¿Por qué las leyes de la física en realidad no existen?

¿Por qué las leyes de la física en realidad no existen?

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¿Por qué las leyes de la física en realidad no existen?

Lo que llamamos leyes de la física a menudo son solo descripciones matemáticas de alguna parte de la naturaleza. Las leyes físicas definitivas probablemente no existen y la física es mucho mejor por ello, dice el físico teórico Sankar Das Sarma.

Túnel cuántico

Las leyes de la física pueden no ser lo que parecen

Yuichiro Chino/Getty Images

Hace poco estaba leyendo un artículo antiguo del teórico de cuerdas Robbert Dijkgraaf en Quanta Magazine titulado » No hay leyes de la física «. Puede que le parezca un poco extraño que un físico argumente que no existen leyes de la física, pero estoy de acuerdo con él. De hecho, no solo estoy de acuerdo con él, creo que mi campo es mucho mejor por eso. Y espero convencerte de esto también.

Lo primero es lo primero. Lo que a menudo llamamos leyes de la física son en realidad solo teorías matemáticas consistentes que parecen coincidir con algunas partes de la naturaleza. Esto es tan cierto para las leyes del movimiento de Newton como para las teorías de la relatividad de Einstein , las ecuaciones de Schrödinger y Dirac en física cuántica o incluso la teoría de cuerdas . Entonces, estas no son realmente leyes como tales, sino formas precisas y consistentes de describir la realidad que vemos. Esto debería ser obvio por el hecho de que estas leyes no son estáticas; evolucionan a medida que mejora nuestro conocimiento empírico del universo.

Aquí está la cosa. A pesar de que muchos científicos ven su papel como el descubrimiento de estas leyes fundamentales, simplemente no creo que existan.

Hace cien años, una opinión como esta no habría sido controvertida. Antes de eso, la mayoría de las llamadas leyes de la física estaban directamente conectadas con aspectos concretos del mundo natural, como la ley de Hooke que describe cuánta fuerza se necesita para estirar un resorte o la ley de Boyle sobre la relación entre la presión, la temperatura y el volumen de un gas Pero esto comenzó a cambiar a principios del siglo XX, cuando personas como Albert Einstein emprendieron la búsqueda de la teoría definitiva de todo . Pasó los últimos 30 años de su vida buscando uno sin éxito. Dirac también creía en este punto de vista, habiendo dicho aparentemente que toda la química puede derivarse simplemente de su ecuación, aunque creo que ese comentario en particular es probablemente apócrifo.

Hay alrededor de 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano . Esto es menos que la cantidad de estrellas en la Vía Láctea , que es solo una parte minúscula del universo conocido. El universo parece casi infinito en comparación con la capacidad finita del cerebro humano, lo que nos deja quizás pocas posibilidades de descifrar las leyes fundamentales. Lo sorprendente es que podemos dar sentido a algunos aspectos del universo a través de las leyes de la física. Pudo haber sido Richard Feynman quien dijo por primera vez que el problema no es cuán inteligentes somos los humanos para descubrir cómo funciona la naturaleza, ¡sino cuán inteligente es la naturaleza para seguir nuestras leyes!

A medida que descubrimos más sobre la naturaleza, podemos perfeccionar nuestras descripciones de ella, pero es interminable, como pelar una cebolla infinita, cuanto más pelamos, más hay para pelar.

Tomemos como ejemplo la teoría de cuerdas. Es una teoría matemáticamente muy estricta y bastante mágica en la forma en que trata la gravedad y la mecánica cuántica de manera equivalente, coincidiendo con muchas de nuestras observaciones del universo. Es muy prometedor, pero hasta ahora ha tenido problemas para proporcionar predicciones concretas comprobables más allá de nuestra comprensión actual.

También tiene un escollo bastante espinoso conocido como el problema del paisaje, donde literalmente trillones de universos (alrededor de 10 500 , el número es tan grande que parece obsceno) son soluciones aceptables de la teoría. Si la teoría de cuerdas es correcta, uno puede declarar la victoria, ya que uno de esos trillones de universos debe ser nuestro universo, y todo lo que uno necesita hacer es encontrar de alguna manera esa solución particular para descubrir cuáles son las leyes de la física para nosotros. Por supuesto, esta es una tarea imposible debido a la cantidad excepcionalmente grande de universos posibles que existen en el paisaje, y todos con sus propias leyes distintas.

Este escenario a menudo se llama el multiverso . Todas las leyes posibles, concebibles e inconcebibles, están permitidas en algún universo posible, y las leyes de la física ya no son significativas o únicas desde un sentido fundamental, ya que dependen completamente de dónde se mire en el paisaje del multiverso. Es irónico que la teoría del todo resulte implicar un todo que es exponencialmente más grande que cualquier todo que cualquiera pudiera haber imaginado antes.

Una posible conclusión de esto es que el enfoque reduccionista convencional de la física de partículas, donde las leyes naturales se enfocan cada vez más en bloques de construcción cada vez más pequeños (como moléculas, átomos y partículas) y fuerzas fundamentales (como la gravedad y el electromagnetismo) que actúan entre ellos, no es deja de ser una forma fructífera de ver el mundo físico. No hay bloques de construcción fundamentales ni fuerzas fundamentales y, como tal, no hay leyes porque pensar rigurosamente en las leyes reduccionistas últimas ha llevado a la posible existencia de 10 500  universos, con solo uno de ellos quizás obedeciendo las leyes necesarias para acomodar a Homo sapiens _

Lo único que nos queda es el paisaje, donde las “leyes” dependen del universo específico con el que se está tratando. Esto es tan alucinantemente complejo que toda la idea de las leyes naturales debe modificarse. Es un final aparentemente extraño para un viaje valioso que comenzó con los átomos como hipotéticos constituyentes indivisibles de la materia hace 2500 años y fue testigo de un gran triunfo reciente con el descubrimiento experimental de la partícula de Higgs en 2012 . Al final, nuestras leyes físicas no son intrínsecas en absoluto, dependiendo completamente de en qué parte del paisaje nos encontremos.

Como físico teórico de la materia condensada, no encuentro este escenario desalentador en absoluto, sino todo lo contrario. El hecho de que haya un número esencialmente infinito de leyes posibles solo hace que hacer ciencia sea más emocionante porque explorar el paisaje seguirá siendo una actividad activa y creativa para siempre. La física teórica nunca puede terminar porque el paisaje es simplemente demasiado vasto.

Sé por mis 40 años de experiencia trabajando en fenómenos físicos de la vida real que toda la idea de una ley última basada en una ecuación usando solo los bloques de construcción y las fuerzas fundamentales es inviable y esencialmente una fantasía. Nunca sabemos con precisión qué ecuación describe una situación particular de laboratorio. En cambio, siempre tenemos que construir modelos y aproximaciones para describir cada fenómeno, incluso cuando sabemos que la ecuación que lo controla es, en última instancia, alguna forma de la ecuación de Schrödinger .

«¿Qué pasa con la mecánica cuántica?» podrías preguntar. Ha tenido un gran éxito durante casi 100 años al igualar todos nuestros experimentos a escala cuántica. Pero la mecánica cuántica en realidad es más como un conjunto de reglas que usamos para expresar nuestras leyes en lugar de ser una ley última en sí misma. Por ejemplo, el modelo estándar de la física de partículas, la teoría de la superconductividad y la teoría de los espectros atómicos se construyen utilizando las reglas de la mecánica cuántica, pero tienen poco que ver entre sí. Además, el espacio y el tiempo son variables que hay que introducir a mano en la teoría, cuando el espacio y el tiempo deberían salir de forma natural de cualquier ley última de la física. Este sigue siendo quizás el mayor misterio de la física fundamental sin solución a la vista.

Es difícil imaginar que dentro de mil años los físicos seguirán utilizando la mecánica cuántica como la descripción fundamental de la naturaleza. Algo más debería reemplazar a la mecánica cuántica en ese momento, al igual que la mecánica cuántica misma reemplazó a la mecánica newtoniana. No tengo idea de qué podría ser ese algo más, pero no veo ninguna razón en particular por la que nuestra descripción de cómo parece funcionar el universo físico deba alcanzar el pináculo repentinamente a principios del siglo XXI y quedar estancada para siempre en la mecánica cuántica. ¡Ese sería un pensamiento verdaderamente deprimente!

Las leyes de Newton tuvieron un éxito extraordinario durante 300 años, pero tuvimos que ir más allá de ellas a medida que aprendimos más sobre el universo, y lo mismo debería suceder con las leyes cuánticas algún día en el futuro.

Cualquier nueva teoría desconocida del futuro debe basarse en la física de la mecánica cuántica e incorporarla, al igual que la mecánica cuántica se basó en la mecánica clásica y la incorporó. Nuestra comprensión del mundo físico debe continuar indefinidamente, sin impedimentos por la búsqueda de leyes últimas. Las leyes de la física evolucionan continuamente, nunca serán definitivas.

 

Sankar Das Sarma es un físico teórico de la Universidad de Maryland, College Park. Sus intereses son diversos, desde las extrañas propiedades de la materia hasta cómo debe entenderse la información en el ámbito cuántico . 

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