26 mayo 2016

Sean Carroll intenta explicar qué pasó en «Juego de tronos»

[AVISO: Este artículo destripa parte del quinto episodio de la sexta temporada de Juego de tronos, titulado El portón (The Door).]

El final del último episodio de la serie de la cadena HBO Juego de tronos dejó a muchos de sus espectadores tan desconcertados que la gente de la web TechInsider recurrió a Sean Carroll, físico teórico en Caltech y autor, entre otros, de Desde la eternidad hasta hoy. En busca de la teoría definitiva del tiempo, para que le aclarase qué era lo que había pasado.

Esto es lo que les contó Carroll (traducción del artículo original de TechInsider):

En el episodio de Juego de tronos emitido en Estados Unidos el 22 de mayo de 2016, por fin conocimos, a través de una visión warg de Bran Stark el desgarrador origen de las limitaciones de Hodor con el lenguaje.

También se nos hizo pedazos el cerebro ante ese retorcida situación con viajes en el tiempo de por medio: Bran se encontraba físicamente en el presente pero viajó al pasado mientras controlaba a Hodor tanto en el presente como en el pasado, lo que hizo que el Hoder del pasado se convirtiese en el Hodor del presente.

Para ayudarnos a recomponer nuestra maltrecha mente —y entender qué diablos sucedió con Bran y Hodor en ese árbol— TechInsider habló con Sean Carroll, físico teórico en Caltech especializado en el estudio del tiempo.

«Bran está en dos lugares al mismo tiempo; o, mejor dicho, en dos tiempos al mismo tiempo», nos dijo Carroll.

Juego de viajes en el tiempo

Bran Stark sorprendido | Por amor a la ciencia — HBO

Desde la raíz del árbol del cuervo de tres ojos, Bran observa la Invernalia de varias décadas atrás, y allí ve a un Hodor preadolescente al que aún se le conoce como Wylis.

Pero cuando, en el presente, una horda de espectros liderada por los caminantes blancos se abalanza sobre su escondite, los poderes de Bran crean un puente entre los dos momentos en el tiempo.

«Él está en el pasado con el joven Hodor, y de alguna manera se establece una conexión entre el joven Hodor y el Hodor del momento presente —explica Carroll—. No se sabe cómo, el miedo a que los zombies los atrapeny la tensión de la huida se le transmiten al joven Hodor, que sufre un ataque.»

Guau. Hodor, Hodor.

«El joven Hodor está teniendo la sensación de estar sosteniendo el portón, y eso le está provocando un ataque, tras el cual solo puede decir “Hodor”» —continúa Carroll—. Pasa más tarde al servicio de los Stark, y después se convierte en la misma persona que envía esa sensación mental a su yo más joven.»

Entonces, ¿alteró Bran el curso de la historia en Poniente?

«En pocas palabras: no alteró el pasado, sino que afectó al pasado —precisa Carroll—. Solo hay un pasado, y solo un Hodor que sufrió ese ataque.»

Una manera aún más breve de resumirlo, que además nos complace mucho escribir, es esta: Este episodio también dejó confuso a un físico teórico que estudia el tiempo. «Es una locura total y absoluta», concluye Carroll.

Por suerte, dedicó un rato a explicarse con más detalle.

No hay ninguna paradoja

Wylis/Hodor en pleno ataque | Por amor a la ciencia — Helen Sloan/HBO

Los viajes en el tiempo chocan con ciertas nociones muy básicas que los humanos tenemos sobre el tiempo y el lugar que nosotros ocupamos en él; a saber, los conceptos de causa y efecto.

«Curiosamente, una vez que se permiten los viajes en el tiempo en nuestro universo, en lugar de decir que todo lo que sucede tiene un origen —explica Carroll—, lo que pedimos es que todo sea coherente, y que todo es en realidad información que circula por el tiempo sin un origen.»

Esto es lo que se conoce como un bucle causal consistente. Alguien de un momento temporal posterior regresa para alterar eventos del pasado, pero esto es coherente con cómo se desarrollan los eventos posteriores, que dan lugar a ese futuro desde el que los viajeros temporales vuelven al pasado.

Comparemos esto con un bucle causal inconsistente como el de Regreso al futuro [Back to the Future]. Las acciones de Marty y Doc en el pasado cambian el curso de la historia y provocan alteraciones a través del tiempo en una fotografía familiar. A diferencia de un bucle consistente, esto —junto a la idea clásica de «convertirnos en nuestros propios antepasados»— sí que es una paradoja debida a los viajes en el tiempo.

¿Y qué nos dice el puente que crea Bran entre los dos instantes sobre el libre albedrío? Como vimos en este episodio reciente, Hodor no tenía ninguna alternativa. Pero ¿y Bran, cuyas acciones condujeron a la alteración de la secuencia temporal?

«[Bran] posee libre albedrío en el sentido de que, si no sabe lo que va a suceder, tiene posibilidad de elegir —explica Carrol—. Pero, una vez que ha sucedido, nadie tiene libre albedrío.»

Dicho de otro modo, Bran tenía posibilidad de elegir hasta que eligió.

«Desde el punto de vista de un físico, uno posee libre albedrío en la medida en que puede decidir entre distintas opciones —añade Carroll—. Pero, en el sentido de que dichas decisiones deben ser coherentes, no lo tiene.»

Así pues, por muy desgarrador que sea de ver, Wylis siempre iba a acabar siendo Hodor. Sin desearlo, sacrificó tanto su mente cuando era niño como su cuerpo de adulto para salvar a Bran. Todo ello porque Bran Stark, al jugar con el tiempo, decidió poner en marcha ese bucle temporal que cancelaba cualquier otra posibilidad.

Fuente: We needed a theoretical physicist to explain this mind-boggling moment in ‘Game of Thrones’ | TechInsider

Más información: Desde la eternidad hasta hoy. En busca de la teoría definitiva del tiempo de Sean Carroll

27 noviembre 2015

Sean Carroll: ¿Qué es la masa?

Sean Carroll es físico teórico en Caltech y autor de La partícula al final del universo y Desde la eternidad hasta hoy. En este vídeo del canal de YouTube Veritasium, Carroll explica cuáles son los tipos de masa que existen, qué tienen que ver con la teoría de la relatividad de Einstein, qué relación existe entre masa y energía y por qué la expresión «masa relativista» debería estar prohibida.

Transcripción

La palabra «masa» se utiliza en distintos contextos. Esto es algo que ocurre con mucha frecuencia en física porque inventamos un nombre para algo antes de comprenderlo por completo.

La única razón por la que necesitamos la expresión «masa en reposo» es por Einstein, quien señaló que existen otros tipos de masa.

Einstein afirma que, lo que queremos decir al usar la expresión «masa en reposo», es cuánta energía posee un objeto que no se mueve. Ese es el contenido de E = mc².

No es que la energía total, pase lo que pase, sea igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado, sino que la masa en reposo es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado. Eso es lo que la masa significa. Es la energía que algo posee cuando está en reposo.

¿Cómo se sabe cuánta energía posee? Empujamos el objeto, ejercemos una fuerza sobre él, vemos cuán rápido se acelera, y dividimos esa fuerza por la aceleración para obtener la masa del objeto. Cuanto más pesado es algo, mayor es el valor de este término, y menor es la aceleración para una fuerza dada.

[Pregunta: Bien, ¿y cómo explica esta masa el mecanismo de Higgs?]

La discusión del Higgs es algo muy diferente, porque esto es la idea de qué es la masa; mientras que el Higgs ayuda a entender el origen de la masa de las partículas elementales.

Hay que recorrer una historia larga y complicada para responder a la pregunta de por qué hay que explicar de dónde viene la masa y no basta con decir que las cosas tienen masa.

La idea es que el intento de Weinberg de crear una teoría de las interacciones débiles, sin el bosón de Higgs, sin este bosón que ocupa todo el espacio, habría predicho que el electrón no tenía masa, que debería tener una masa exactamente nula, porque las partículas que giran en una dirección actuaban de manera distinta a las que lo hacían en la otra dirección.

Daremos una explicación de 30 segundos de por qué esto tiene sentido.

La idea es que Einstein afirma que, si la masa es nula, el objeto se mueve a la velocidad de la luz. Y viceversa: si algo se mueve a la velocidad de la luz, su masa es cero.

Si algo se mueve a la velocidad de la luz, podemos responder a la pregunta: ¿cuál es su rotación en la dirección del movimiento? Y la respuesta es definitiva Hay una respuesta en la que todo el mundo está de acuerdo.

Si el objeto va más lento que la velocidad de la luz, entonces podemos tener una rotación en la dirección del movimiento, pero alguien que se mueva más rápido verá que el objeto se mueve en la otra dirección. No hay una respuesta única a la pregunta ¿cuál es la rotación en la dirección del movimiento?

La teoría de Weinberg solo funcionaba si era única la respuesta a la pregunta de: ¿cuál es la rotación en la dirección del movimiento? Porque, si el objeto rota en una dirección, interactúa con las interacciones débiles, mientras que si lo hace en la otra dirección no interactúa.

Por lo tanto, su teoría predecía que debía existir una manera de determinar cuál es la rotación de un objeto en función de su movimiento. Lo cual solo es posible si el objeto se mueve a la velocidad de la luz. Solo es posible si el objeto tiene masa nula.

El Higgs aparece y permite encontrar la manera de ralentizar estas partículas. Sin el Higgs, se mueven a la velocidad de la luz. El electrón, los quarks, los neutrinos, todos se moverían a la velocidad de la luz. Pero el bosón de Higgs que llena todo el espacio rompe esa simetría. Por eso vemos partículas que se mueven más despacio que la velocidad de la luz. El bosón de Higgs les da masa y permite que la idea de Weinberg encaje con el mundo real.

En la manera moderna de entender las cosas, la definición de masa es, simplemente, la cantidad de energía que un objeto posee cuando está en reposo. La masa no es una propiedad intrínseca, no es una sustancia que va de un sitio a otro, es una medida de cuál es la energía…

[P: Pero la pregunta es: ¿por qué esa energía hace que cueste más acelerar las cosas?]

Existen distintos tipos de energía. La masa es uno de estos tipos. También está la energía cinética, la potencial, etcétera.

Así pues, cuando aceleramos un objeto, lo que estamos haciendo es convertir un tipo de energía en otro. Si tenemos un objeto pesado y lo aceleramos, tendrá más energía, una vez acelerado.

La masa nos dice cuánto trabajo necesitamos hacer para que algo se mueva a una determinada velocidad.

[P: ¿Y qué hay de la masa relativista?]

«Masa relativista» es una expresión que debería prohibirse en el vocabulario de todo el mundo.

De nuevo, si asumimos la filosofía einsteiniana la masa es una versión de la energía, es la cantidad de energía de un objeto cuando no se mueve.

También podemos preguntarnos cuánta energía posee el objeto cuando se mueve. Y a eso deberíamos llamarlo simplemente «la energía», pero alguna gente, especialmente en épocas pasadas y peores, lo llama «masa relativista», y dice que la masa aumenta a medida que una partícula o un objeto se mueve a una velocidad cada vez más próxima a la de la luz.

Pero, si la definición de masa es la cantidad de energía de un objeto en reposo, eso no cambia por muy rápido que el objeto se mueva. Creo que esta es una manera mucho más sencilla conceptualmente de entender las cosas.

La masa gravitatoria es realmente distinta, y es un concepto muy útil.

Si volvemos a la manera de Newton de entender la física, y decimos que la masa es la fuerza dividida entre la aceleración, esto es lo que llamaríamos «masa inercial». Es la respuesta a la pregunta: ¿cuánta fuerza se necesita para acelerar un objeto?

Luego hay otra cosa completamente diferente, que es: ¿cuánta gravedad produce un objeto? o ¿cómo responde un objeto a un campo gravitatorio? En principio, este es un número arbitrario.

Si pensamos en la fuerza electromagnética, una partícula responde a un campo eléctrico en función de lo que llamamos su carga eléctrica. Algunas partículas tienen carga positiva; otras, negativa; algunas tienen una gran carga; otras, pequeña… La carga es el equivalente eléctrico de la masa gravitatoria.

Es lo que dice ¿en qué medida responde un objeto a esta fuerza? Resulta que la «carga gravitatoria», la cantidad de campo gravitatorio que crea un objeto, es igual a su masa inercial (lo cual, desde el punto de vista de Newton, es algo puramente casual).

Así pues, decimos que la masa gravitatoria —que es una expresión mejorable—, que la carga gravitatoria de un objeto, viene dada por su masa, por su masa inercial. Y esta peculiaridad, para Newton, no era más que una casualidad. Era difícil entender por qué esto era así.

Einstein, tras inventar la relatividad especial, y afirmar que E = mc², dedica diez años a inventar la relatividad general, su teoría de la gravedad.

Finalmente, una vez que entendemos la relatividad general, que afirma que la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, creemos que entendemos por qué coinciden la masa gravitatoria y la inercial. Básicamente, son dos versiones distintas de la energía que un objeto posee.

Y la energía, la masa, el momento… todas esas cosas influyen en el campo gravitatorio que un objeto genera.

Se nos plantean dos preguntas. La primera es: ¿cuánto cuesta empujar algo? Y la segunda: ¿cuánto campo gravitatorio genera un objeto? En relatividad general es evidente —una vez que uno entiende la relatividad general— que las respuestas a ambas preguntas son la misma cosa. Que la masa gravitatoria y la masa inercial son iguales.

Alguien que se mueve rápido respecto a mí lo hace despacio respecto a otra persona. La manera en que curva el espacio-tiempo debe ser la misma.

La excepción a lo anterior es cuando tenemos dos objetos que forman parte de un objeto más grande. Si tenemos un objeto que crea un campo gravitatorio y a su vez está compuesto por dos objetos estacionarios, eso crearía un campo gravitatorio distinto que si ese objeto estuviese formado por dos objetos en movimiento el uno respecto al otro.

Supongamos que tenemos una mancuerna que no está rotando. En relatividad general existe una diferencia entre que rote y que no. No hay diferencia entre que se mueva y que no, porque eso depende del sistema de referencia, pero sí la hay entre que rote y que no lo haga.

Si hacemos que la mancuerna empiece a rotar, ahora posee más energía, desde el punto de vista de cualquier observador. Y su campo gravitatorio será mayor.

Según Einstein, la Tierra, por el hecho de estar rotando, posee un campo gravitatorio ligeramente mayor del que tendría si no rotase. Es un efecto extraordinariamente pequeño, que es completamente imposible medir, porque la Tierra rota a una velocidad muy inferior la de la luz. Pero existe, y la teoría lo predice.

Y en el caso de otros objetos, como estrellas de neutrones y agujeros negros, sería muy evidente.

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Más Sean Carroll en Por amor a la ciencia

Sean Carroll: El sentido de la vida

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Sean Carroll explica la importancia del modelo de la inflación cósmica

Sus libros

Desde la eternidad hasta hoy: En busca de la teoría definitiva del tiempo (Debate, 2015)

La partícula al final del universo: Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo (Debate, 2014)

22 noviembre 2015

Brian Cox: la relatividad especial de Einstein

Esta semana celebramos los 100 años de la publicación de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, una de las cumbres de la historia de la ciencia (que culminará con el evento organizado por la publicación de ciencia Materia en Madrid este próximo miércoles, 25 de noviembre).

Tras la entrada del pasado viernes, en la que Walter Isaacson, autor de la gran biografía de Einstein, nos introducía a la relatividad general, hoy nos remontamos a diez años antes, cuando, durante su annus mirabilis de 1905, Einstein presentó la teoría de la relatividad especial, de la que se deriva la que es probablemente la ecuación más famosa de toda la ciencia, E = mc².

Precisamente esa fórmula da título al libro de Brian Cox y Jeff Forshaw ¿Por qué E = mc²? (Debate, 2013), de cuya presentación se extrae este breve vídeo en el que Cox explica otro de los sorprendentes resultados derivados de la relatividad especial, la dilatación temporal, recurriendo a un ingenioso experimento mental ideado por el propio Einstein.

(Aprovechamos también para recordaros que aún estáis a tiempo, hasta este martes 24 de noviembre, de participar en el sorteo organizado por Materia y la editorial Debate de diez ejemplares de la biografía de Einstein escrita por Walter Isaacson entre quienes envíen un vídeo explicando la teoría de la relatividad en menos de un minuto a las cuentas de Twitter o Facebook de Materia con el hasthtag #Relatividad100.)

Transcripción

Quiero hablar un par de minutos sobre la relatividad, porque es una hermosa parte de la ciencia. Y está muy de actualidad, porque hace dos semanas se llevó a cabo un fantástico experimento —se publicaron los resultados del experimento, quiero decir— que confirmó por primera vez con una precisión elevadísima, la confirmación de mayor precisión que hemos tenido nunca, que Einstein no se equivocó.

Su teoría de la gravedad pasó la prueba del experimento más preciso que hemos sido capaces de llevar a cabo, y quería hablar brevemente sobre los resultados de ese experimento, que se publicaron hace solo dos semanas.

De hecho, el experimento se ideó en la década de los años sesenta, por lo que algunos de estos científicos han dedicado todas sus carreras, 50 años, a obtener estos resultados. Pero antes, la relatividad.

Hay una manera muy bella y sencilla de describir lo que es. Este es Albert Einstein. Einstein era un genio porque pensaba de manera muy sencilla, a menudo en imágenes, sobre el funcionamiento del mundo. Y lo que lo tenía fascinado a principios del siglo XX, alrededor de 1905, era un resultado obtenido por un físico escocés llamado James Clerk Maxwell, quien predijo —aunque no fue consciente de ello entonces— que la luz viaja a la misma velocidad con independencia de cómo la miremos.

Es una predicción un poco extraña. Básicamente, lo que estoy diciendo es que, si vuelo hacia ese foco a la velocidad de la luz, o, pongamos, a un 75% de la velocidad de la luz —salgo volando hacia el foco—, la luz me dará en la cara a la velocidad de la luz. No al doble, o 1,75 veces, de la velocidad de la luz, sino a la velocidad de la luz.

Es un predicción muy extraña, pero se deduce de la física teórica del siglo XIX, de experimentos sobre electricidad y magnetismo. Einstein fue la primera persona en tomársela verdaderamente en serio, y decir: ¿Qué implica esto? ¿Qué sucede si decimos que la naturaleza se comporta así, si, con independencia de cómo me mueva respecto a ti, ambos vemos la misma velocidad de la luz?

Para entender las consecuencias, ideó un precioso experimento mental que les puedo contar en un minuto y resume lo esencial de la relatividad.

Imaginó un objeto que llamó «reloj de luz». Supongamos que tengo un reloj muy extraño, compuesto solo por dos espejos, colocados así. Y mi péndulo es la luz, que rebota entre los dos espejos. Podemos imaginar un tic, dos tics; un segundo, dos, tres segundos… Funciona como un reloj de alta precisión.

Pero recordemos que hemos quedado en que todos vemos la misma velocidad de la luz, con independencia de cómo nos estemos moviendo. ¿Qué sucede si subo, literalmente, el reloj al escenario, y lo llevo de un lado a otro? ¿Qué es lo que ven ustedes?

Ven que el reloj marca el tiempo pero, como me estoy moviendo, ven algo que se parece más a esta otra imagen, porque partí desde allí y he caminado hasta aquí. La luz, desde su punto de vista, rebotó así, trazando un triángulo.

¿Qué implica eso? Si es realmente cierto que todos estamos de acuerdo en la velocidad de la luz, que todos vemos que es la misma, entonces ustedes verán que el reloj marca el tiempo más lentamente que yo.

¿Por qué? Porque la luz ha tenido que recorrer una distancia mayor para dar un tic que cuando el reloj estaba en reposo. Esa es la predicción. Una predicción muy extraña, según la cual los relojes en movimiento van más despacio, el tiempo se ralentiza si uno se mueve (desde su punto de vista, al ver cómo me muevo por el escenario).

Resulta que eso es correcto, que es cierto. De hecho, el factor por el que se ralentiza, que viene dado por esta ecuación de aquí, se puede calcular utilizando el teorema de Pitágoras.

Y la razón por la que les muestro la ecuación es para que lo vean —el cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de los catetos, como ya saben— para que puedan ver los cuadrados, las raíces cuadradas y todo eso… Ese el resultado que se obtiene al hacer los cálculos.

Es algo fascinante: esa ecuación se utiliza en los sistemas de navegación por satélite (GPS).

Cuando usted se monta en su coche, enciende el GPS y se pone en marcha, el GPS funciona, básicamente, midiendo diferencias temporales, entre relojes situados en satélites y otros que están sobre la superficie terrestre. Los satélites se mueven respecto a la superficie, y están muy arriba, por lo que la gravedad es ligeramente más débil. Resulta que eso significa que el tiempo pasa a una velocidad distinta.

¿Cuánta es la diferencia? Einstein predijo hace cien años que sería de unos 36.000 nanosegundos por día. (Un nanosegundo es una mil millonésima parte de un segundo.) No parece mucho, 36.000 nanosegundos, pero la luz recorre 30 centímetros en un nanosegundo, lo que significa que el GPS acumularía un error de 36.000 veces 30 centímetros en su medición de la posición. Que equivale a unos diez kilómetros.

De manera que la posición del GPS cambiaría en diez kilómetros al día si no tuviésemos en cuenta este efecto, que Einstein calculó en 1905 imaginando un reloj de luz con dos espejos. Una preciosa parte de la física que encontró aplicación un siglo después en la navegación por satélite.

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Más información sobre el libro de Cox y Forshaw:

¿Por qué E = mc²? (primeras páginas).

Más sobre Einstein y la teoría de la relatividad:

Walter Isaacson: La teoría más hermosa de Albert Einstein | Por amor a la ciencia

20 noviembre 2015

Walter Isaacson: La teoría más hermosa de Albert Einstein

Este mes de noviembre celebramos el primer centenario de la teoría de la relatividad general, que Walter Isaacson, biógrafo de Einstein, considera «la teoría más hermosa de la historia de la ciencia» (y no es el único).

Y no estamos solos en la celebración: hasta el día 24 de noviembre de 2015, la web de ciencia Materia y la editorial Debate sortean diez ejemplares de la biografía de Einstein escrita por Isaacson entre quienes envíen un vídeo explicando la teoría de la relatividad en menos de un minuto (a las cuentas de Twitter o Facebook de Materia con el hasthtag #Relatividad100).

¿Te atreves a intentarlo? Este breve vídeo de Isaacson puede servirte de inspiración…

El camino que lleva a Einstein hasta la teoría de la relatividad comienza en 1905, mientras trata de entender por qué la velocidad de la luz siempre es constante, tanto si uno se aproxima a la fuente de la luz, como si se aleja de ella. Se le ocurre un experimento mental: imagina que un rayo cae sobre ambos extremos de un tren que mueve a gran velocidad. Una persona que esté en el tren verá la sucesión de los rayos de manera ligeramente distinta que alguien que se encuentre junto a la vía.Einstein sabe que todo movimiento es relativo. No podemos decir que la persona en el tren tiene razón y la que está en la vía no. Y eso significa que el tiempo es relativo y depende de nuestro estado de movimiento.

Esta es la teoría de la relatividad especial, que Einstein propuso en 1905.

Diez años después de la teoría especial, en 1915, Einstein la generalizó para incluir el movimiento acelerado y relacionarla con la gravedad. La llamó teoría de la relatividad general y es la teoría más hermosa de la historia de la ciencia.

Lo hizo mediante otro experimento mental. Imaginó cuál sería la situación en un habitáculo cerrado en el espacio exterior, como un ascensor sin ventanas, que se acelerase hacia arriba.

¿Qué sentiríamos? Sentiríamos cómo nuestros pies se pegan al suelo. Si sacásemos unas monedas del bolsillo y las soltásemos, caerían hacia el suelo con una cierta aceleración. Es decir, sería como si estuviésemos sobre la superficie terrestre y su campo gravitatorio.

Introdujo entonces el principio de equivalencia, según el cual los efectos de la aceleración eran equivalentes a los de la gravedad. Y a partir de ahí llegó a la conclusión de que la gravedad no era algo misterioso, sino que viene dada simplemente por la curvatura del tejido del espacio.

Es la teoría más hermosa de la historia de la ciencia, y Einstein la propuso a finales de 1915.

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Además, el próximo día 25 de noviembre (fecha exacta en que, hace cien años, Einstein presentó la parte final de su teoría ante la Academia de Ciencias de Prusia), Materia organiza en Madrid un acto de conmemoración con cinco grandes personalidades de la física mundial, como David Gross, premio Nobel en 2004; Hanoch Gutfreund, reputado experto en Einstein, o el catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Sevilla Manuel Lozano Leyva, autor de libros de divulgación como De Arquímedes a Einstein o El fin de la ciencia:

Más información sobre la biografía escrita por Isaacson, en la biblioteca de Por amor a la ciencia:
Einstein: su vida y su universo

4 noviembre 2015

Sean Carroll: El sentido de la vida

Sean Carroll, físico teórico en Caltech y autor de La partícula al final del universo y Desde la eternidad hasta hoy, es también un apasionado y elocuente polemista, defensor del pensamiento naturalista, según el cual «no existe más que un único dominio de la existencia, el mundo natural, cuyo comportamiento se puede estudiar mediante la razón y la investigación empírica».

Carroll está actualmente trabajando en su próximo libro, The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself, que será, en sus propias palabras, «un ambicioso intento por conectar nuestras vidas cotidianas con las leyes de la naturaleza», en el que también tratará de entender «el significado y la moralidad en un universo que carece de un propósito trascendente».

Este sugerente vídeo recoge parte de su intervención en un debate junto a Michael Shermer, racionalista como él, y Dinesh D’Souza e Ian Hutchinson, defensores de una visión religiosa del mundo. En él, Carroll expone «cómo los naturalistas como yo encontramos un sentido para nuestras vidas finitas, sin necesidad de buscar orientación en el mundo exterior».

Transcripción

Venimos aquí por razones similares. Compartimos preocupaciones. Nos hacemos el mismo tipo de preguntas: ¿Cuál es la naturaleza fundamental de la realidad? ¿Cuál es el papel de la humanidad en el cosmos?

Y es por eso que siempre seguiré siendo obstinadamente optimista en que a través del debate, la razón y la racionalidad podemos avanzar de verdad, al menos, hacia el entendimiento, cuando no hacia el acuerdo.

No obstante lo anteior, religión y ciencia han ido por caminos distintos a lo largo de los años. Hace 500 años este debate no se hubiera celebrado; no había límite entre lo que ahora llamamos ciencia y religión, sólo había intentos de entender el mundo.

Y lo que pasó es que apareció la ciencia al desarrollar técnicas, metodologías para obtener un conocimiento fiable sobre el mundo, y el conocimiento fiable que obtuvimos era incompatible con algunos supuestos de la creencia religiosa.

Lo básico que hemos aprendido haciendo ciencia durante 400 años es algo llamado «naturalismo»: la idea de que solo hay una realidad, no planos separados entre lo natural y lo sobrenatural, que solo hay una existencia material y que formamos parte del universo, de ningún modo podemos mantenernos fuera de él.

Y el modo en que la ciencia llegó ahí es, básicamente, advirtiendo que los humanos no somos tan inteligentes, no somos perfectamente lógicos. Como seres humanos estamos sujetos a todo tipo de sesgos y limitaciones cognitivas: solemos caer en el pensamiento ilusorio, vemos patrones donde no los hay…

Y en respuesta a esto, la ciencia desarrolla técnicas para dotarnos de verificadores de la realidad, para no dejarnos creer cosas que la evidencia no sustenta.

Una de ellas es simplemente el «escepticismo», del que habrán oído hablar. A los científicos se nos enseña que debemos ser los críticos más duros con nuestras propias teorías. Los científicos tratan de refutar continuamente sus ideas favoritas. Es un modo llamativo de hacer las cosas, algo contrario al sentido común, pero nos permite resistir la tentación del pensamiento ilusorio.

La otra técnica es el «empirismo». Nos dimos cuenta de que no somos tan inteligentes como para conseguir verdadero conocimiento solo con pensar sobre ello. Tenemos que ir por ahí y observar el mundo.

Y lo que hemos hecho durante los últimos 400 años es darnos cuenta de que los humanos
no estamos separados, que el mundo es una cosa, el mundo natural, y puede ser entendido.

Esto es muy poco intuitivo, esta afirmación no es en absoluto obvia.

Cuando hablas con una persona, tiene pensamientos, sentimientos y reacciones.

Pero, cuando hablas con una persona muerta, un cadáver (siento ponerme morboso),
no logras esas mismas reacciones, esos pensamientos y emociones.

Es muy natural, de sentido común pensar que una persona viva posee algo que un cadáver no. Algún tipo de espíritu, un alma que la anima o una fuerza de vida. Pero resulta que esta idea resulta no se sostiene ante un escrutinio más detenido.

Estás hecho de átomos. Estás hecho de células que están hechas de moléculas hechas de átomos y, como físicos, sabemos como se comportan los átomos.

Las leyes de la física que gobiernan los átomos han sido se comprenden por completo. Pon un átomo en ciertas circunstancias, dime cuáles son y, como físico, te diré qué hará el átomo.

Si crees que los átomos de tu cerebro y tu cuerpo actúan de manera distinta en una persona viva que en una roca o cristal, lo que estás diciendo es que las leyes de la física son incorrectas, que es necesario modificarlas debido a la influencia de un espíritu, un alma o algo similar.

Eso puede ser cierto —la ciencia no lo puede refutar—, pero no hay evidencia de que lo sea. Y se logra un marco explicativo más potente asumiendo que solo se trata de átomos obedeciendo leyes físicas.

Este tipo de razonamiento es un gran paso hacia el «naturalismo».

Por supuesto, podría seguir. Podríamos hablar sobre cosmología moderna y el origen del universo; podríamos hablar sobre neurociencia y sobre qué es la conciencia, etc. Pero no quiero hacerlo ahora mismo, quizá podamos hablar de ello más tarde…

No quiero hacerlo ahora básicamente porque es un poco aburrido. Y la razón por la que es aburrido es que la discusión se ha terminado. Hemos llegado a una conclusión: el naturalismo ha ganado.

Si vas al departamento de física de cualquier universidad y escuchas sus charlas o lees sus documentos, o a cualquier departamento de biología o neurociencia, cualquier departamento de filosofía, personas cuyo trabajo consiste en explicar el mundo y proponer marcos conceptuales que concuerden con lo que ven, nadie menciona a Dios.

La gente cuyo trabajo es explicar lo que ocurre en el mundo nunca recurre al reino sobrenatural. Todos saben que las explicaciones naturalistas son las que funcionan.

Y aun así, aquí estamos. Teniendo este debate. ¿Por qué lo estamos teniendo? Porque, sin duda, la religión les habla a las personas por otros motivos distintos al de explicar lo que ocurre en el mundo.

La mayor parte de la gente se vuelve religiosa no porque la religión ofrezca la mejor teoría cosmológica o biológica, sino porque les proporciona propósito y sentido a sus vidas, un sentido del bien y el mal, una comunidad, una esperanza.

Así que, si uno quiere decir que la ciencia ha refutado la religión, necesita que la ciencia hable sobre eso.

Y sobre eso tengo buenas y malas noticias. La mala noticia es que al universo no le importas en absoluto. El universo esta hecho de partículas elementales que no tienen inteligencia, no juzgan, no tienen sentido del bien y del mal.

Y el miedo, la ansiedad existencial, es que si el propósito y el sentido no nos vienen dados por el universo, entonces no pueden existir.

La buena noticia es que ese miedo es un error. Existe otra opción: que nosotros le damos un propósito y sentido en el mundo. Si quieres a alguien, no es porque ese amor haya sido puesto en ti por algo externo, sino porque lo has creado dentro de ti. Si te portas bien con alguien, no se debe a instrucciones recibidas, sino a la opción que has escogido.

Este es un mundo siniestro. Uno debería sentirse profundamente afectado al pensar que al universo no le importa, que no le juzga. Pero también es liberador el reto de crear vidas que merezcan ser vividas.

Nunca he conocido a Dios. Nunca he conocido ningún espíritu o ángel. Pero he conocido humanos, muchos de ellos gente maravillosa. Y de verdad creo que si aceptamos el universo por lo que es, si abordamos la realidad con la mente y el corazón abiertos, entonces podemos crear vidas que merezca mucho la pena vivir.

Fuentes:

The Meaning of Life | Preposterous Universe (el blog de Sean Carroll)

The Case for Naturalism | Preposterous Universe

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17 julio 2015

Sean Carroll: Yoichiro Nambu (1921-2015)

[Sean Carroll, físico teórico en Caltech y autor de Desde la eternidad hasta hoy: En busca de la teoría definitiva del tiempo y La partícula al final del universo, sobre la búsqueda del bosón de Higgs, despide así en su blog a Yoichiro Nambu, uno de sus ídolos, fallecido recientemente.]

Ayer recibí la triste noticia de que Yoichiro Nambu había muerto. Tenía 94 años, por lo que su fallecimiento se produjo tras una vida larga y plena.

Nambu fue uno de los más grandes físicos teóricos del siglo XX, aunque nunca fue muy conocido entre el público. Entre sus contribuciones:

Ser el primero en comprender realmente la ruptura espontánea de simetría en teoría cuántica de campos, trabajo por el que recibió (con mucho retraso) el premio Nobel en 2008.
Sugerir que podían existir quarks de tres colores, y que esos colores podrían ser las cargas de una simetría de gauge SU(3) que daría lugar a partículas portadoras de carga llamadas gluones.
Proponer la primera teoría de cuerdas relativista, basada en lo que ahora se conoce como acción de Nambu-Goto.

No está nada mal.

Pero a pesar de sus extraordinarios logros, Nambu era un hombre discreto y educado, incluso podría decirse que «tímido». Era uno de esos físicos de pocas palabras, y al que a menudo costaba esfuerzo entender cuando hablaba, pero si uno hacía el esfuerzo de seguir sus razonamientos siempre obtenía recompensa. A uno de sus colegas en la Univesidad de Chicago, Bruce Winstein, le fascinaba saber que Nambu en el fondo era un experimentalista: al parecer, en su casa tenía un pequeño laboratorio, donde se tomaba un respiro de la resolución de ecuaciones jugueteando con dispositivos electrónicos.

Todo joven científico o científica debería leer este perfil de Nambu escrito por su antiguo alumno Madhusree Mukerjee. En él, Nambu recuerda su llegada a Estados Unidos por primera vez desde Japón, como investigador postdoctoral en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton. «Todo el mundo parecía más inteligente que yo —recordaba Nambu—. Era incapaz de conseguir mis objetivos y tuve una crisis nerviosa.»

Si Yoichirio Nambu tuvo una crisis nerviosa porque no se sentía lo suficientemente inteligente, ¿qué esperanza nos queda al resto?

A continuación, copio aquí unos pocos párrafos que escribí sobre Nambu y la ruptura espontánea de simetría en La partícula al final del universo:

[A]ún quedaba un rompecabezas por resolver: ¿Cómo reconciliamos la idea de que los fotones poseen masa en el interior de un superconductor con la convicción de que la simetría fundamental del electromagnetismo obliga a que el fotón carezca de ella?

Varias personas abordaron este problema, entre los cuales estaban el físico estadounidense Philip Anderson, el físico soviético Nikolay Bogolyubov, y el físico japonés-estadounidense Yoichiro Nambu. Resultó que la clave radicaba en que la simetría existía realmente, pero estaba oculta por un campo que tomaba un valor no nulo en el superconductor. En la jerga propia de este fenómeno, decimos que la simetría «se rompe espontáneamente»: La simetría está en las ecuaciones básicas, pero la solución concreta de dichas ecuaciones que nos interesa no tiene un aspecto muy simétrico.

Yoichiro Nambu, a pesar de obtener el premio Nobel en 2008 y de hacer recibido muchos otros reconocimientos a lo largo de los años, sigue siendo relativamente desconocido fuera de la física. Es una lástima, porque sus contribuciones son comparables a las de colegas más famosos. No solo fue uno de los primeros en comprender la ruptura espontánea de simetría en la física de partículas, sino que también fue el primero en proponer que los quarks poseen color, en sugerir la existencia de los gluones y en señalar que ciertas propiedades de las partículas se podían explicar si imaginábamos que las partículas eran en realidad diminutas cuerdas, punto de partida de la teoría de cuerdas. Los físicos teóricos admiran los logros de Nambu, pero su tendencia natural es a rehuir los focos.

El despacho de Nambu estaba frente al mío cuando yo daba clase en la Universidad de Chicago. No interactuamos mucho, pero cuando lo hicimos fue en todo momento gentil y educado. Nuestro encuentro más importante se produjo cuando llamó a mi puerta esperando que pudiese ayudarle con el sistema de correo electrónico de los ordenadores del grupo de los teóricos, que tenía tendencia a tomarse un respiro en el momento menos esperado. No fui de mucha ayuda, pero se lo tomó con filosofía. Peter Freund, otro teórico en Chicago, describe a Nambu como un «mago»: «De pronto, saca toda una serie de conejos de su chistera y, antes de que te quieras dar cuenta, los conejos se reordenan en una formación completamente novedosa, y por Dios que se mantienen en un equilibrio imposible sobre sus colas de peluche». Sin embargo, su exquisito sentido de la etiqueta le abandonó cuando fue nombrado brevemente director del departamento: como era reacio a responder explícitamente con una «no» ante cualquier pregunta, indicaba su desaprobación mediante una pausa antes de contestar que «sí». Lo cual causó cierta consternación entre sus colegas cuando se dieron cuenta de que sus solicitudes en realidad no habían sido aceptadas.

Después de que se propusiese la teoría BCS, Nambu comenzó a estudiar el fenómeno desde el punto de vista de un físico de partículas. Destacó la importancia fundamental de la ruptura espontánea de simetría y empezó a plantearse si habría manera de amplicar su ámbito de aplicación. Uno de los logros de Nambu consistió en demostrar (en parte con la colaboración del físico italiano Giovanni Jona-Lasinio) cómo podría producirse la ruptura espontánea de simetría incluso fuera de un superconductor. Podría ocurrir en el espacio vacío, en presencia de un campo de valor no nulo (un claro precursor del campo de Higgs). Cabe notar que su teoría también demostraba cómo un campo fermiónico que inicialmente careciese de masa podía adquirirla mediante el proceso de ruptura de simetría.

Por brillante que fuera, había que pagar un precio por la propuesta de ruptura espontánea de simetría de Nambu. Sus modelos, al tiempo que les proporcionaban masa a los fermiones, predecían una nueva partícula bosónica sin masa (precisamente lo que los físicos de partículas estaban tratando de evitar, puesto que no observaban que las fuerzas fundamentales produjesen tal partícula). No eran bosones de gauge, ya que Nambu estaba planteando la ruptura espontánea de simetrías globales, no locales. Se trataba de un nuevo tipo de partícula sin masa. Al poco tiempo, el físico escocés Jeffrey Goldstone alegó que esto no era simplemente un incordio: La ruptura espontánea de una simetría global siempre da lugar a partículas sin masa, conocidas ahora como «bosones de Nambu-Goldstone». El físico paquistaní Abdus Salam y el estadounidense Steven Weinberg colaboraron más tarde con Goldstone para elevar este argumento a lo que parecía ser una demostración concluyente, denominada actualmente «teorema de Goldstone».

Una de las cuestiones a las que debe dar respuesta cualquier teoría de ruptura de simetría es: ¿cuál es el campo que rompe la simetría? En un superconductor, esta es la función que desempeñan los pares de Cooper, estados compuestos de los electrones. En el modelo de Nambu-Jona Lasinio, se produce un efecto similar gracias a los nucleones compuestos. Sin embargo, a partir del artículo de Goldstone de 1961, los físicos se fueron haciendo a la idea de postular la existencia de un conjunto de nuevos campos bosónicos fundamentales cuya función consistiría en romper simetrías al tomar un valor no nulo en el espacio vacío. Este tipo de campos se llaman «escalares», lo cual es una manera de decir que no poseen espín intrínseco. Los campos de gauge que transmiten las fuerzas, aunque son también bosónicos, poseen espín 1, a excepción del gravitón, cuyo espín es 2.

Si la simetría no se rompiese, todos los campos del modelo de Goldstone se comportarían exactamente de la misma manera, como bosones escalares con masa, debido a los requisitos que impone la simetría. Una vez que esta se ha roto, se establecen diferencias entre los campos. En el caso de una simetría global (una única transformación en todo el espacio), que es el que Goldstone trató, uno de los campos sigue poseyendo masa, mientras que el resto pasa a convertirse en bosones de Nambu-Goldstone sin masa. Este es el teorema de Goldstone.

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