Luis Diego Cascante

La cosmología de S. Hawking

S. Hawking y L. Mlodinow. (2010) El gran diseño. Barcelona: Crítica.

Resumen: Este breve artículo investiga lastesis sustentadas por Hawking en Breve historiadel tiempo y en El gran diseño en torno a la'Teoría del Todo'. Asimismo se aproxima a lasimplicaciones filosóficas.

Palabras clave: Hawking. Breve historia deltiempo. El gran diseño. Filosofía de la física.

Abstract: This short paper investigates thethesis supported by Hawking in A Brief Historyof Time and The Grand Design around theTheory of Everything, It also approaches thephilosophical implications.

Key Words: Hawking. A Brief History ofTime. The Grand Design. Philosophy of physics.

Esta obra se centra en uno de los grandestemas de la cosmología moderna: la búsqueda deuna teoría final para la unificación de las fuer-zas fundamentales (gravedad, electromagnética,nuclear débil -que corresponde a la radioacti-vidad y que actúa sobre todas las partículas deespín ~, pero no sobre las partículas de espín0, 1 ó 2, tales como los fotones y gravitones- ynuclear fuerte -que mantiene a los quarks unidosen el protón y el neutrón, y a los protones y neu-trones juntos en los núcleos de los átomos-, conconsecuencias interesantes para la comprensióndel cosmos y para el papel que juega en él la con-vivencia humana.

Desde que Newton introdujo la matema-tización de la naturaleza surgió el interés por

una "Teoría del Todo" (Theory of Everything),también llamada "Teoría de la Gran Unificación"o "Teoría M" (Mater, Maestra), la cual deberíaofrecemos un cuadro general de todas las leyesde la naturaleza y brindamos una explicaciónúltima del universo. Se sabe que Einstein dedicósus años finales a esta cuestión de manera obsesi-va sin lograr ningún resultado satisfactorio.

Afirman Hawking y Mlodinow (HM, 2010,pp. 15-16):

"Descubriremos cómo la teoría M puedeofrecer respuestas a la pregunta de la crea-ción. Según las predicciones de la teoríaM, nuestro universo fueron creados de lanada. Su creación, sin embargo, no requie-re la intervención de ningún Dios o SerSobrenatural, sino que dicha multitud deuniversos surge naturalmente de la ley física:son una predicción científica. Cada universotiene muchas historias posibles y muchosestados posibles en instantes posteriores, esdecir, en instantes como el actual, transcu-rrido mucho tiempo desde su creación. Lamayoría de tales estados será muy diferentedel universo que observamos y resultaráinadecuada para la existencia de cualquierforma de vida. Sólo unos pocos de ellospermitirían la existencia de criaturas comonosotros."

La Teoría M no es una teoría en el sentidohabitual del término, sino una familia de teoríasdistintas, las cuales ayudan a describir la imagendel universo pero en un cierto dominio de situa-ciones físicas. Previo a la Teoría M, HM -comoes usual en otras obras de Hawking- hacen unrepaso por las imágenes del universo desde la

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antigüedad -mitología vikinga y presocráticos-hasta Descartes, para concluir con el concepto deldeterminismo científico, "que implica la respues-ta a la segunda pregunta (¿por qué existimos?) esque no hay milagros, o excepciones a las leyes dela naturaleza" (p. 42).

Primeramente, ¿qué es la realidad? Estacuestión es resuelta por HM (2010, pp. 51-52):

"No hay imagen -ni teoría- independientedel concepto de realidad. Así, adoptaremosuna perspectiva que denominaremos rea-lismo dependiente del modelo: la idea deque una teoría física o imagen del mundoes un modelo (generalmente de naturalezamatemática) y un conjunto de reglas querelacionan los elementos del modelo con lasobservaciones. Ello proporciona un marcoen el cual interpretar la ciencia moderna."

Según el realismo dependiente del modelo(p. 54), no tiene sentido preguntar si un modelo esreal o no, sino si concuerda o no con las observa-ciones; el uso de modelos (mentales conscientes)científicos o subconscientes (para comprender lacotidianidad) dependen de la conveniencia con lasituación que se esté considerando. Ninguna per-cepción es directa, sino que está mediada por unaespecie de lente, a saber, "la estructura interpre-tativa de nuestros cerebros humanos" (p.55). Estoes, el cerebro construye una imagen o modelomental. (En el realismo dependiente deL modeLo,por ejemplo, los quarks existen "en un modeloque concuerda con nuestras observaciones delcomportamiento de las partículas subnucleares,")Este funcionalismo epistemológico sostiene queun modelo sirve mientras es útil para moverse enla realidad, en el entendido que la ciencia tienediversos modelos para explicar la realidad (comolo son el cuántico y el gravitatorio relativista).

Aplicar el realismo dependiente del modeloa una cuestión como si el cosmos fue creado enun tiempo infinito, qué pasó antes, responde queel tiempo es una propiedad del mundo creadopor Dios y no existía antes de la creación. Estees un posible modelo. También se puede decirque el tiempo empezó hace unos 13.700 millonesde años, en el Big Bang. Hawking y Mlodinowsolamente están diciendo que en su explicación

hipotética del universo, si fuera real, no se tendríanecesidad de recurrir a Dios, porque el universosería un sistema de realidad absoluto y autosufi-ciente, con el que simultáneamente se generaríanun conjunto innumerable de universos.

La satisfactoriedad de un modelo (p. 60) seda si a) "es elegante" (,ley' significa comprimirmuchos casos en una fórmula, tan sencilla comosea posible, pero no más, a decir de Einstein); b)"contiene pocos elementos arbitrarios o ajusta-bles"; e) "concuerda con las observaciones exis-tentes y proporciona una explicación de ellas";d) "realiza predicciones detalladas sobre obser-vaciones futuras que permitían refutar o falsar elmodelo si no son confirmadas".

Dualidades como la onda/partícula son con-sistentes con este realismo, pues dos teoríasdescriben y explican algunas propiedades, perono se puede decir que ninguna de las dos seamejor ni más real que la otra (p. 67). En estavisión, el cosmos no tiene una existencia única ouna historia única, sino que "cada posible versióndel universo existe simultáneamente en lo quedenominamos una superposición cuántica" (p.68). Según la física cuántica, "dado un estadoinicial de un sistema la naturaleza determina suestado futuro mediante un proceso fundamentalincierto" (p. 82). La incertidumbre dice que nadaestá localizado en un punto definido, porque, si lotuviera, la cantidad de movimiento sería infinita,lo cual es imposible. Cada partícula tiene unacierta probabilidad de ser hallada en cualquierlugar del universo, como si tomara a la vez todoslos caminos posibles entre dos puntos.

Con Feynman se dice que "entre el estadoinicial del sistema y nuestras medidas posterioresde sus propiedades, dichas propiedades evolucio-nan de una cierta manera que los físicos denomi-nan la "historia" del sistema" (p. 91). La historiade cada partícula es simplemente su trayectoria.Según HM, la formulación de Feynman de lamecánica cuántica aplicada al universo implicaque el universo -o cualquier partícula- no tieneuna sola historia sino todas las historias posibles(con su propia probabilidad) y que nuestras obser-vaciones de un estado actual afectan su pasado ydeterminan las diferentes historias del universo(pp. 95-96), dado que el tiempo no puede ser

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absoluto, pues cada suceso tiene un tiempo segúncada observador.

De este modo, la Teoría M puede contenercuerdas vibrantes (modo de vibración que tienenlongitud, pero no altura ni anchura -como frag-mentos de cuerda infinitamente finos-), tambiénpartículas puntuales, membranas bidimensiona-les, burbujas tridimensionales y otros objetos"que resultan más difíciles de representar yque ocupan todavía más dimensiones espaciales,hasta nueve. Son llamados p-branas (donde p vadesde O hasta 9)" (p. 135). En virtud de la cur-vatura del espacio interno, la Teoría M permitediferentes universos (multiverso). La Teoría Mpermite hablar de unos 10500 universos, cadauno con sus propias leyes. (Se trata de una formadiferente de expresar la suma de Feynman sobrehistorias.)

Las leyes de la naturaleza pueden ser expli-cadas por la existencia de miles de millones deuniversos. El concepto de multiverso explica elajuste fino de las leyes de la naturaleza (p. 187)sin necesidad de un Creador benévolo.

Balance y perspectivas: Hawkingversus Hawking

A inicios del siglo XX se creía que todo sepodía entender en términos de mecánica con-tinua. Tras los grandes progresos de la física alo largo del siglo pasado se tuvo un prudenteoptimismo para ver una teoría completa, es decir,una que estableciera leyes locales por las que serigieran las diversas cantidades físicas (formu-ladas por medio de ecuaciones diferenciales) y,además, las condiciones que indicaran los límitesy el estado de algunas regiones del universo en unperíodo determinado.

El 29 de abril de 1980 S. Hawking fue nomb-rado profesor Lucasiano de Matemáticas en Cam-bridge. La conferencia de presentación fue "¿Nosencontramos ante el fin de la física teórica?" (Cf.Boslough, 1986, pp. 121-141). Comparemos lastesis de esta Conferencia, las ideas de Historiadel tiempo y el libro que nos ocupa de HM.

Algunos físicos han simplificado las cosasrespecto del origen del universo elevando las

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limitaciones de las condiciones iniciales y losparámetros a la categoría de principio, a saber, elprincipio antrópico, el cual reza que "las cosasson como son porque existimos nosotros". Esteno es el caso de S. Hawking ni antes -cuandopronunció la Conferencia- ni después -en El grandiseño-o

Para explicar las condiciones iniciales deluniverso y los valores de los diversos parámetrosfísicos, se requiere de una teoría unificadora, lacual implica "buscar teorías parciales que per-mitan describir situaciones en las que se puedaneludir o intuir ciertas interacciones de forma sen-cilla". Resulta esencial elaborar una teoría cuán-tica de la gravedad para no recurrir al principioantrópico. En situaciones normales, el principiode incertidumbre permite que la capacidad huma-na de hacer previsiones se vea imposibilitada,aunque puede "apuntar probabilidades de que laspartículas se emitan de determinadas formas". Laconsecuencia inmediata de esto lleva a sostenerque, aunque se encuentre una teoría unificada,solo se podrían hacer predicciones estadísticas.No habría un único universo sino que habríamosde imaginamos todos los universos posibles conalguna distribución de posibilidad.

En este marco conceptual, Hawking apuntóa una teoría bien definida en otro momento: laN=8, cuyas predicciones "en niveles bajos deenergía se corresponden de tal manera con lasobservaciones, que en la actualidad su validezestá plenamente aceptada, pese a que aún no se haalcanzado el nivel de energía en el que se realizóla unificación". La N=8 prosperó porque poseecualidades valiosas: a) tiene 4 dimensiones, b)incorpora la gravedad y e) es finita sin ningunasustracción infinita. [a) y b) obligan a recurrir alprincipio antrópico.] En su Historia del tiempo,Hawking presentó un modelo matemático deluniverso que permitía entender su historia comoun sistema oscilante entre estados de singularidadque derivaron en un big bang en un tiempo enexpansión hasta llegar a estados de colapso gravi-tatorio y cuya línea inversa de tiempo llevaría aun big crunch que generaría otra singularidad yasí eternamente.

A lo largo de las últimas décadas, Hawkingcontinuó tratando de hallar una Teoría del todo.Finalmente, de la mano con Mlodinow, le da la

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bendición a la versión ampliada más recientede la teoría de las supercuerdas. El desposoriode Hawking con la Teoría M tiene el inconve-niente de que la última pertenece a una familiade modelos que contiene una cantidad aplastantede versiones (entrelü'?? y 10500). Aún asumi-endo verificabilidad con los hechos y suponiendomedios técnicos adecuados para comprobarIas,resulta imposible elegir alguno de los modelosrespecto del universo real. Esta teoría pone derelieve su debilidad: la contradicción subyacenteentre las especulaciones teóricas y la corrobo-ración experimental, enfatizando más allá de lodebido la estética formal y la matemática en arasde la verificabilidad explicativa. (La teoría Mno sería ciencia dura.) Aunque sería posible quenuestro universo real sea uno más entre una serieinfinita de universos (multiverso). Teóricamente,la "teoría del rnultiverso" especula asumiendo un"metasistema" que iría generando los infinitosuniversos a partir de las historias alternativas. Sinembargo, no todos los colapsos fruto de la evolu-ción del sistema (del 'meta') son "reales"; uno esreal, el nuestro, los demás son posibles. Además,la infinitud de universos paralelos que no inter-fieren entre sí ni chocan con el universo nuestrosería demasiado para las historias alternativas deFeynman desde su electrodinámica cuántica.

Por otra parte, en la línea del realismodependiente del modelo, es entendible -peroimperdonable- poner los modelos matemáticos enigualdad de condiciones explicativas prescindien-do de los ámbitos experimentales. La equivalen-cia de modelos se puede hacer a nivel matemático(geométrico), pero no es posible a nivel físico(geocentrismoeheliocentrismo). La propuesta deHM renuncia a la búsqueda de la realidad, porquela realidad es irreductiblemente diversa y se debemantener la multiplicidad de teorías explicativasy, por ende, renuncia a la unificación de fuerzasfundamentales. Sin embargo, el mismo Hawkinghabía hablado de esta "posibilidad imposible" en1980, la de negar la tesis "no existe una teoría

definitiva" porque "representa la imagen de unaserie de estructuras a niveles cada vez más altosde energía. Como he dicho antes, esto parecepoco probable, pues cabría esperar un posiblecese en un nivel de energía Planck en 1028 eV".La Teoría M -como un todo- no existe, aunquelas teorías actuales de cuerdas existan (falacia decomposición).

Además, en su momento la Teoría M fuecreada para especular sobre las propiedades deuna materia primordial a partir de la cual sehubiera generado tras el Big Bang tanto el mundocuántico como las interacciones gravitatorias,como describe Einstein en la relatividad. Lonovedoso de HM es defender que nuestro uni-verso es uno más entre innumerables universos.Nuestro universo habría adquirido azarosamenteuna serie de valores que generarían específicasy sorprendentes coincidencias con el principioantrópico -débil- en el marco del modelo cos-mológico estándar. La variedad (10500) de univer-sos haría posible que nuestro universo por azarrespondiera a las propiedades que posee.

Sopesando los miles de millones de años deluniverso, S. Weinberg, en su libro Los tres prim-ero minutos del universo, indica que una pequeñadiferencia (más o menos cantidad) en la masa,en las energías nucleares o en la fuerza gravi-tacional, habría hecho imposible que surgierancuerpos estelares, la vida y los elementos pesadosnecesario para que la hubiera ... El universo nosugiere ningún sentido.

Bibliografía

Boulough, John. (1986) El universo de Stephen Hawk-ing. Barcelona: Salvat Editores, S.A.

Hawking, Stephen. (1988) Historia del tiempo: del bigbang a los agujeros negros. Barcelona: Crítica.

Hawking, S. y Mlodinow, L. (2010) El gran diseño.Barcelona: Crítica.

Weinberg, S. (1999) Los tres primeros minutos deluniverso. Madrid: Alianza Editorial.

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