¿Cómo hacer ciencia? Cosmología, Teoría de

supercuerdas y el criterio de falsabilidad de Popper

Dr. Ramón López Alemán

Departamento de Ciencias Físicas

El Paradigma Newtoniano en las ciencias

• El éxito del paradigma Newtoniano inspiró la Revolución científica moderna.

• Las demás ciencias naturales empezaron a moverse a buscar explicaciones “a la Newton” para todos los fenómenos observables.

• Presupuestos filosóficos básicos– Materialismo– Reduccionismo– Empirismo– Determinismo causal

Revoluciones del Siglo XX: Relatividad General y Mecánica Cuántica

• Luego de la influencia de Mach y los éxitos empíricos impresionantes de estas teorías aún vigentes (aunque incompatibles entre sí) se crearon dos corrientes filosóficas opuestas en la física fundamental:– Positivismo lógico – las teorías físicas no reflejan la realidad.

Solo son herramientas computacionales que no deben hablar de entes que no tengan correlatos empíricos.

– Realismo “reducido” – las teorías matemáticas de la física deben buscar una descripción completa y satisfactoria de una realidad externa, pero puede haber un enorme número de teorías equivalentes (difeomórficamente equivalentes).

Reduccionismo y Empirismo en las ciencias humanas y sociales

• En oposición a estas visiones epistemológicas en cuanto a qué se refieren las teorías científicas, en la psicología y sociología modernas hay aún más cuestionamientos serios al empirismo, al rol de las matemáticas y al reduccionismo como herramientas indispensables para crear conocimiento científico válido.

• Varias escuelas de pensamiento en las ciencias sociales creen que los fenómenos de la conciencia y el comportamiento humano no se pueden reducir a interacciones bioquímicas entre neuronas. Según esta visión hay realidades “mentales” que no se pueden capturar con un tratamiento lógico-matemático basado solo en datos empíricos.

Criterio de falsabilidad de Karl Popper

• Este es uno de los criterios más utilizados para distinguir qué es una teoría científica y cual debe ser la meta de la ciencia.

• Una teoría científica será válida y estará “bien formada” SI Y SOLO SI hay una manera de poder demostrar que es falsa.

• La idea es que el método científico funcione como un “detector de mentiras” que solo permita teorías lógicas y plausibles de acuerdo a criterios estrictamente empíricos.

Reduccionismo en la Física: ¿Cuáles son las entidades fundamentales?

• El mundo subatómico de lo material– Teoría de Campos

Cuánticos

• El escenario donde se desenvuelve la realidad– Teoría de Relatividad

General: espacio, tiempo y gravedad

El Modelo Estándar de la Materia

Ver página de web en http://particleadventure.org

Al igual que la materia, las fuerzas o interacciones entre las partículas son a su vez mediadas por “partículas de fuerza”

Postulados filosóficos principales de la Teoría Cuántica

• Cada sistema material se compone de una o más “partículas” de materia

• Cada sistema se puede describir totalmente por una entidad matemática conocida como “función de onda” (vector en un espacio de Hilbert)

• Las cantidades reales de estos sistemas que podemos medir se pueden describir por entidades matemáticas conocidas como “operadores hermíticos”

Partículas, sus propiedades y la realidad probabilística

• Hay propiedades intrínsecas (autovectores) que definen el tipo de una partícula.– Masa, espín, cargas

• Todas las partículas de un mismo tipo son idénticas

• Los posibles resultados de medir otras propiedades dependen de las interacciones con su “ambiente externo”.

• Es imposible conocer la trayectoria exacta de un sistema o cuales serán los resultados exactos de esas medidas.

Principio de Incertidumbre• Principio de incertidumbre de Heisenberg: es imposible imposible

tener valores simultáneos para la posición y el movimiento de una partícula.

• El problema de la medición: Medir las propiedades de una partícula requiere que ésta interactúe con fuerzas provenientes del aparato que mide.

• El acto de medir algo cambia irremediablemente lo que se quiere medir.

• Antes de medir, un sistema cuántico se halla en una superposición de estados con todas las propiedades posibles en ese momento.

¿Existe la materia si nadie la está mirando?

• Un experimento en física fundamental consiste en saber las propiedades de algunas partículas solo al inicio y al final.

• Es imposible saber lo que ocurre entre esos 2 puntos.

• La dualidad onda-partícula y los campos cuánticos.

Interacciones y diagramas de Feynman

• Es posible que aparezcan partículas virtuales de la nada, pues no tener absolutamente nada en un punto violaría el principio de incertidumbre.

• Teoría de perturbaciones: el resultado de una medida se predice incluyendo TODAS las posibilidades en ir del estado inicial al final

El problema de los resultados infinitos: renormalización

• Para poder calcular probabilidades de una medida la teoría asume 2 condiciones fundamentales:– diagramas más complicados son mucho más

improbables y contribuyen menos al resultado final.– Las partículas y las interacciones entre éstas son

puntos geométricos de tamaño infinitesimalmente pequeños.

• Este esquema no va a funcionar jamás si una de las fuerzas es la gravedad.

Gravedad y Relatividad General

• Según Einstein, la gravedad no es una fuerza “material” como las otras.

• La gravedad resulta de “deformar” el espacio y el tiempo en el cual se mueve la materia.

• Se puede tener gravedad en espacios vacíos sin materia pues ella es auto-generable.

• Donde está una partícula y cuándo está ahí son conceptos locales y relativos al observador.

La Mecánica Cuántica y la Relatividad son incompatibles

• Una de las dos (posiblemente ambas) está “incorrecta”.

• Las partículas puntuales, la incertidumbre y los violentos comportamientos a nivel subatómico deformarían el espacio infinitamente.

• La Mecánica Cuántica resuelve para interacciones en un punto y en un tiempo dado en un espaciotiempo plano.

• La Relatividad resuelve para todo el espacio curvo por todo el tiempo dada una distribución continua de materia.

Teoría de supercuerdas

• Supuestos fundamentales:– Solo existen en el universo dos

entidades fundamentales.• Un espacio-tiempo de 10

dimensiones de las cuales solo vemos 3 dimensiones espaciales macroscópicas y 1 de tiempo.

• Un inmenso número de pequeñas cuerdas o “hilitos” que no son puntuales sino líneas unidimensionales (o hasta membranas extendidas).

Materia, energía y fuerzas• Estas supercuerdas respetan una simetría matemática

especial entre bosones y fermiones conocida como super-simetría (SUSY).

• Las supercuerdas son del tamaño fundamental conocido como largo de Planck (10-35 metros).

• Las ecuaciones que gobiernan los modos de vibración de las cuerdas reproducen la distribución de masas, cargas, y espines de las “partículas” y fuerzas del Modelo Estándar.

• Los electrones, quarks, fotones, bosones W y Z, y gluones no son partículas diferentes sino que son todas supercuerdas vibrando a diferentes frecuencias.

• Hay una vibración asociada al gravitón que reproduce una Teoría General de la Relatividad renormalizable.

Problemas de la teoría

• No es única. Hay al menos 5 variedades de teorías de supercuerdas. Hay al menos otras dos teorías alternas de gravedad cuántica.

• Es tan complicada y abstracta que aún ni se saben cual serían las ecuaciones exactas que gobiernen las funciones de onda de las cuerdas.

• Tiene demasiada riqueza predictiva. No solo predice las “partículas” del Modelo Estándar sino que podría tener muchas otras que no se ven, y que por tanto hay que “prohibir” sin ninguna justificación teórica.

• Es imposible realizar experimentos a escala de Planck para verificar consecuencias distintas del Modelo Estándar. La teoría no es falsable empíricamente.

Igual pasa en la cosmología moderna

• La data de supernovas 1A que demuestra una expansión acelerada del universo es incompatible con la Relatividad General si solo existe lo que se puede confirmar empíricamente (¿energía oscura?).

• Es imposible determinar las causas del Big Bang, ni porqué los parámetros que definen la expansión son esos y no otros.

El futuro de las “Teorías de Todo”

• M-Theory: unificando las teorías de supercuerdas

• El Big Bang y los huecos negros: ejemplos de gravedad cuántica

• El principio antrópico: la existencia de organismos vivos y las leyes del universo

¿Y si se lograse una M-Theory consistente lógicamente que incluya

QM y GR?• ¿Podría ser considerada ciencia?• ¿Habría que reevaluar el requisito aparentemente

indispensable de contrastación empírica? (Neoplatonismo como parte de la filosofía científica)

• Insuficiencia de la data empírica a la hora de determinar la “verdad” de una teoría matemática (“Gauge Freedom”)

• ¿Cuánto tiempo debe pasar sin falsificación empírica ninguna para proclamar el terrible y evadido “final de la Física”?