Por qué es importante ahora
Aunque la física teórica y la astrofísica pueden parecer temas distantes y académicos, son importantes para la gente común porque nos ayudan a entender los fundamentos de la realidad y los procesos naturales que ocurren en el mundo a nuestro alrededor.
Las ideas fundamentales del Universo de Sean Carroll es un libro importante y actual porque nos ayuda a entender el mundo que nos rodea. El libro brinda una comprensión más profunda de los principios básicos del universo y de cómo funciona, lo que nos ayuda a desarrollar una visión más amplia del mundo en el que vivimos.
Estos temas son importantes porque puede encender nuestra curiosidad. Pueden ayudar a despertar el interés de la gente por los misterios del universo y motivarla a aprender más sobre la ciencia moderna.
Principales ideas de ‘Las ideas fundamentales del Universo’
Las ideas fundamentales del Universo ofrece una visión completa y asombrosa del universo, desde las partículas más pequeñas hasta las preguntas más grandes sobre el significado y el propósito. Algunas de sus ideas principales son:
- La unidad del conocimiento: argumenta que las ramas de la ciencia, desde la física cuántica hasta la biología evolutiva, forman parte de un todo coherente y que todos los campos están conectados de alguna forma.
- El determinismo: explora la idea de que el universo es determinista, y que todo lo que sucede está determinado por las leyes de la física.
- El papel de la probabilidad en la física cuántica: analiza cómo la probabilidad se utiliza en la física cuántica para predecir el comportamiento de las partículas y cómo esto tiene implicaciones para nuestra comprensión de la realidad.
- El libre albedrío: examina el papel del libre albedrío en un universo determinista, y cómo la ciencia puede ayudar a resolver este problema filosófico.
- La evolución: explica cómo la evolución y la selección natural han moldeado la vida en la Tierra y cómo estos procesos pueden aplicarse a otros aspectos del universo.
Puntos de vista novedosos:
Sean Carroll hace varias sugerencias y presenta puntos de vista novedosos en su libro. Aquí hay algunos ejemplos:
- Probabilidad en la física cuántica: sugiere que la probabilidad en la física cuántica puede ser entendida como una característica inherente del mundo, y no simplemente como una herramienta matemática para hacer predicciones.
- Determinismo y libre albedrío: argumenta que, aunque el universo puede ser determinista, es posible que exista un espacio para el libre albedrío, y que la determinación no significa que no tenemos control sobre nuestras decisiones.
¿Qué teorías y creencias existentes contradice?
Sean Carroll presenta un conjunto de ideas e hipótesis en Las ideas fundamentales del Universo que pueden contradecir o no ser compatibles con otras teorías y creencias existentes. Aquí hay algunos ejemplos:
- Determinismo: El concepto de un universo determinista puede contradecir la idea de que tenemos libre albedrío y control sobre nuestras decisiones. Sean Carroll cree en un tipo de determinismo llamado «determinismo compuesto». Esta teoría sostiene que, aunque cada evento individual en el universo puede ser predecido por las leyes de la física, los resultados globales pueden ser impredecibles debido a la complejidad de las interacciones entre las partes individuales. Esta idea de «determinismo compuesto» puede tener implicaciones importantes para nuestra comprensión del mundo y nuestras decisiones diarias. Por ejemplo, puede ayudarnos a ser más conscientes de la complejidad de los procesos que nos rodean y de las consecuencias imprevistas de nuestras acciones.
- Eternidad del universo: Carroll cree que el universo puede ser eterno en el sentido de que pudo existir desde siempre y que puede seguir existiendo para siempre. Esta idea se conoce como «eternidad del estado actual del universo». Si esta idea resultara ser cierta, tendría implicaciones profundas para nuestra visión del universo y de nuestro lugar en él. Por ejemplo, podría implicar que el universo tiene un pasado ilimitado y un futuro infinito, y que nuestros actos y decisiones tienen un significado más profundo que si el universo tuviera un inicio o un fin. Además, esta idea puede cambiar la forma en que pensamos sobre el tiempo y la temporalidad.
- La teoría de la causa efecto: Carroll sostiene que la noción clásica de causalidad, según la cual cada evento tiene una causa que lo precede, puede no ser válida en el contexto de la física cuántica. Esto se debe a que en el mundo cuántico las partículas pueden comportarse de forma aleatoria y no determinada, lo que hace que la relación causa-efecto sea más complicada de lo que se pensaba originalmente. Esta idea puede tener implicaciones importantes para nuestra comprensión del mundo y del futuro. Por ejemplo, puede hacernos cuestionar la idea de que podemos predecir con certeza el resultado de cada acción o decisión, y nos puede ayudar a ser más abiertos a la posibilidad de que el futuro puede ser impredecible y lleno de sorpresas.
Libros complementarios:
- Historia del tiempo: Del big bang a los agujeros negros de Stephen Hawking: Este libro clásico de ciencia popular explora los orígenes del universo y la evolución del cosmos. Ambos libros ofrecen una visión completa y asombrosa del universo, pero tienen algunas diferencias significativas en su enfoque. Historia del tiempo de Hawking se centra en la cosmología y la física del universo, mientras que «Las ideas fundamentales del Universo» de Carroll abarca una mayor variedad de temas, como la física cuántica, la evolución y la teoría del conocimiento. Enfoque: Historia del tiempo es un libro de ciencia popular, mientras que «Las ideas fundamentales del Universo» es una obra más filosófica y metafísica.
- El universo elegante: Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de una teoría final de Brian Greene: Este libro ofrece una introducción accesible a las teorías de la física cuántica y cómo aplican a nuestra comprensión del universo. Los libros de Carroll y Greene son ambos obras de ciencia popular que ofrecen una explicación accesible de complejos conceptos científicos. Sin embargo, tienen algunas diferencias significativas de enfoque. El universo elegante se centra específicamente en la física cuántica y sus implicaciones para la comprensión del universo, mientras que «Las ideas fundamentales del Universo» cubre una gama más amplia de temas, como la física cuántica, la evolución y la filosofía de la ciencia. También difieren en el nivel de detalle: El universo elegante ofrece una visión más técnica y detallada de la física cuántica, mientras que «Las ideas fundamentales del Universo» es más accesible para un lector no especialista.
El concepto de Espacio según Carroll
Probablemente conozcas el concepto de espacio. Es esa “cosa” donde todo sucede. Dónde se ubican los “objetos”. Pero ¿alguna vez has pensado realmente en qué es realmente el espacio? Para empezar a desentrañar el concepto, podría ser útil retroceder el reloj unos 300 años.
A principios del siglo XVIII había dos escuelas de pensamiento. Uno postuló que el espacio era una sustancia y tenía existencia propia: era el “contenedor” de todo lo demás. El otro consideraba que el espacio no era nada en absoluto. Hubo mucha discusión en ese momento, especialmente en una serie de cartas entre Samuel Clarke en Inglaterra –quien coincidía con Isaac Newton en que el espacio era en realidad una sustancia– y el alemán Gottfried Wilhelm Leibniz, un adversario de Newton que creía que el espacio era relacional. La muerte de Leibniz puso fin abruptamente al intercambio en 1716, pero para entonces ya habían hablado de todo, desde el espacio hasta el libre albedrío y Dios.
La mayoría de los físicos actuales están de acuerdo con Newton: el espacio es, en efecto, una “cosa”. ¿Por qué creen eso? Bueno, primero, el espacio no está vacío. Hay campos de un tipo u otro (la gravedad, por ejemplo) que operan en su interior. Y segundo, el espacio (como parte del espacio-tiempo) puede cambiar por sí solo.
Por el momento, todavía no se comprende del todo el panorama. Sin embargo, sabemos algunos conceptos básicos. Tomemos como ejemplo la dimensionalidad del espacio. Toma un par de lápices y átalos en ángulo recto. Luego, toma un tercero y átalo en la misma intersección para que forme ángulo recto con los otros dos. Ahora toma un cuarto y átalo en la misma intersección en ángulo recto con los otros tres. ¡Así es! No es posible. Acabas de demostrar eficazmente que el espacio es tridimensional.
En ocasiones, los físicos tratan algunas cosas como si tuvieran una sola dimensión: una corriente de electrones que se mueve rápidamente a lo largo de un cable largo, por ejemplo. O tener dos: una película delgada o la superficie de un objeto tridimensional. Pero aunque pueden modelar sistemas como si tuvieran sólo una o dos dimensiones, en realidad tienen las tres. Y cuando se trata de teoría de cuerdas o de otros modelos, los físicos imaginan incluso más que tres dimensiones…
Sin embargo, tener un espacio tridimensional nos proporciona una clara explicación de por qué la fuerza gravitacional entre dos objetos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Imagina líneas que irradian desde el centro del sol; representan líneas de fuerza gravitacional. Ahora imagina otra esfera más grande con el sol en el centro. Todas las líneas que irradian el sol pasan por esta esfera. Finalmente, imagina otra esfera aún más grande aún más lejos. Todas las líneas también pasan por el radio de esta megaesfera. Pero debido a su tamaño, pasan menos líneas por un área determinada en comparación con la primera. El área de una esfera es proporcional a su radio al cuadrado. Entonces se deduce que la fuerza gravitacional es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre dos objetos.
Dirijamos nuestra atención a la próxima gran idea del universo: el tiempo.
El concepto de Tiempo según Carroll
Consideremos dos preguntas por un momento. Primero, «¿Podemos reunirnos a las 9:00 p.m.?» En segundo lugar, «¿Quieres ver esta película de 120 minutos de duración?» Ambos utilizan el concepto de tiempo y sabemos exactamente lo que la persona que pregunta quiere decir en términos de tiempo.
Pero llevemos esto un paso más allá y miremos el tiempo en términos del universo. Aquí podemos considerar que el tiempo es una forma conveniente de etiquetar los ligeros cambios que ocurren de un momento a otro. Algo “sucede” y hay una transformación que se produce con el tiempo. Sin tiempo no podría haber transformación. Ninguna evolución de un momento a otro. Ningún cambio.
El tiempo también nos ayuda a ubicarnos en el futuro, como reunirnos a las 9:00 p. m., nuestro cuándo . El espacio nos permite especificar nuestro lugar : el café a la vuelta de la esquina del trabajo. Si no especificamos uno u otro, entonces la información no sirve de mucho. Agrupar el tiempo y el espacio nos da el concepto de espacio-tiempo , que exploraremos en la siguiente sección. Pero antes de eso, analicemos algunas propiedades más del tiempo.
El tiempo, como el espacio, se puede medir. Medimos el tiempo usando un reloj, ¿verdad? Si queremos hacer esto con precisión, necesitamos utilizar un instrumento que cambie de manera confiable y de una manera que pueda compararse con otros relojes. Afortunadamente, hay muchos “relojes” en el universo: sistemas que tienen un movimiento regular y predecible en comparación entre sí. La rotación de la Tierra alrededor del Sol es un buen ejemplo: en un año, la Tierra gira sobre su eje poco más de 366 veces.
Pero hay una gran diferencia entre el tiempo y el espacio. Nos guste o no, viajamos en el tiempo. Con el espacio, no siempre nos movemos (pensemos en los confinamientos por la COVID-19), pero incluso cuando lo hacemos, el tiempo sigue fluyendo. Y el tiempo fluye desde el pasado hacia el futuro; cada momento depende del anterior. Cuando miramos el tiempo desde el presente, sentimos que el pasado ya pasó, mientras que el futuro aún está por llegar. El pasado ha quedado registrado, pero sólo podemos predecir el futuro. Esta dirección del tiempo se conoce a menudo como la flecha del tiempo.
Comparemos el tiempo con el espacio una vez más. Probablemente recuerdes de la última sección que había dos puntos de vista sobre el espacio: uno decía que era una sustancia en sí mismo y el otro decía que era una forma conveniente de describir la ubicación de los objetos entre sí. Pero nadie cuestionaba si los lugares en el espacio eran reales o no. En cuanto al tiempo, ese no es el caso.
Primero, tenemos el concepto de presentismo: la visión de que sólo el momento presente en el tiempo es realmente real. Los momentos del pasado ya pasaron y los del futuro aún están por llegar, por lo que no son reales.
El eternalismo, por otra parte, sugiere que todos los momentos en el tiempo son igualmente reales. Esta forma de ver el universo también se conoce como visión del universo en bloques porque considera que el mundo real es un bloque de espacio-tiempo en cuatro dimensiones.
Y hay una tercera visión: el posibilismo, que a veces se llama la visión del presente creciente. Esta visión considera que tanto el pasado como el presente son reales, pero no el futuro.
La verdad es que los tres enfoques tienen sus ventajas y existen buenos argumentos para cada uno de ellos.
Ya en el siglo VI a. C., el filósofo griego Heráclito expresó opiniones presentistas. Observó que nunca era posible caminar dos veces hacia el mismo río; en un momento diferente, ya se había convertido en un río diferente. Pero Parménides, un filósofo griego de un siglo después, pensaba de otra manera; creía que el universo era simplemente eterno.
Todavía hay muchas cosas sobre el espacio y el tiempo que no se comprenden bien. En la siguiente sección, centraremos nuestra atención en la combinación de ambos: el espacio-tiempo.
Tiempo espacial
En la época de Newton, habría sido bastante factible juntar el espacio y el tiempo y hablar de un concepto de espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Pero no fue hasta que se propuso la teoría de la relatividad a principios del siglo XX que realmente entró en su elemento. Con la relatividad, el espacio-tiempo es realidad; separarlo en espacio y tiempo es solo una conveniencia para nosotros los mortales.
En su teoría de la relatividad especial, Einstein introdujo nuevas formas de pensar sobre la longitud y la duración. También postuló que la velocidad de la luz –la velocidad a la que la luz viaja a través del espacio “vacío”– era un límite absoluto; siempre sería el mismo, incluso si el observador también se estuviera moviendo. Pero no fue Einstein quien finalmente propuso el espacio-tiempo unificado. Era su antiguo profesor, Hermann Minkowski.
Para Minkowski, el espacio-tiempo de cuatro dimensiones era plano, estático e infinito. Pero después de trabajar durante diez años sobre cómo incorporar la gravedad a la teoría, Einstein se dio cuenta de que el espacio-tiempo también podía ser dinámico y curvo y, de hecho, fue la curvatura la que creó lo que experimentamos como «gravedad». Esta teoría ahora se conoce como relatividad general.
Entonces, sólo para distinguirlos, cuando los físicos se refieren a la relatividad especial, están hablando de la teoría del espacio-tiempo plano fijo sin gravedad. Cuando hablan de relatividad general, es espacio-tiempo dinámico donde la curvatura es responsable de la gravedad.
Volvamos a visitar ese café que hay a la vuelta del trabajo, donde nos vamos a encontrar a las 9:00 pm. De tu casa al café, “en línea recta” sería la distancia más corta. Pero no eres un cuervo. En el mundo real, tienes que caminar por un par de calles y girar algunas esquinas para llegar allí. Ahora pensemos en ello también en términos de espacio-tiempo. En el lenguaje técnico de la teoría de la relatividad, tenemos dos eventos: dos puntos en el universo con un tiempo y una ubicación. Entonces tenemos el evento A (en casa a las 8:30 p. m.) y el evento B (en la cafetería a las 9:00 p. m.). Hay 30 minutos entre los dos eventos. Sencillo, ¿verdad?
Sí, por supuesto – y, bueno, ¡también no! Sí, si consideramos esto en el viejo mundo newtoniano, pero no si lo consideramos desde una perspectiva einsteiniana. ¿Por qué es eso? Bueno, así como la ruta del cuervo hasta el café es más corta que tu ruta real, en el espacio-tiempo, la duración del tiempo que experimentas al llegar al café (tiempo que puedes medir en un reloj que llevas contigo) no es lo mismo que el tiempo de coordenadas universales. Verás, el tiempo es como el espacio aquí. Depende de la ruta a través del espacio-tiempo que tomes. Y aquí es donde todo empieza a complicarse un poco:
Una línea recta en el espacio es la distancia más corta entre dos puntos, pero un camino recto entre dos eventos a través del espacio-tiempo produce el tiempo transcurrido más largo.
OK, definitivamente no es intuitivo. ¿Pero por qué es así? Bueno, como dice Carroll, «porque la física lo dice». Con el conocimiento que tienen los físicos hoy en día, éste es un supuesto fundamental sobre el que se construye la física.
Podría ser útil considerar lo que comúnmente se conoce como la paradoja de los gemelos (que, dicho sea de paso, no es una paradoja en absoluto; simplemente no es intuitivo. Tom se queda en la Tierra, mientras Barbara se dirige al espacio en un cohete que viaja cerca de la velocidad de la luz y luego regresa para estar con Tom. Tom se mueve por el espacio-tiempo en línea recta. Aunque Bárbara comenzó en el mismo evento que Tom y termina en el mismo evento, su ruta definitivamente no es recta. En su reunión, Barbara descubre que no es tan mayor como Tom: su reloj ha contado menos minutos, horas, días y años. Si Bárbara estuviera viajando al 99 por ciento de la velocidad de la luz por cada año que experimentó, Bob habría experimentado siete.
Obviamente, esto no ha sido probado con humanos debido a nuestras limitaciones tecnológicas actuales. Pero los físicos han hecho experimentos con partículas elementales y no hay duda de que este fenómeno es real. ¿Y las ecuaciones? Ellos también lo respaldan todo.
Entonces, si todos nos movemos en el espacio-tiempo unos con respecto a otros, ¿por qué no notamos los efectos como lo hacen Tom y Barbara? Es porque todos nos movemos mucho más lentamente que la velocidad de la luz. Por ejemplo, un automóvil que viaja a 65 millas por hora lo hace aproximadamente a 10⁻⁷, o 0,0000001, veces la velocidad de la luz. Efectivamente, en la vida cotidiana, nunca podríamos notar la diferencia.
Foto de Alex Andrews