martes, 12 de julio de 2011

¿Debe existir necesariamente una Teoría del Todo?



















En un artículo anterior, planteábamos las dificultades a las que se enfrenta la física actual para encontrar una Teoría de Campo Unificada o Teoría del Todo que integre los planteamientos de la Teoría de la Relatividad y de la Mecánica Cuántica en un modelo capaz de describir todas las interacciones presentes en la naturaleza, incluída la gravedad. Como decíamos, la Relatividad explica los fenómenos macroscópicos con extraordinaria precisión, mientras la Cuántica ofrece una descripción igualmente satisfactoria de los fenómenos físicos a escala subatómica. Sin embargo, ambas teorías han mostrado ser incompatibles, siendo la cuantización de la gravedad un serio problema aún pendiente de solución.


En los últimos años, la búsqueda de una Teoría de Campo Unificada ha dado como resultado la propuesta de dos teorías,  la Teoría de cuerdas y la Teoría M, pero ambas siguen lejos de alcanzar el consenso de la comunidad científica e incluso plantean dudas acerca de su falsabilidad, por ser algunos de sus postulados imposibles de comprobar experimentalmente (por ejemplo las siete dimensiones planteadas por le Teoría de Cuerdas).
En cualquier caso ¿Porqué se asume que la Cuántica debe explicar también el mundo macroscópico y la Relatividad, a su vez, el microscópico? ¿Porqué si un electrón, un gato y un agujero negro son objetos totalmente diferentes tiene que haber una única física que los describa?

Representación en corte transversal de los orbitales s, p y d del átomo de hidrógeno para los tres primeros números cuánticos.

Un gato sigue los postulados de la Mecánica Clásica newtoniana (un caso particular de la relativista)

Representación de un agujero negro, regido por las leyes de la Relatividad.

Según el principio de correspondencia, las leyes de la física deben ser independientes del tamaño del objeto sobre el que actúan. Es decir, la Mecánica Cuántica debe reproducir la mecánica relativista en el punto de transición entre los marcos de aplicación de ambas teorías. Por ejemplo, en el caso de un sistema que estuviese formado por muchas partículas, cada una de ellas estaría descrita adecuadamente por la Cuántica, mientras que el conjunto de ellas lo estaría por la Relatividad. Según el principio de correspondencia, ambas teorías deberían ser equivalentes y, de no serlo, deberían ser consideradas teorías incorrectas o incompletas. Sin embargo, tanto la Relatividad como la Mecánica Cuántica han sido verificadas experimentalmente en miles de ocasiones, por lo que debemos asumir que son correctas. La opción que queda es que el principio de correspondencia sea erróneo, pero esta posibilidad tumbaría uno de los pilares sobre los que se asienta la física.
¿Porqué no es suficiente afirmar que las leyes de lo macroscópico son simples propiedades emergentes de lo microscópico? En otras disciplinas cientificas diferentes de la física, como es el caso de la biología, no supone ningún conflicto epistemológico el hecho de abordar el estudio de cada nivel de organización desde disciplinas diferentes. De la molécula orgánica al planeta Tierra, se emplean la bioquímica, citología, histología, organografía, fisiología, etología y la ecología. En definitiva, se acepta la desunión de la ciencia y se asume esta diversidad como un valor que se enfrenta al reduccionismo apriorista un tanto místico de las teorías del todo como en el caso de la Hipótesis Gaia.

La hipótesis Gaia describe la Tierra como un único organismo.

Sin embargo, en física esto no es así. Se busca la teoría del todo como una necesidad para salvaguardar la integridad de la disciplina. La física no puede dejar sin explicación la transición entre régimen microscópico y macroscópico porque las razones que hacen que a cada nivel se apliquen principios y leyes diferentes, así como los mecanismos que reducen un nivel al anterior, son componentes fundamentales del método y la teoría.
De esta forma se han propuesto dos teorías para explicar la transición desde el nivel cuántico al clásico. Una de ellas es el llamado colapso de la función de onda o postulado de proyección, según el cual las propiedades de una partícula sólo se concretan cuando se realiza una observación. Esto hace que sea necesaria la existencia de un obervador para pasar del régimen cuántico al clásico, lo que equivale a decir que las leyes que rigen en el universo a distintas escalas dependen de nuestras propias observaciones. Así pues, la física niega rotundamente la posibilidad de una desunión de las distintas teorías válidas para distintos niveles, pero no tiene reparo en aceptar que sea el propio ser humano quien con sus observaciones determine la transición de un nivel a otro.
Otra explicación para la transición entre régimen cuántico y clásico es la decoherencia. Esta propone que las propiedades clásicas aparecen debido a la interacción del sistema cuántico con una gran cantidad de grados de libertad. No obstante, este mecanismo requiere de un medio ambiente externo con el cual el sistema cuántico estudiado pueda interactuar. Si tal ambiente no existe, no hay posibilidad para la aparición del régimen clásico. El problema de esta explicación es que si el universo empezó como un objeto cuántico, por definición no existía ningún medio ambiente externo con el cual pudiese interactuar.
(En posteriores entradas analizarémos el porqué de la necesidad de la existencia de otros elementos tales como un observador o un medio ambiente externo para poder describir la realidad física, así como la posible relación de este proceso con la teoría de la información)
Como hemos dicho, en biología no existe el problema que se plantea en física. Los distintos niveles de organización están claramente definidos. No cabe preguntarse acerca de la transición entre dos niveles porque no hay tal transición, simplemente se han definido así porque resulta útil. La citología trata sobre las células, la histología sobre los tejidos. Evidentemente esto no tiene porqué corresponderse con la realidad. Pero es que la biología no es la realidad ni pretende serlo, tan sólo es una herramienta metodológica para comprender la realidad, que es algo muy diferente.
Por eso es sorprendente que a la física le resulte tan dificil aceptar el hecho de que las ecuaciones que describen lo que le ocurre a un átomo y a un gato sean distintas. ¿Porqué debería existir una única ecuación que describa el comportamiento de ambos? ¿Porqué ha de existir una transición entre dos niveles, macroscópico y microscópico, que hemos definido nosotros mismos simplemente por su utlildad?

Esquema de una hipotética teoría del todo.

El hecho de asumir la existencia de una transición parece más bien resultado de una posición metafísica que surge de la necesidad de que la física siga siendo unitaria, al igual que lo son las matemáticas, y sea capaz de explicarlo todo, salvaguardando de esta forma su estatus de disciplina privilegiada o madre de todas las ciencias.
Sin embargo no debemos olvidar que la física, como otras disciplinas científicas,  describe la realidad, pero no es la realidad en sí misma, de la misma forma que las matemáticas describen el mundo, pero no son el mundo. ¿O si lo son?


3 comentarios:

  1. Aquí va mi paranoia particular...
    Personalmente creo que sí. Debe existir una "teoría del todo" porque es evidente que hay un salto del mundo "micro" al macroscópico que debemos entender. Creo que la cuestión es que no hemos conseguido desarrollar una teoría suficientemente compleja...pero, como todo, es cuestión de tiempo. De hecho, es un fallo pensar que la mecánica cuántica sólo explica el mundo microscópico porque su éxito radica, precisamente, en que sus ecuaciones explican la física macroscópica igual que las ecuaciones clásicas. Lo único que no es capaz de incorporar (de momento) es la interacción gravitatoria. Aquí sí existe una brecha entre la física "clásica" y "moderna".
    Un profesor (de mecánica cuántica concretamente) me dijo una vez que esto era muy parecido a los seres pluricelulares. El hecho de que una mitocondria queme ATP para obtener energía parece absolutamente independiente de cualquier acción que hagamos como individuos pluricelulares, por ejemplo...ir a la compra. A simple vista...son cosas independientes...el entorno o mundo de la célula (microcópica) nada tiene que ver con el nuestro. ¿Nos parecemos en algo? Por definición, no ...Y sin embargo...¿de dónde obtener energía si no es quemando ese tipo de compuestos por seres microscópicos?. La complejidad radica en intentar disociar lo pequeño de lo grande..porque a lo mejor...no es necesario...
    Pensemos en un agujero negro: ¿Usamos la teoría gravitatoria para explicar su comportamiento, porque se trata de un cuerpo de enorme masa capaz de crear un campo tan grande del que ni la luz puede escapar?, ¿o la mecánica cuántica porque es una masa concentrada en punto infinitamente pequeño,y que por tanto debe regirse por la física de partículas?.
    No es un problema no haber podido unificar de momento ambas teorías...ahí está el reto...al fín y al cabo...así es como avanza la ciencia ¿no?

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  2. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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  3. Hola triki ;) gracias por tu comentario!
    Dices:
    “Debe existir una "teoría del todo" porque es evidente que hay un salto del mundo "micro" al macroscópico que debemos entender.”

    Cuando dices que “debe existir” una teoría del todo ¿Te refieres a que tiene que existir necesariamente o a que cabe la posibilidad de que exista? Precisamente esta idea de necesidad es la que cuestiono en el artículo: (con mayor o menor éxito…) Coincido en que debemos entender la transición entre los distintos marcos de aplicación de las teorías existentes pero pienso que esto no implica que deba existir necesariamente una teoría del todo.

    “Creo que la cuestión es que no hemos conseguido desarrollar una teoría suficientemente compleja...pero, como todo, es cuestión de tiempo. “

    Más que de una “teoría suficientemente compleja” pienso que es mejor hablar de una teoría que describa todos los fenómenos físicos de forma satisfactoria independientemente de la escala. Digo esto porque tal teoría, en el caso de existir, no tendría porqué ser extraordinariamente compleja, al contrario, la simplicidad de una teoría puede darnos pistas acerca de su validez.

    “De hecho, es un fallo pensar que la mecánica cuántica sólo explica el mundo microscópico porque su éxito radica, precisamente, en que sus ecuaciones explican la física macroscópica igual que las ecuaciones clásicas. Lo único que no es capaz de incorporar (de momento) es la interacción gravitatoria. Aquí sí existe una brecha entre la física "clásica" y "moderna".

    Correcto. Tienes razón, Al escribir “¿Porqué se asume que la Cuántica debe explicar también el mundo macroscópico y la Relatividad, a su vez, el microscópico?” Me tome una licencia estilística que me llevó a cometer un error. Donde existe una brecha es entre la mecánica cuántica y la relatividad.
    Las leyes de la física clásica se pueden inferir a partir de las distintas configuraciones descritas por la cuántica al agruparlas en clases identificables por medio de variables de estado macroscópicas. Otra cosa es que esto nos resulte útil. ¿Te imaginas describir la trayectoria de un avión haciendo una estimación probabilística del estado e interacciones de todas y cada una de las partículas subatómicas que lo constituyen?

    “ La complejidad radica en intentar disociar lo pequeño de lo grande..porque a lo mejor...no es necesario...”

    O a lo mejor si. Volvemos a la idea de necesidad. A nivel microscópico la realidad no es contínua ni determinista. Pero insisto en que una cosa es la realidad y otra las teorías científicas que intentan describir esa realidad. Los físicos no intentan disociar lo pequeño de lo grande, lo que ocurre es que se encuentran con que ambas teorías son incompatibles. (me refiero a cuántica y relatividad)

    “Pensemos en un agujero negro: ¿Usamos la teoría gravitatoria para explicar su comportamiento, porque se trata de un cuerpo de enorme masa capaz de crear un campo tan grande del que ni la luz puede escapar?, ¿o la mecánica cuántica porque es una masa concentrada en punto infinitamente pequeño,y que por tanto debe regirse por la física de partículas?.”

    Supongo que cuando dices teoría gravitatoria te refieres a la relatividad ¿Podrías aportar alguna referencia sobre la descripción de un agujero negro desde el punto de vista de la cuántica?

    “No es un problema no haber podido unificar de momento ambas teorías...ahí está el reto...al fín y al cabo...así es como avanza la ciencia ¿no?”

    Hombre que ambas teorías no puedan ser unificadas es un problema y muy gordo pero coincido en que ahí es donde está el reto.

    Saludos!

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