Historias de la Ciencia

La Física es como el sexo: seguro tiene una utilidad práctica, pero no es por eso por lo que la hacemos.

Esta frase es del inimitable Richard Feynman. No obstante, casi siempre acabamos hablando de fines prácticos para justificar que investigamos en ciencia. Y no es realmente así, aunque muchas veces queramos creerlo. En su libro La guerra de los agujeros negros, Leonard Susskind nos plantea una discusión entre científicos. Por un lado, Stephen Hawking afirma que cuando algo cae en un agujero negro, cualquier información que entra allá se pierde. Ni aun cuando se evapore dicho agujero negro se recuperará nada. Pero el autor, junto a Gerard ‘t Hooft, sostiene que no, que eso no es así. Sería el único objeto en el que algo así sucede. Y entonces hace una reflexión. La pregunta, ahora, no es si realmente se pierde información o no en el agujero negro y si se recupera en la radiación Hawking, sino qué importancia puede tener. Los párrafos que leeréis a continuación son extractos sacados del libro, convenientemente modificados.

Nadie va a utilizar nunca la radiación Hawking para curar el cáncer o para hacer una máquina de vapor más eficiente. Los agujeros negros nunca serán útiles para almacenar información ni para engullir misiles enemigos. Peor aún, a diferencia de la física de partículas elementales o de la astronomía intergaláctica —dos disciplinas que quizá tampoco tengan aplicaciones prácticas— la teoría cuántica de la evaporación de un agujero negro probablemente no llevará nunca a observaciones directas o experimentos. ¿Por qué, entonces, alguien va a perder su tiempo con ella?

En cierto sentido, la respuesta es muy egoísta: lo hacemos para satisfacer nuestra curiosidad sobre cómo funciona el Universo y cómo encajan las leyes de la física. Lo cierto es que buena parte de la física sigue este patrón. A veces, cuestiones prácticas han llevado a desarrollos científicos. Por poner un ejemplo, Sadi Carnot, el ingeniero del vapor, revolucionó la física mientras trataba de construir una máquina de vapor mejor. Pero más a menudo ha sido la pura curiosidad la que ha llevado a los grandes cambios de paradigma en física. La curiosidad es como un picor; pide que se rasque. Y para un físico, nada pica más que una paradoja, una incompatibilidad entre varias cosas que uno cree que conoce. No saber cómo funciona algo es bastante malo, pero encontrar contradicciones entre cosas que usted creía saber es insoportable, particularmente cuando está implicado un choque entre principios fundamentales.

Vale la pena recordar algunos de estos choques y cómo llevaron a la física a sus condiciones más trascendentales.

Los antiguos filósofos griegos dejaron un legado paradójico, un choque entre dos teorías incompatibles que gobiernan mundos de fenómenos completamente separados: el mundo celeste y el mundo terrenal. Celeste se refería al mundo de los cuerpos del firmamento, lo que llamamos astronomía. El mundo celeste era un mundo mejor, más limpio, más perfecto: un mundo de precisión mecánica, perfecta y eterna. De hecho, según Aristóteles, todos los cuerpos celestes se movían en una de cincuenta y cinco esferas cristalinas perfectas y concéntricas.

Por el contrario, las leyes de los fenómenos terrestres se consideraban corruptas. Nada se movía de forma simple en la superficie de la Tierra. Un carro pesado se bambolearía y se quedaría parado a menos que un caballo tirara continuamente de él. Los bloques de materia caerían irremediablemente al suelo, y allí se quedarían. Estas leyes básicas gobernaban los cuatro elementos: el fuego asciende, el aire se cierne, el agua cae y la tierra se hunde a la máxima profundidad.

Aparentemente los griegos se sentían a gusto con dos conjuntos de reglas completamente diferentes. Pero Galileo, e incluso en mejor medida Newton, encontraban intolerable esta dicotomía. Galileo se imaginaba lanzando una piedra desde la cima de una montaña, primero con fuerza suficiente para que cayera a pocos metros de sus pies; luego, con más fuerza, de modo que recorriera miles de kilómetros; y luego más fuerte, de modo que recorriera toda la circunferencia de la Tierra. Él comprendió que la piedra daría la vuelta a la Tierra en una órbita circular. Eso creaba una paradoja: ¿cómo podían las leyes de los fenómenos terrestres ser completamente diferentes de las leyes de los fenómenos celestes si una piedra terrestre podía convertirse en una piedra celeste?

Imagen modificada, la original sacada de aquí.

Newton comprendió que la misma ley de la gravedad que hacía caer las manzanas de los árboles también mantenía la Luna en órbita alrededor de la Tierra, y a la Tierra alrededor del Sol. Sus leyes del movimiento y de la gravedad eran las primeras leyes físicas generales con validez universal. ¿Sabía Newton lo útiles que serían para los futuros ingenieros aeroespaciales? Es dudoso que le hubiera preocupado. Lo que le impulsaba era la curiosidad, no las cuestiones prácticas.

El siguiente gran picor que viene a la mente es el que Ludwig Boltzmann se rascaba tan denodadamente. De nuevo, un choque de principios: ¿cómo una ley de un solo sentido, que requiere que la entropía aumente siempre, podía coexistir con leyes reversibles del movimiento de Newton? Si, como creía Laplace, el mundo estaba hecho de partículas que obedecen las leyes de Newton, entonces sería posible hacerlas ir hacia atrás. Finalmente, Boltzmann resolvió el problema, primero reconociendo que la entropía es información microscópica oculta y luego advirtiendo que la entropía no siempre aumenta. De vez en cuando, ocurre un suceso improbable. Usted baraja un mazo de cartas al azar y, por puro azar, queda en perfecto orden numérico, con los oros seguidos de las copas, de las espadas y de los bastos. Pero los sucesos que disminuyen la entropía son rarísimas excepciones. Boltzmann resolvió la paradoja diciendo que la entropía casi siempre aumenta. Hoy, la visión estadística de la entropía de Boltzmann es el fundamento de las ciencias de la información. Pero para él, el enigma de la entropía era sólo un terrible picor que había que rascar.

Es interesante que en los casos de Galileo y Boltzmann los choques no se pusieron de manifiesto gracias a nuevos y sorprendentes descubrimientos científicos. La clave en cada caso fue un correcto experimento mental. Ni el experimento de lanzamiento de la piedra de Galileo ni de la inversión temporal de Boltzmann se llegaron a realizar, bastaba con reflexionar sobre ellos. Pero el gran maestro de los experimentos mentales fue Albert Einstein.

El maestro partía del Principio de Relatividad:

Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia que se mueven con movimiento uniforme (sin aceleración) unos con respecto a otros.

El Principio de Relatividad fue formulado inicialmente unos 250 años antes de que él mismo naciera. Entonces, ¿por qué Einstein es tan famoso? Lo es porque puso de manifiesto el conflicto aparente entre el Principio de Relatividad y otro principio de la física, un principio que podríamos llamar Principio de Maxwell. El mayor descubrimiento de este último fue desvelar el gran misterio de la luz. Lo más importante que demostró es que la luz que se mueve a través del espacio vacío siempre lo hace exactamente a la misma velocidad: 300.000 km/s aproximadamente. Eso es lo que podemos llamar Principio de Maxwell:

La luz que se mueve en el espacio vacío, independientemente de cómo fue creada, lo hace siempre a la misma velocidad.

Pero ahora tenemos un problema: una grave colisión entre dos principios. Mientras otros estaban desconcertados por los datos experimentales, Einstein —maestro del experimento mental— estaba preocupado por un experimento que tuvo lugar dentro de su cabeza. Según sus propias memorias, en 1895, cuando tenía 16 años, pensó la siguiente paradoja. Se imaginó a sí mismo en un vagón de ferrocarril moviéndose a la velocidad de la luz y observando una onda luminosa que se movía a su lado en la misma dirección [y sentido]. ¿No vería el rayo de luz en reposo? Ya a esa temprana edad Einstein sabía lo suficiente de la teoría de Maxwell para darse cuenta de que lo que estaba imaginando era imposible: el Principio de Maxwell afirmaba que la luz se mueve siempre a la misma velocidad. Si las leyes de la Naturaleza son las mismas en todos los sistemas de referencia, entonces el Principio de Maxwell tendría que aplicarse en el tren en movimiento. Ambos principios iban a chocar.

Einstein no fue el primero en preocuparse por el choque entre el Principio de Relatividad y el Principio de Maxwell, pero fue quien vio el problema con mayor claridad. Se rascó ese picor durante una década antes de ver una salida. En 1905 escribió su famoso artículo Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento, en el que postulaba una teoría completamente nueva del espacio y del tiempo: la Teoría Especial de la Relatividad.

Y también la teoría de la Relatividad General, la mayor obra maestra de Einstein, nació a partir de un simple experimento mental sobre un conflicto de principios. Era tan simple que un niño podría haberlo realizado. Todo lo que implicaba era la observación cotidiana de que cuando un tren acelera partiendo del reposo, los pasajeros se sienten empujados contra sus asientos, como si el vagón se hubiera inclinado hacia arriba, de modo que la gravedad los atrajera hacia la parte trasera del mismo. Un malabarista que hiciera juegos con el tren inclinado hacia arriba tendría que hacer los mismos movimientos que si el mismo tren estuviera acelerando en línea horizontal. Entonces, ¿cómo podemos diferenciar un tren que está acelerando de otro que está inclinado? La respuesta es que no podemos.

Einstein captó esa idea: el pasajero no tiene forma de saber si el tren está en marcha o si la gravedad está tirando de él hacia el respaldo de su asiento. De la paradoja y la contradicción nació el principio de equivalencia:

Los efectos de la gravedad y de la aceleración son indistinguibles. El efecto de la gravedad en cualquier sistema físico es exactamente el mismo que el efecto de la aceleración.

Y ese es el picor que tenía Susskind, y concluye:

Una y otra vez vemos la misma pauta. A riesgo de enfatizar el punto, los mayores avances en la física han sido revelados por experimentos mentales que ponían de manifiesto un choque entre principios profundamente arraigados. A este respecto, el presente no es diferente del pasado. ¿Por qué debería importarnos que la información se pierda en la evaporación de un agujero negro? Era obvio —lo había dicho el propio Hawking— que el principio de equivalencia y la mecánica cuántica estaban a punto de colisionar. La paradoja podía destruir toda la estructura, pero reconciliar las dos podría aportar nuevas y profundas intuiciones entre ambas.

Para mí es obvio que tener dos teorías incompatibles en la Naturaleza es intelectualmente intolerable y que la Teoría de la Relatividad General debe hacerse compatible con la Mecánica Cuántica.

Fuente:
Leonard Susskind, La guerra de los agujeros negros.