribir un libro de divulgación científica es, pues, un buen ejercicio, además de resultar extremadamente importante para la propia investigación.

Además, un libro de divulgación científica es el medio idóneo para mostrar la unidad de la ciencia, la literatura y las artes plásticas. En todos estos ámbitos la persona se hace una imagen del mundo e intenta transmitirla. Por supuesto, esta unidad no existe realmente; es solo un ideal. Sin embargo, un libro que pretenda ser comprensible para todo el mundo tiene también derecho a intentar forjar esa síntesis ideal. Por consiguiente, quiero expresar mi agradecimiento a todos los autores citados en este libro que me han ayudado a configurar dicha unidad. En el contexto de las artes plásticas, merece una mención especial Gianni Caravaggio por las obras de arte aquí reproducidas, que ilustran algunas de las ideas que a continuación se exponen. También debo dar las gracias a Rüdiger Vaas, que, a lo largo de los últimos años y a través de muchas discusiones, ha contribuido notablemente a aumentar mis conocimientos y mi capacidad para transmitirlos. Fue uno de los primeros que se interesaron por los resultados de mis investigaciones y consideraron que valía la pena difundirlos ampliamente. Es imposible mencionar aquí a todos los que me han animado, aunque haya sido solo mediante un breve correo electrónico, a descender de la torre de marfil de la ciencia. No obstante, quisiera nombrar en especial a Hartmut Schneeweiss, de la Astronomische Vereinigung Weikersheim.

Este libro no existiría sin la iniciativa de Jörg Bongs, de la editorial S. Fischer, y el posterior apoyo de Alexander Roesler durante la redacción del texto. También quiero expresar mi agradecimiento al Departamento de Física de la Universidad del Estado de Pensilvania, que se afana en proporcionar a sus miembros un ambiente extraordinariamente agradable y estimulante. Además, sin ser consciente de ello, me ha ayudado en la redacción del libro mediante la oferta de un semestre sabático, aunque la noble institución no sabía nada de mis planes al respecto.

Agradezco a Elisabeth y Stefan Bojowald la lectura crítica de una versión previa de este libro, así como algunas sugerencias, por ejemplo las relativas a las imágenes cíclicas que ofrece la egiptología. Para la elaboración de algunos pasajes ha sido de gran ayuda la calma que encontré en un acogedor lugar junto al Eifel.

State College, Pensilvania,

abril de 2008

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Introducción

Durante el último siglo ha avanzado mucho la investigación en el campo de la física y ha desarrollado un imponente andamiaje teórico: la teoría cuántica y la teoría de la relatividad general. Este avance ha permitido comprender la naturaleza tanto a gran escala como en pequeñas dimensiones, desde la totalidad del universo mediante la cosmología, hasta las moléculas, los átomos e incluso las partículas elementales con ayuda de la teoría cuántica. Uniéndolo todo, se obtiene, para fenómenos muy diversos, una descripción precisa y una comprensión profunda que han sido verificadas de manera espectacular mediante observaciones. En los últimos años se ha conseguido esto ante todo en la cosmología del universo primitivo.

Además de su importancia tecnológica, en casi todos los ámbitos de la vida cotidiana la indiscutible marca de calidad de este progreso científico se hace patente por el hecho de que, desde hace algún tiempo, ciertos aspectos de la investigación chocan con los planteamientos tradicionales de la filosofía. (Como sostiene el físico y filósofo Abner Shimony, se puede hablar aquí de «metafísica experimental» con toda justicia, admitiendo también una deliberada contradicción interna.) Desde Aristóteles, el objetivo de la construcción teórica es el examen de los hechos en general y la comprensión de sus causas, en vez de conformarse con una mera recopilación de conocimientos individuales. En cambio, la filosofía se pregunta por los fundamentos o principios más profundos de la realidad existente. En este sentido, la fusión de algunos planteamientos físicos con otros de índole filosófica se ha de entender como el rasgo característico del progreso científico. Cuando la física se abre paso entre estos interrogantes, consigue situarse en una posición desde la cual pueden abordarse discusiones relativas a intereses muy generales y de largo alcance. Por lo que respecta a la combinación de cosmología y física cuántica, la cuestión más importante es la relativa al origen y las primeras etapas del universo, algo que ha intrigado a la humanidad desde los inicios de la filosofía e incluso con anterioridad.

Otro ejemplo, tanto en la teoría cuántica como en la teoría de la relatividad general, es el papel de los observadores en el universo y la cuestión relativa a qué es lo que puede observarse y lo que no es posible observar. La aplicación de los métodos de la física en la cosmología implica la obtención de modelos del universo empíricamente comprobables. El modelo del big bang se basa tanto en la teoría de la relatividad general para la descripción del espacio, el tiempo y la fuerza de la gravitación, como en la teoría cuántica, que sirve para conocer las propiedades de la materia en el universo primitivo. En conjunto se obtiene una explicación asombrosa de la aparición sucesiva de los núcleos atómicos, de los átomos y de la materia que va configurando formas cada vez más complejas hasta llegar a las galaxias a partir de una fase inicial extremadamente caliente.

Sin embargo, es precisamente en este punto cuando también se ponen de manifiesto los límites del modelo del universo así establecido. A pesar de todos los éxitos obtenidos, la teoría de la relatividad general, junto con la teoría cuántica, tal como se utiliza actualmente, no consigue dar una descripción completa del universo. Si resolvemos las ecuaciones matemáticas de la teoría de la relatividad general para obtener un modelo de la evolución temporal del universo, se obtiene siempre un punto en el tiempo, la llamada «singularidad del big bang», en el que la temperatura del universo era infinitamente elevada. No decimos nada nuevo si afirmamos que el universo en la fase del big bang estaba muy caliente; hay que tener en cuenta que el universo en expansión de aquellos tiempos era mucho más pequeño y estaba mucho más comprimido que ahora, lo cual suponía un enorme aumento de la temperatura. Pero hablar de infinito como resultado de una teoría física significa sencillamente que se está abusando de dicha teoría. En ese punto, sus ecuaciones pierden todo su sentido. En el caso del modelo del big bang no debe confundirse esto con una predicción del comienzo del universo, aunque a menudo se representa así. Un momento en el que una ecuación matemática da como resultado «infinito» no es el principio (o el final) de los tiempos. Es simplemente un momento en el que la teoría muestra sus limitaciones. A pesar de todos los éxitos obtenidos en otros campos, es necesario ampliar esta teoría, que se ha desarrollado a partir de la teoría de la relatividad general en combinación con la teoría cuántica.

El problema tiene su raíz en el hecho de que la revolución que tuvo lugar en la investigación física del siglo pasado sigue siendo incompleta. La teoría cuántica se utiliza para explicar la materia en el universo, pero no se ha aplicado a la fuerza de la gravitación, ni siquiera a la cuestión del espacio y el tiempo. Esta última es el dominio de la teoría de la relatividad general, que sin embargo es en gran medida independiente de la teoría cuántica. Una combinación adecuada de la teoría cuántica y la teoría de la relatividad general que incluyera las cuestiones relativas al espacio y el tiempo ampliaría de manera considerable la teoría que actualmente se conoce. Esta combinación, la gravitación cuántica, es importante sobre todo para explicar la fase caliente del big bang en el universo, y es de esperar que podrá aclarar lo que sucedió en ese momento de resultado infinito, en la llamada singularidad del big bang. ¿Fue ese el instante inicial del universo y el tiempo, o hubo algo con anterioridad? Y, si hubo algo antes del big bang, ¿qué pudo ser?

Por desgracia, la gravitación cuántica resulta extraordinariamente complicada. En sí mismas la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica se caracterizan por un enorme despliegue matemático como nunca se había conocido en teorías físicas anteriores. Además, los métodos matemáticos que se utilizan en estos dominios son muy diferentes entre sí. Una combinación de teorías físicas exige también una unificación de los objetos matemáticos que las sustentan, lo cual aumenta el grado de dificultad del proceso. Por esto, a pesar de las muchas décadas de investigación y de los grandes esfuerzos de numerosos científicos, no disponemos todavía de una formulación completa para la gravitación cuántica. Sin embargo, lo que sí hemos visto sobre todo en los últimos años es una gran cantidad de prometedores indicios relativos a sus propiedades, que ya pueden ser analizadas. Tal como suele suceder en la investigación, la situación se parece a la de los momentos iniciales en la configuración de un puzzle, cuando quizá se pueda intuir en parte la imagen final, pero también se podría estar emprendiendo un camino falso. Por ahora, la imagen de que disponemos nos da un indicio de lo que se podría conseguir completando la teoría física: nos permite ver lo que pudo suceder durante el big bang, e incluso antes. Nos hacemos una idea de cómo pudieron ser los instantes más remotos de la existencia de nuestro universo, y por primera vez podemos analizar el modo en que surgió.

En este libro se hablará tanto de los resultados más recientes de la teoría como de las observaciones planificadas para un futuro cercano en el ámbito del universo, y se mostrará lo radical que podrá ser el cambio que produzcan en nuestra concepción del mismo. En particular, con la gravitación cuántica de bucles, una de las variantes que se manejan actualmente como combinación de la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica, se ha conseguido establecer los elementos básicos para una descripción del big bang sin singularidades. En este marco el universo existía ya antes del big bang, y es posible valorar aproximadamente en qué medida sus características de entonces se diferencian de las actuales. A través de la influencia sobre fases posteriores de la expansión cósmica que unas observaciones sensibles ponen de manifiesto, se puede investigar la historia inicial del universo. A continuación se expondrá esta historia a partir de los resultados más recientes de la investigación, y seguiremos con los agujeros negros, que producen, asimismo, unos efectos fascinantes. Los capítulos finales tocan el planteamiento de cuestiones que van más allá, que se refieren a una comprensión general del universo, y entre las cuales se situarían la cosmogonía, el misterio del tiempo y su dirección, así como el Grial de la «fórmula universal». Al igual que la imagen científica del universo, también la senda humana hacia el conocimiento se verá ilustrada mediante ejemplos extraídos de la investigación moderna. En esta parte del libro se ofrecerán algunas ideas formuladas desde un punto de vista personal.

Aunque la teoría utiliza unas matemáticas de alto nivel, muchas ecuaciones pueden comprenderse de una forma intuitiva. La intuición no solo es útil a la hora de investigar en un campo desconocido, sino que permite también una explicación divulgativa. Esto es lo que pretende conseguir este libro, renunciando al formalismo matemático (salvo en la ilustración del apartado «La utilidad de las matemáticas», en el capítulo 5) y siguiendo fielmente la máxima de Nietzsche que se cita al principio de la introducción. Aunque para descubrir y examinar estos hechos es imposible renunciar a las matemáticas, se puede llegar a una clara comprensión de los mismos sin tanta profusión de fórmulas. Desde luego, no siempre se llegará a comprender por qué las cosas son así, y no de otra manera, pero con un poco de confianza en el guía turístico será posible reconocer algunas de estas relaciones.

No obstante, es necesario formular una advertencia: muchos dominios de la investigación de la gravitación cuántica han de ser considerados todavía como especulativos. A diferencia de lo sucedido durante la primera mitad del siglo pasado, cuando se desarrollaron la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica, no existen (todavía) unas observaciones que puedan valer como pauta para la reformulación teórica de la gravitación cuántica. Lo que actualmente impulsa la investigación son ponderaciones conceptuales del estado incompleto que presenta la teoría de la relatividad general, así como los requisitos de coherencia matemática en la formulación de ecuaciones. Por ejemplo, no está en absoluto garantizado que la combinación de determinados métodos matemáticos, como los utilizados en la teoría de la relatividad general y en la física cuántica, conduzca a unas soluciones que permitan una descripción fiable del universo. De hecho, los métodos matemáticos son tan restrictivos que la formulación de una teoría con soluciones que tuvieran sentido constituiría un éxito extraordinario. La posibilidad de que hubiera otras teorías con esta característica es otra cuestión que hasta ahora no se ha investigado plenamente. Esto revela la fragilidad de los fundamentos en los que se apoya hoy día la gravitación cuántica. Sin embargo reina el optimismo, ya que hay muchos indicios independientes, como los que se presentan en este libro, que apuntan en la misma dirección. Por otra parte, y es lo más importante, para un futuro próximo se espera la realización de unas observaciones cosmológicas que podrían poner de manifiesto los fenómenos que predice la gravitación cuántica. Tales observaciones, que también se describen en este libro, convertirían la gravitación cuántica definitivamente en una teoría comprobada de forma empírica.

El estado en que se encuentra la gravitación cuántica es todavía equivalente a la primera etapa de explotación de un nuevo territorio. El papel del pionero lo desempeñan aquí las matemáticas, que abren nuevos dominios más allá de las fronteras establecidas. En nuestro caso las fronteras son las del universo y el tiempo. Las matemáticas sirven también para la exploración

FIGURA 1: La piedra filosofal se derrite: un conocimiento que se da por seguro puede necesitar rectificaciones si se examina con más detenimiento. El análisis de los resultados o de las promesas de la ciencia debe tener en cuenta siempre los límites de esta. A menudo esos límites son incluso más importantes que los resultados ya obtenidos, porque indican el camino que llevará a nuevos descubrimientos. (Escultura de Gianni Caravaggio: Spreco di energia assoluta [Despilfarro total de energía], 2006, mármol negro marquina, mármol cepillado, crema, lente negra, 50 × 70 × 80 cm. Fotografía de Roberto Marossi.)

de ese territorio recién conquistado, pero la observación es el único procedimiento para asegurarlo definitivamente en el marco de una ciencia empírica como la física. Esto es lo que por ahora le falta a la gravitación cuántica, que por esta razón es todavía como un territorio lleno de peligros. En él es demasiado fácil extraviarse o hundirse en la ciénaga de la especulación.

Un terreno como este exige un profundo respeto a la naturaleza, pero no siempre se satisface esta exigencia. Aunque el lenguaje de los físicos al referirse a la naturaleza suele sonar muy preciso (a veces incluso pedante), en general se cumple lo que decía Rudolf Carnap: «[Una ley natural] puede ser verdadera, pero también falsa. Cuando no es verdadera, la culpa la tiene el físico, no la naturaleza».¹ El físico formula leyes de la naturaleza, pero, si estas no se cumplen, la responsabilidad es de él. Nadie es vasallo del físico, ni siquiera la naturaleza. Esto es especialmente válido en el caso de ciertos bosquejos teóricos, como la gravitación cuántica. Mientras tanto, hasta que las observaciones muestren que la naturaleza siente al menos algún respeto por las leyes que aquí se proponen y detallan, la intuición sirve de guía para el viajero que se adentra en un territorio desconocido y emprende la aventura de viajar a la época anterior al big bang.