miércoles, febrero 15, 2012

La hipótesis del multiverso... y algunas otras

Multiverse. Fuente: Elpais.com
Manuel David Morales

Siguiendo con nuestra serie de artículos dedicados al fine-tuning1, es el turno dar un vistazo a una de las explicaciones en competencia que ha alcanzado mayor popularidad en la física especulativa y divulgación científica: el multiverso. Nombre sugerente que no pasa desapercibido, ya que ha inspirado a muchas mentes creativas en el terreno de la ciencia ficción, tanto en la literatura como en la pantalla. Por lo pronto, y dejando de lado su impacto en la cultura pop, quisiera adentrarme de manera general en su trasfondo teórico y analizar algunas de sus implicaciones para la ciencia y la teología. Para esto, esencialmente me enfocaré el problemas de las condiciones iniciales del big bang, ya que representa una de las principales motivaciones para su introducción en el terreno de la física cosmológica.

Una de las características esenciales de las ciencias físicas, es que para estudiar la dinámica de un determinado sistema, se recurre generalmente a dos ingredientes básicos: i) un conjunto de ecuaciones diferenciales que dan cuenta de la evolución del sistema y las constricciones que debe satisfacer a todo tiempo, y ii) una serie de condiciones de contorno que denotan los estados inicial y final del sistema. Particularizando al caso de la cosmología, se tiene que la descripción matemática asociada a la evolución de nuestro universo, desde el instante posterior a la era de Planck2 hasta nuestros días, está descrita esencialmente por las ecuaciones de Einstein. Y de manera adicional, se consideran las condiciones iniciales asociadas al parámetro de Hubble, relacionado con el corrimiento al rojo de las galaxias, y la densidad media del universo, que da cuenta de la materia presente en el universo; ambas cantidades evaluadas al tiempo initial3 $t=t_0$. Hasta ahora, todo pareciera encajar muy bien en su sitio. Sin embargo, cuando lo analizamos con mas detenimiento surge la pregunta: ¿Cómo es que los parámetros de Hubble, la densidad media del universo y las mismas ecuaciones de Einstein se configuran al tiempo $t=t_0$, tal que produzcan un universo tan fructífero para la vida como el nuestro? Esta interrogante es la que da origen al problema de las condiciones iniciales del big bang, ya que dichas variables tuvieron que estar muy ajustadas para permitir que nuestro universo evolucionara a tal punto de que los seres humanos estemos aquí preguntándonos acerca de esto.

El problema de las condiciones iniciales por lo general resulta ser algo muy perturbador y hasta cierto sentido incómodo para los cosmólogos, y la razón de esto es que constituye un terreno muy resbaladizo para la física. Es muy poco probable que alguna vez lleguemos a conocer en términos científicos y de manera completa, por qué ciertos valores y estructuras fundamentales son como son y no de otra forma. De hecho, esto también explica por qué esta interrogante se mueve constamente entre los terrenos de la física, filosofía y la teología. Por otro lado, cuando consideramos que el espíritu de la investigación científica es la búsqueda de explicaciones en función de leyes naturales, dicho problema resulta ser algo diferente, ya que prácticamente en todos los sistemas físicos, desde los terrenos clásicos como el de la mecánica newtoniana, hasta los modernos como la teoría del caos, las condiciones iniciales representan mas bien estados físicos previamente “elegidos”. En la práctica experimental, el observador mismo es quien elige las condiciones iniciales a conveniencia, con el fin de observar determinados comportamientos. Sin embargo, cuando ya hablamos del universo observable como un todo, originado a partir de un único evento pasado, se hace muy evidente nuestra limitación metodológica.

Los cosmólogos, al estar muy conscientes de la enorme dificultad antes mencionada, han optado desde hace algunas décadas por buscar formulaciones que prescindan, en mayor o menor medida, de las condiciones iniciales del universo. Una de las mas importantes, desarrollada por el cosmólogo estadounidense Alan Guth, es la llamada inflación cósmica4. Dicho modelo establece que para explicar satisfactoriamente la estructura actual de nuestro universo, éste debió haber experimentado grandes velocidades de expansión en sus primeros $10^{-32}$ segundos. El mecanismo físico detrás del fenómeno de inflación es algo que aun no se tiene claro, no obstante, en una primera aproximación descansa en la expectativa de que exista algún tipo de materia con presión y tensión negativas; lo que físicamente se traduciría en un efecto de repulsión, y no la tradicional atracción como estamos acostumbrados en nuestra experiencia cotidiana. Y en principio, este tipo de materia estaría asociada a una partícula elemental que se le ha denominado inflatón.

Aun cuando el modelo inflacionario de Guth ha demostrado ser fructífero en el terreno científico, debemos tener muy en mente que no resuelve la interrogante metafísica asociada al ajuste fino del universo, ni mucho menos descarta el diseño como explicación de por qué la naturaleza es como es. La razón de esto, es que la inflación ¡también necesita estar ajustada para permitir el desarrollo de la vida! Tal como lo ha señalado el físico británico John D. Barrow, siempre se pueden elegir perversamente ciertas condiciones iniciales tales que no serán suficientemente mitigadas por un período de inflación preespecificado5. Por supuesto, aquí se podría argumentar que escogiendo libremente un período de inflación, efectivamente sería posible reproducir, con independencia de las condiciones iniciales, un universo como el nuestro. No obstante, esto es algo que en la práctica resultaría problemático desde el punto de vista epistemologico. Elegir el período de inflación, en realidad significa cambiar nuestras constantes y leyes de la física; algo que aparte de no tener un significado físico claro, nos llevaría al desafortunado terreno de las hipótesis ad hoc6.

Una segunda alternativa algo más radical, y que por el momento constituye una propuesta especulativa que podría carecer de significado físico, es la condición de “no contorno”, desarrollada por los físicos James Hartle y Stephen Hawking7. Haciendo uso de algunas nociones provenientes de la física cuántica, dicha condición reemplaza el estado inicial del big bang, asociado a una singularidad espacio-temporal, por una hipersuperficie finita, suave y sin contornos. El ejemplo geométrico típicamente utilizado para bosquejarla, es el tradicional cono de luz en 3 dimensiones, pero con una pequeña superficie “hemisférica” en lugar de su vértice puntual. Lo realmente curioso de esta formulación, es que al aplicarla a nuestro universo observable, se debe cumplir que una hipersuperficie 3-dimensional debe ser frontera de un hiperespacio 4-dimensional y no de un espacio-tiempo de 3+1 dimensiones. Dicho de otra manera, en las cercanías de la hipersuperficie de contorno, donde los efectos cuánticos se vuelven importantes, nuestro tiempo convencional pasaría a convertirse en un “tiempo imaginario”, comportándose como otra dimensional espacial adicional.

Hawking popularizó la idea de que si la condición de “no contorno” es correcta, Dios no hubiese tenido libertad para escoger las condiciones iniciales. Y esto, aun cuando en principio haya elegido las leyes de la física que operan en el universo, ya que para el físico británico, el número de teorías unificadas completas que favorecerían la existencia del ser humano es muy pequeño. Dentro de este contexto, es correcto afirmar que de confirmarse la condición de “no contorno” (algo que en lo personal considero muy remoto) terminaría por remover el ajuste fino de las condiciones iniciales tal como lo conocemos. No obstante, no eliminaría la contingencia de la condición misma, ni de las posibles teorías del todo, ya que igualmente estaríamos en presencia de leyes físicas muy bien “pensadas”, para favorecer la existencia del ser humano. De hecho, cuando en esta formulación cuántica se determina probabilísticamente que nuestro universo, en comparación a los muchos otros posibles, corresponde al más probable, la condición de “no contorno” se da por sentada. Esta hipótesis teórica no calcula la probabilidad de que dicha condición exista, en comparación con otras posibles condiciones y/o configuraciones espacio-temporales para el universo en sus orígenes.

Si la condición de “no contorno” nos propone una postura radical, la hipótesis del multiverso constituye una alternativa sumamente extravagante. En general, dicha especulación descansa sobre la idea de que nuestro universo visible representa solo una parte del universo entero. El primero correspondería a la región del universo en donde la luz ha tenido tiempo de llegar a nosotros, y el segundo a una especie de “metauniverso” incluyendo al primero, pero también a todas aquellas regiones innaccesibles a nuestras observaciones. Hasta aquí la idea pareciera ser razonable, ya que incluso podríamos formular una primera versión de multiverso representada simplemente por una extensión espaciotemporal más allá de nuestro límite observacional, en el cual operarían las mismas leyes de la física que conocemos8. Empero, el salto realmente drástico se da cuando en base a esta suposición, en conjunto con algunas consecuencias matemáticas provenientes de teorías físicas especulativas como la “inflación caótica eterna” de Andrei Linde, o ciertas interpretaciones filosóficas de la mecánica cuántica como la de Hugh Everett, se minimiza en gran medida el papel las condiciones iniciales. Así entonces, aun cuando nuestro universo haya evolucionado a partir de condiciones iniciales muy específicas, éstas solo representarían una muy pequeña parte de un gran “metamapa” de infinitas condiciones iniciales, las cuales originarían diferentes universos, descritos por diferentes constantes de la naturaleza. Incluso, podríamos ir mucho más allá y proponer que cada uno de estos universos constituyen “realidades paralelas”, las cuales estarían descritas por estructuras matemáticas, constantes naturales y leyes de la física radicalmente distintas a las nuestras. Dentro de este marco y para profundizar un poco más sobre los diferentes tipos de multiverso que se han propuesto, una de las referencias obligadas es la completa clasificación en niveles desarrollada por el cosmólogo Max Tegmark9.

Es evidente que para quienes prefieren la elegancia del lenguaje de las matemáticas por sobre las tradicionales explicaciones filosóficas, el multiverso representa una opción atractiva. Sin embargo, es paradójico considerar que en muchísimos casos se le prefiere, mas bien por motivaciones metafísicas y hasta ideológicas. Con un vasto multiverso y tan amplia gama de posibilidades, ya no habría razón alguna para impresionarnos por la marcada especificidad de las condiciones iniciales, ni mucho para recurrir a una explicación teísta, ya que era prácticamente seguro que en algún universo en particular aparecería la vida y nosotros mismos. Así entonces, el multiverso haría del nuestro un simple producto de la pura casualidad, un boleto ganador de una gran lotería cósmica.

El multiverso no representa una propuesta teórica claramente delimitada. De hecho, algunas veces se ha apuntado que más que una teoría propiamente tal, es una consecuencia de nuestras teorías científicas actuales10. Esto es acertado... pero también va un poco más allá. Aquí no estamos en presencia de solo una consecuencia científica, sino también de una especulación que potencialmente sobrepasa los límites de la ciencia experimental, para convertirse en una hipótesis metafísica. La mayor dificultad es que aun en el supuesto de que todos estos universos existan, no podríamos detectarlos de manera directa, ya que estarían desconectados causalmente del nuestro. Esta limitación, impuesta por el límite de la velocidad de la luz, implica una completa imposibilidad de enviar señales a los demás universos y viceversa. Ahora bien, aquí se hace necesario mencionar algo importante. Desde hace algún tiempo que se han venido proponiendo en el ámbito científico diferentes pruebas observacionales que en principio demostrarían la existencia del multiverso11. Esto no es del todo acertado. De con confirmarse, y al igual que en otras áreas especulativas, prácticamente todas estas pruebas apuntarían a evidencias indirectas, muy débiles, y que en ciertos casos solo podrían conectarse con algunos tipos de multiversos muy particulares. Resulta poco viable que la radiación de fondo cósmico nos provea una evidencia de multiversos más allá del nivel 1 en la clasificación de Tegmark –que señaláramos más arriba cuando nos referimos a la extensión espaciotemporal de nuestro universo observable–; o que variaciones en las constantes fundamentales constituyan una demostración inequívoca de la existencia del multiverso. Es importante ser cuidadoso a la hora de analizar estas pruebas.

Algunos defensores del multiverso han argumentado que como “ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia”, estaríamos imposibilitados de concluir que el ajuste fino constituye una demostración a favor del diseño divino, ya que podrían existir otros universos después de todo12... ¡y sí! considero que esto es acertado. Pero aquí conviene que al lector no se apresure, ya que también sostengo que esta objeción no representa un problema sustancial para quienes contemplamos en el ajuste fino del universo la obra creadora de Dios. Esta objeción, más que remover el diseño, nos invita a reflexionar sobre dos aspectos muy importantes. Primero, que es prácticamente imposible formular un argumento lógicamente coercitivo a favor del diseño. Más que “demostrar” o proveer evidencia fuera de toda duda, el argumento del fine-tuning debe dirigir sus esfuerzos al análisis y presentación de explicaciones. Y segundo, que tanto la hipótesis del multiverso como la explicación teísta se encuentran a un mismo nivel epistemológico, ambas constituyen visiones metafísicas de la realidad, que trascienden el terreno de lo puramente empírico. Así entonces, elegir entre una alternativa u otra, al final dependerá de criterios y consideraciones filosóficas que por lo general no siempre serán aceptadas por todos.

A pesar de que la objeción anterior es muy legítima, sería una falacia tomarla como base para el cálculo de “probabilidades fantasmas”, dando por sentada la existencia del multiverso. Para calcular la probabilidad de que nuestro universo se origine entre muchos otros, se necesita tener evidencia positiva de la existencia de esos otros universos... y bueno, esto es algo que claramente no tenemos. Si una bola de ruleta cayera 100 veces consecutivas en el número 27, tendríamos razones suficientes para pensar que el aparato ha sido modificado, a menos que sepamos de antemamo que se están jugando al mismo tiempo miles y miles partidas de ruleta. Además, dentro de este marco probabilístico resulta muy curioso notar que el multiverso a la larga nos llevaría a una filosofía del tipo “todo lo que puede suceder, sucederá”, la cual tendría efectos devastadores para la investigación científica. Un argumento de este tipo ya no solo se utilizaría a favor de megacasinos que alteran sus ruletas, sino que también para volver redundante cualquier fenómeno natural que se pretenda explicar en términos de causa y efecto. Ya no habría necesidad de describir las perturbaciones microscópicas de un gas, el comportamiento de una estrella de neutrones o los intrincados procesos del cerebro humano... ¡vivimos en el multiverso! ante una vastedad tan grande de posibilidades, cualquier cosa puede ocurrir.

¿Que sucedería si se confirmara la existencia del multiverso? Esto es muy interesante, ya que incluso en este escenario no se lograrían eliminar todas las condiciones iniciales del big bang, que escogemos libremente para producir nuestro universo. Tal como lo ha señalado el astrofísico y teólogo Rodney Holder, para obtener un multiverso infinito se requeriría que la densidad media del universo estuviera globalmente por debajo del valor crítico, algo que en la práctica no tendría por que ser así. De hecho, todo indica que medir este parámetro para el caso de un multiverso, estaría completamente fuera de nuestras posibilidades, tanto en principio como en la práctica.13. La densidad media del universo constituye un parámetro muy finamente ajustado, ya que en el comienzo y para producir un universo fructífero como el nuestro, debió haber sido muy cercano al valor crítico –este último da cuenta del valor límite entre un universo en expansión eterna y uno que eventualmente se vuelva a contraer–

¿Y qué sucedería si el multiverso en su versión más general –nivel 4 en la clasificación de Tegmark–, fuera correcto y además removiera toda especificidad presente en las condiciones iniciales del big bang, las constantes de la naturaleza y las leyes de la física? Aquí debemos ser honestos y responder que las probabilidades a favor del fine-tuning claramente se reducirían. No obstante, debemos tener presente dos cuestiones importantes. Primero, que en este escenario es difícil visualizar en la práctica como un cambio numérico en las probabilidades, como por ejemplo de $1 / 10^{23}$ a $1 / 10^{13}$, afectaría nuestra argumentación filosófica. Y segundo, que ni el más general multiverso podrá remover su propia contingencia, ya que podría existir o no existir después de todo. Con un multiverso igualmente podríamos preguntarnos ¿por qué existe existe el multiverso? o ¿cual es su fuente de inteligibilidad?, ya que si Dios existe en un universo, también existe en los demás. Tal como ha argumentado el físico canadiense Don N. Page14 y la filósofa estadounidense Nancey Murphy15, el multiverso en realidad no está en conflicto con la teología cristiana, ya que de existir incluso podría estar mucho más acorde con nuestras nociones de poder y creatividad divina.

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  1. Artículos anteriores de esta serie: MORALES, Manuel David. ¿Qué es el “ajuste fino” del universo? [en línea] Revista RYPC. 20 de enero 2011 <http://www.revista-rypc.org/2011/01/que-es-el-ajuste-fino-del-universo.html> y MORALES, Manuel David. La “Teoría del Todo” o sobre cómo construir panaceas científicas. [en línea] Revista RYPC. 19 de octubre 2011 <http://www.revista-rypc.org/2011/10/la-teoria-del-todo-o-sobre-como.html>
  2. La era de Planck abarca los primeros $10^{-43}$ segundos de nuestro universo y en donde las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza se encontraban unificadas. Explicar este breve período de tiempo constituye uno de los desafíos más importantes de la física contemporánea.
  3. El tiempo $t=t_0$ corresponde justo al instante inicial en que las ecuaciones de Einstein para la gravedad y dentro del contexto del modelo cosmológico estándar, comienzan a ser válidas.
  4. GUTH, Alan H. Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D 23 (2): 347–356, 1980
  5. BARROW, John D. Teorías del Todo: Hacia una explicación fundamental del Universo. España, Editorial Crítica, 2004.
  6. Hipótesis que son introducidas para replanter, reformular, o en el mejor de los casos refinar una determinada teoría, pero sin proporcionan nuevas predicciones. En las ciencias se prefiere evitarlas, ya que solo se conectan con los hechos experimentales a posteriori.
  7. HARTLE, James y HAWKING, Stephen. Wave function of the Universe. Physical Review D 28 (12): 2960, 1983.
  8. Este tipo de multiverso, al estar compuesto por universos descritos por las mismas leyes físicas que operan en el nuestro, no afectaría de manera sustancial las probabilidades a favor del ajuste fino, ya que estaríamos hablando de las mismas condiciones iniciales y constantes de la naturaleza.
  9. TEGMARK, Max. Parallel Universes. [en línea] <http://arxiv.org/abs/astro-ph/0302131v1> [consulta: 14 febrero 2012]
  10. BARRAU, Aurélien. La idea de múltiples universos es más que una fantástica invención. [en línea] Tendencias 21. 8 de diciembre 2007 <http://www.tendencias21.net/La-idea-de-multiples-universos-es-mas-que-una-fantastica-invencion_a1955.html> [consulta: 10 febrero 2012]
  11. Algunos de los tests que se han propuesto son los siguientes: i) vestigios de choques entre universos “burbujas” en la radiación de fondo de microondas, ii) variaciones en las constantes fundamentales y iii) medición de la forma y topología del universo observable. Es posible encontrar más detalles en ELLIS, George F.R. Does the multiverse really exist? Scientific American. 19 de julio 2011 <http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=does-the-multiverse-really-exist> [consulta: 12 febrero 2012]
  12. DRANGE, Theodore M. The Fine-Tuning Argument Revisited. Philo 2000 (Vol. 3, No. 2), pp. 38-49.
  13. HOLDER, Rodney. Faraday Paper No. 10: Is the Universe Designed? [en línea] <http://graphite.st-edmunds.cam.ac.uk/faraday/resources/Faraday Papers/Faraday Paper 10 Holder_EN.pdf> Abril de 2007 [consulta: 11 febrero 2012]
  14. PAGE, Don N. Does God So Love the Multiverse? [en línea] <http://arxiv.org/abs/0801.0246> [consulta: 15 febrero 2012]
  15. MURPHY, Nancy. Nature’s God: An Interview with Nancey Murphy. [en línea] <http://www.religion-online.org/showarticle.asp?title=3310> [consulta: 15 febrero 2012]

 
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