La madre de todas las revelaciones y la insuficiencia de la ciencia para explicarla.

La ciencia no sirve para explicarlo todo. Incluso lo más obvio de la naturaleza parece escapar de toda "explicación" científica.
Si hacemos el esfuerzo de ahondar un poco en cómo la ciencia explica lo que explica y en lo que no podría explicar aunque quisiera, nos despojaremos de un prejuicio importante sobre lo que nuestro entender puede abarcar. Pretender en particular que la física y sus leyes son suficientes para explicarlo todo, incluso en principio, es como pensar que invocar a un dios todopoderoso lo puede explicar también todo. Uno puede creerlo si quiere, pero no hay evidencia que lo justifique realmente.

Al tratar este tema, para empezar es muy común que se ignoren las limitaciones intrínsecas de nuestro cerebro para destilar las leyes fundamentales, pero ese sutil tema merece su propia reflexión. Por lo pronto permítanme acariciar un aspecto más práctico, acaso más fundamental, de las limitaciones de las leyes físicas para entender fenómenos comunes de nuestro universo.

Tal vez el concepto físico más obvio con el que interactuamos cotidianamente es el tiempo; ese constante parteaguas entre el pasado y el futuro. Hablamos de cómo nos falta o de cómo parece fluir sin darnos oportunidad de detenerlo. Pero rara vez nos detenemos a pensar en por qué tiene esa asimetría que nos deja –o más bien obliga– distinguir el pasado del futuro. En nuestra mente lo pasado es, para bien o para mal, intocable, mientras que el futuro parece ofrecer un infinito de posibilidades. La idea misma de libre albedrío, está arraigada en esta concepción del tiempo.

Para un físico el tiempo es una especie de telón de fondo con sus muy peculiares características. ¿La más intrigante? Justo el que siempre parezca fluir en una dirección. Sin embargo, para un físico y sus leyes, esta característica no es nada natural. Hemos recorrido un buen trecho en el entendimiento tanto en el mundo de lo extremadamente pequeño como en el de lo muy distante en el espacio o en el tiempo. Sin embargo, aún no entendemos por qué es que ninguna de las leyes naturales parece generar esta irreversibilidad tan patente: siempre nacemos antes, crecemos y morimos después, nunca al revés. Los objetos calientes terminan enfriándose si los dejamos solos, nunca al revés. Recordamos el pasado y no el futuro, nunca al revés.

Tanto si se trata de las leyes que gobiernan las moléculas de aire en el cuarto en el que estamos o de las que rigen el movimiento de nuestra galaxia alrededor de otras galaxias, encontramos leyes totalmente reversibles. Si uno pasara una película de las moléculas chocando en el espacio del cuarto o de las estrellas girando en torno a la galaxia, en un sentido o en otro, hacia adelante o hacia atrás, lo que veríamos no le extrañaría a nadie; de hecho no habría manera de saber si dicha película se está pasando en cualquiera de los sentidos. ¿Por qué? Precisamente porque las leyes son reversibles. Las moléculas chocando, igual que las bolas de billar, siguen las mismas leyes al colisionar entre ellas en un sentido o en otro. Un planeta girando alrededor del sol se ve idéntico y sigue las mismas leyes tanto en sentido de las manecillas del reloj como en sentido opuesto.

A un nivel fundamental, se trate de galaxias en grácil danza con otras galaxias, soles explotando o partículas atómicas interactuando, la naturaleza no parece distinguir si el tiempo corre hacia adelante o hacia atrás. Y sin embargo... Sabemos que el universo sí distingue. A otro nivel, cuando vemos fenómenos relativamente complejos, es absolutamente obvio que hay una dirección preferente. Si ahora pasamos una película de un papel quemándose, cualquiera de nosotros puede distinguir si la película está puesta en sentido contrario al que se grabó. Sabemos que la flama consume el papel y no hay vuelta atrás; es imposible reconstruir, de los residuos carbonizados, el papel original. Lo mismo sucede con casi cualquier fenómeno cotidiano: al guisar la comida es imposible recomponer los ingredientes, el café no se pude separar de la leche, no puedo ser jamás más joven, etc. ¿Cómo es que están conectadas las leyes reversibles que usamos para entender la naturaleza con la evidente irreversibilidad de la realidad?

En cierta forma, esta conexión es de lo más natural; dado un estado determinado del universo en cualquier momento y leyes reversibles, es simplemente lo más probable que todo evoluciones hacia una situación de menos orden. Un castillo de arena se deteriora en un montoncito de arena ya que hay incontables maneras de que la arena se encuentre como un montón desordenado; hay por otro lado mucho menos, inimaginablemente menos, maneras de que los granos estén arreglados para que parezcan un bello castillo. 

Así, todo el tiempo estamos viendo que los castillos de arena se convienten en montones amorfos, mientras que nunca nadie ha visto un montón de arena convertirse en un castillo (al menos no sin la intervención de un niño). Entonces, el universo camina hacia lo más probable. De igual manera sucede con un papel quemándose; hay muchas más formas de que las moléculas del papel se descompongan –un claro estado de desorden– desgarren o quemen comparado con el número de arreglos en los que esas moléculas puedan conservar su identidad como papel. El tema es fascinante y si resulta de suficiente interés, está discutido con más detalle en un post anterior en este mismo foro.

El punto importante aquí es que dado un conjunto de leyes naturales y el entendimiento de que es más probable que las cosas vayan de un estado de más orden a menos orden –una consecuencia de las mismas leyes físicas– se explica perfectamente esta flecha o asimetría del tiempo... Salvo por un detalle: Para ir de algo menos desordenado a algo más desordenado, primero se necesita que en el pasado existiera esa condición de menos desorden. 

¿Por qué en el pasado, mi cocina, la tierra, la galaxia y el universo estaban en un estado de menos desorden y entropía? Nadie lo sabe. No es una ley natural. No hemos encontrado nada en este universo, cerca o lejos, que nos haga pensar que tiene una razón de ser. No se deduce de una ley física, ni de la mecánica cuántica ni de la ley relatividad general, nuestros dos bastiones más exitosos para entender la realidad de la naturaleza. Pero sin ese principio, extra a las teorías y leyes físicas, es imposible entender la flecha del tiempo, parte de nuestra experiencia cotidiana. 

Hoy, es tan probable que algún día tengamos una teoría nueva de la cual este principio se desprenda naturalmente, como que jamás sepamos si puede tener explicación científica. Este simple hecho, deducido sobre el universo completo a partir de la observación mundana de la asimetría del tiempo, constituye una de las cosas más importantes que hayamos entendido jamás, el de consecuencias más profundas. Podría decirse que es "la madre de todas las revelaciones"; el pasado es distinto al futuro, nada puede volver a lo que fue, no podremos recordar nunca más que el pasado y el futuro es una carrera de todo el universo hacia el desorden total.

Y no parece hacer sentido ni poder explicarse de ninguna de nuestras leyes científicas.

– o –

El caso de la flecha del tiempo no es el único para el que no se puede plantear una explicación científica. Hay otro tipo de casos en los cuales las leyes por sí mismas no parecen ser suficientes para entender un fenómeno con una perspectiva estrictamente científica. Casos en los que la explicación parece implicar algún tipo de accidente cósmico...

Los núcleos atómicos compuestos de protones y neutrones, son complicados. Una de sus características es que poseen niveles de energía y que nos sirven para describir y predecir sus propiedades. Encontrar la posición de estos niveles de energía es un problema de enorme complejidad pero no hay misterio alguno en el valor que tienen esos niveles en digamos, el núcleo simple del hidrógeno.

Poco después de lo que hoy identificamos como el inicio del universo, casi toda la masa estaba constituida por núcleos de hidrógeno. Al juntarse más y más masa de estos núcleos, finalmente las condiciones se dieron para iniciar el proceso de fusión nuclear dentro de las estrellas. Este proceso apila los núcleos de hidrógeno para formar helio, y después el helio y el hidrógeno pueden volver a reaccionar para formar elementos más pesados. Sin embargo, la mecánica cuántica, la teoría más exitosa que ha creado la humanidad en términos de poder predictivo, predecía lo siguiente: el universo como lo conocemos no puede existir.

Y no es que una ecuación matemática escupiera en algún lenguaje "el universo no existe" –no– la predicción era que el proceso de fusión más allá del helio produce núcleos inestables que se desintegran de inmediato produciendo nuevamente helio. En el siglo pasado que se descubrió esto, era un enigma la existencia de los elementos de la tabla periódica más allá del helio. 

Es posible calcular la frecuencia con que tres núcleos de helio pueden juntarse para formar carbono en el centro de una estrella. Pero el resultado del cálculo que no puede ocurrir nunca, excepto si el universo se hubiera sacado la lotería cósmica. Excepto si por una increíble coincidencia la interacción complejísima de 12 partículas en un núcleo atómico tuvieran justo, ni más ni menos, un nivel de energía en 7.82 millones de volts o MeV´s (mega electronvolts). Hoyle (astrónomo), y Salpeter (físico) se vieron en el siglo pasado obligados a concluir que el carbono tenía que contar con un nivel de energía a exactamente 7.82 MeV –o aceptar que ellos no existían. La presencia de ese muy particular nivel de energía en el carbono, era la única forma en que se podía dar el caso de que las 12 partículas sobrevivieran juntas -en un núcleo- el suficiente tiempo como para que se dieran otras reacciones y se pudieran generar los demás elementos de la tabla periódica. En realidad, había una tercera opción: la mecánica cuántica estaba totalmente mal, algo que no estaban dispuestos a aceptar tan fácilmente ni Hoyle ni Salpeter.

Las mediciones de los niveles del carbono confirmaron la audaz sospecha del dúo: el carbono-12 tiene un nivel de energía en exactamente 7.82 MeV, el único valor que haría que el carbono pudiera sintetizarse en una estrella a partir de helio y que a su vez permitiría la existencia de todos los demás elementos de la tabla periódica. Y de nosotros.

Este nivel de energía en particular del carbono, se nos presenta como un accidente de la complicadísima interacción nuclear entre seis protones y seis neutrones. No como una consecuencia de nuestras leyes naturales. En un sistema simple como el del núcleo de hidrógeno podemos calcular sin demasiados problemas sus niveles de energía, pero cuando el sistema se hace más complejo –y miren que 6 protones en el núcleo de carbono no se antoja tan complicado– las propiedades importantes, incluso primordiales como la de que se puedan crear elementos sin los que sin duda no existiríamos, no pueden extraerse como consecuencia clara de las leyes con las que describimos las partículas.

Todo esto me hace pensar en la entretenida comedia de Douglas Adams, Hitchhiker´s guide to the galaxy, en la que una sociedad decide averiguar la respuesta a la pregunta definitiva acerca del universo, la vida y todo lo demás, dedicando una supercomputadora del tamaño de un planeta a encontrar esta respuesta. Tras millones de años, la computadora declara el cálculo listo y esta sociedad completa se vuelca en espera de la respuesta: finalmente se da a conocer. La respuesta al universo, la vida y todo lo demás era 42.

Yo diría que la respuesta es 7.82. 

El conocimiento de las leyes naturales no necesariamente es un instrumento para comprender los hechos naturales. Los detalles de la experiencia real, a veces están muy alejados de las leyes fundamentales. El universo mismo se nos presenta como apto para ser descrito en jerarquías a diferentes niveles, no únicamente a partir de leyes científicas y fundamentales.

A un nivel primario, la temperatura es un ejemplo de algo que es muy útil para describir diversos fenómenos que experimentamos, olvidando que a nivel fundamental la temperatura representa de manera simple, con un número, el complejísimo comportamiento conjunto de las moléculas que componen un material. Sin embargo, en muchas situaciones, podemos simplemente obviar ese comportamiento fundamental; no necesitamos entender la distribución de energía cinética de la atmósfera en un día determinado para saber si debemos llevar ropa ligera o abrigada al salir de casa; saber la temperatura bastará. 

Tenemos que hablar de distintas jerarquías para describir el mundo. Las cosas vivas por ejemplo, ¿cómo las describimos con leyes fundamentales? Luego vienen los sentimientos y cosas como las interacciones sociales. No podemos cerrarnos a las leyes fundamentales y su ciencia. Necesitamos hacer uso de toda una jerarquía de enfoques para llegar al cabal y racional entendimiento de lo que debe ser la respuesta a la pregunta definitiva sobre el universo, la vida y todo lo demás.

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