Este libro presenta las lecciones fundamentales que se desprenden del estudio del mundo físico. He conocido muchas personas que sienten curiosidad y desean saber más sobre lo que la física moderna nos puede decir sobre él. Son abogados, médicos, artistas, estudiantes, profesores, padres o, simplemente, personas curiosas. Poseen inteligencia, pero no conocimiento. En este libro intento transmitir los mensajes centrales de la física moderna de la manera más sencilla posible, pero sin renunciar al rigor. Para escribirlo, he tenido siempre presentes a mis amigos curiosos y sus preguntas.
Para mí, las lecciones fundamentales son mucho más que simples hechos sobre cómo funciona el mundo físico. No cabe duda de que esos hechos son poderosos y poseen una extraña belleza. Pero el estilo de pensamiento que nos ha permitido descubrirlos también es un logro enorme. Y es importante tomar en consideración lo que nos sugieren los fundamentos sobre cómo encajamos los humanos en el panorama general.
He escogido como fundamentos diez principios muy amplios. Cada uno constituye el tema de un capítulo, y en el cuerpo de cada uno de estos explico y documento el tema que le corresponde desde distintas perspectivas. Luego elaboro algunas conjeturas bien fundadas sobre su desarrollo futuro. Pensar en esas conjeturas fue divertido, y espero que leerlas resulte estimulante. Su objetivo es transmitir otro mensaje fundamental: que nuestra comprensión del mundo físico sigue cambiando y creciendo. Es algo vivo.
Me he esforzado por separar las especulaciones de los hechos y, en el caso de estos últimos, por indicar la naturaleza de las observaciones y experimentos que los establecen. Y es que tal vez el más fundamental de todos los mensajes es queentendemosmuchos aspectos del mundo físico de una manera muy profunda. En palabras de Albert Einstein: «El hecho de que [el universo] sea comprensible es un milagro». También este fue un descubrimiento difícil de alcanzar.
Quizá por sorprendente, la comprensibilidad del universo físico tiene que demostrarse, no darse por supuesta. La prueba más convincente es que nuestro conocimiento, aunque incompleto, nos ha brindado grandes y extraordinarios logros.
Con mis propias investigaciones intento rellenar lagunas de nuestro conocimiento y diseñar nuevos experimentos que desafíen las fronteras de lo posible. Mientras escribía el libro, me ha producido un enorme placer reflexionar, lleno de admiración y sorpresa, sobre algunos de los principales logros que ya nos ha brindado la cooperación entre científicos e ingenieros a través del tiempo y el espacio.
Las diez claves de la realidadtambién pretende ofrecer una alternativa al fundamentalismo religioso tradicional. Aborda algunas de las mismas preguntas básicas, pero para enfrentarse a ellas no consulta textos o tradiciones, sino la realidad física.
Muchos de los científicos que más admiro, como Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton, Michael Faraday y James Clerk Maxwell, fueron cristianos devotos. (En eso, encarnaron su época y el ambiente en el que vivieron.) Creyeron que podían acercarse a Dios y honrarlo mediante el estudio de Su obra. Einstein, aunque no religioso en un sentido convencional, tenía una actitud parecida. Con frecuencia hacía alusión a Dios («el Viejo»), como en una de sus citas más memorables: «Sutil es el Señor, pero no malicioso».
El espíritu que inspiró el trabajo de todos ellos, y el mío en este libro, fue el de trascender los dogmas científicos, religiosos o antirreligiosos. Me gusta enunciarlo de este modo: al estudiar cómo funciona el mundo, estudiamos cómo funciona Dios, y con elloaprendemos acerca de lo que Dios es. Con este espíritu, podemos interpretar la búsqueda de conocimiento como una forma de alabanza, y nuestros descubrimientos como revelaciones.
Escribir este libro ha cambiado mi percepción del mundo.Las diez claves de la realidadcomenzó siendo exposición y acabó siendo contemplación. Mientras reflexionaba sobre su contenido, se me manifestaron de manera inesperada dos grandes temas con una claridad y profundidad sorprendentes.
El primero es la abundancia. El mundo es enorme. Por supuesto, basta una buena mirada al firmamento en una noche clara para convencerse de que «ahí fuera» hay mucho espacio, y cuando, tras un estudio más riguroso, ponemos cifras, nuestra mente se queda anonadada, y con razón. Pero la enormidad del espacio solo es uno de los aspectos de la abundancia de la naturaleza, y no ocupa el lugar más central en la experiencia humana.
Para empezar, como dijo Richard Feynman, «hay mucho espacio en el fondo». En cada cuerpo humano hay muchos más átomos que estrellas en el universo visible, y nuestro cerebro contiene más o menos tantas neuronas como estrellas hay en nuestra galaxia. El universo interior es un digno complemento del universo que se extiende más allá.
E igual que para el espacio, así para el tiempo. El tiempo cósmico es abundante. El que nos remonta al Big Bang empequeñece la duración de una vida humana. Y, sin embargo, tal como veremos, una vida humana plena contiene muchos más momentos de conciencia que tiempos de vida humana puede contener la historia del universo. Gozamos del regalo de una gran abundancia de tiempo interior.
También el mundo físico es abundante, y con recursos para la creación y la percepción que todavía no hemos aprovechado. La ciencia revela que el mundo cercano contiene, en formas conocidas y accesibles, mucha más energía y material utilizable de los que hoy explotamos los humanos. Comprender eso nos empodera y debería encender nuestra ambición.
Sin más ayuda, nuestra percepción no nos presenta más que una pequeña porción de la realidad que la investigación científica desvela. Pensemos, por ejemplo, en la visión. El sentido de la vista es nuestro mayor y más importante portal hacia el mundo exterior. Pero ¡es tanto lo que nos deja sin ver! Telescopios y microscopios desvelan ingentes tesoros de información, codificada en la luz, que a menudo nos llega a los ojos sin que la reconozcamos. Más aún, nuestra visión está limitada a un solo octavo (la horquilla de la radiación visible) de un teclado infinito de radiación electromagnética que se extiende, por un lado, de las ondas de radio a las microondas y al infrarrojo, y, por el otro, del ultravioleta a los rayos X y los rayos gamma. Y aun dentro de nuestro único octavo, nuestra visión del color es borrosa. Pero si nuestros sentidos no logran percibir muchos aspectos de la realidad, nuestra mente nos permite trascender los límites naturales. Ensanchar las puertas de la percepción es una gran e inacabable aventura.
El segundo de los temas es que para valorar de verdad el universo físico, necesitamos «renacer».
Mientras elaboraba el texto de este libro nació mi nieto Luke, y pude observar sus primeros meses de vida al tiempo que escribía el primer borrador. Vi cómo estudiaba sus propias manos, asombrado, y cómo comenzaba a comprender que las controlaba él mismo. Presencié la alegría con la que aprendía a alcanzar y agarrar objetos del mundo exterior. Observé cómo experimentaba con objetos, cómo los dejaba caer y los buscaba, y cómo eso lo repetía (y lo repetía...), como si no estuviera del todo seguro del resultado, pero reía muy feliz cuando los encontraba.
De estas y muchas otras maneras, comprendí que Luke estaba construyendo un modelo del mundo. Lo encaraba con una curiosidad insaciable y pocas ideas preconcebidas. Al interactuar con el mundo, aprendía esas cosas que casi todos los adultos damos por hecho, como que el mundo se divide entre el yo y el no-yo, que los pensamientos pueden controlar los movimientos del yo pero no del no-yo, y que podemos mirar los objetos sin alterar sus propiedades.
Los bebés son como pequeños científicos: realizan experimentos y sacan conclusiones. Pero, para los estándares de la ciencia moderna, sus experimentos son bastante rudimentarios. Trabajan sin telescopios, microscopios, espectroscopios, magnetómetros, aceleradores de partículas, relojes atómicos o cualquiera de los otros instrumentos que utilizamos para construir nuestros modelos más certeros y precisos del mundo. Su experiencia está limitada a un pequeño rango de temperaturas, se encuentran inmersos en una atmósfera con una composición química y una presión muy especiales, la gravedad de nuestro planeta los atrae hacia abajo (igual que a todo lo que hay en su entorno) mientras que la superficie de la Tierra los sostiene... y así tantas y tantas cosas.
Los bebés construyen un modelo del mundo que explica lo que experimentandentro de los límites de su percepción y su entorno. A efectos prácticos, es lo correcto. Para enfrentarse al mundo cotidiano resulta eficiente y razonable aprender de niños las lecciones que nos ofrece ese mundo cotidiano.
Pero la ciencia moderna revela un mundo físico muy distinto del modelo que construimos cuando somos bebés. Si, una vez más, nos abrimos al mundo, curiosos y sin prejuicios, si nos permitimos renacer, conseguiremos comprender el mundo de una forma distinta.
Algunas cosas tendremos que aprenderlas. El mundo está construido a partir de unas pocas piezas básicas que siguen reglas estrictas, aunque extrañas y nada familiares.
Otras cosas, sin embargo, tendremos que desaprenderlas.
Después de todo, la mecánica cuántica revela que no podemos observar algo sin cambiarlo. Cada persona recibe mensajes únicos del mundo exterior. Imaginemos que nos sentamos junto a un amigo en una habitación muy oscura y observamos una luz muy tenue. Hagamos que esa luz sea muy muy débil, por ejemplo, cubriéndola con varias capas de tela. Al final, cada uno de nosotros verá únicamente destellos intermitentes. Pero los veremos en momentos distintos. La luz se habrá reducido a cuantos individuales, y los cuantos no se pueden compartir. A ese nivel fundamental, experimentamos mundos separados.
La psicofísica nos dice que la conciencia no dirige la mayoría de nuestras acciones, sino que se limita a procesar los informes que recibe sobre ellas de las unidades inconscientes que de verdad hacen el trabajo. Con la ayuda de una técnica conocida como estimulación magnética transcraneal (EMT) es posible estimular los centros motores del lado derecho o izquierdo del cerebro de un sujeto, a discreción del experimentador. Una señal bien construida de EMT dirigida al centro motor derecho provocará una contracción de la muñeca izquierda, mientras que una señal bien construida dirigida al centro motor izquierdo provocará una contracción de la muñeca derecha. Álvaro Pascual-Leone utilizó esta técnica de una forma ingeniosa en un experimento sencillo, pero con profundas implicaciones. Primero pedía a sus sujetos que, a una señal, decidiesen si querían contraer la muñeca izquierda o la derecha. Luego les pedía que, tras recibir una nueva señal, realizasen la acción de acuerdo con su intención. Los sujetos estaban sometidos a un escáner cerebral, así que el experimentador podía ver cómo las áreas motoras preparaban la contracción. Si el sujeto había decidido contraer la muñeca derecha, se activaba el área motora izquierda; si, en cambio, había decidido contraer la muñeca izquierda, se activaba el área motora derecha. De este modo, era posible predecir su elección antes de que realizase el movimiento.
Pero aquí viene la vuelta de tuerca que resulta reveladora. De vez en cuando, Pascual-Leone aplicaba una señal de EMT que contradecía (de hecho, anulaba) la elección del sujeto. Este contraía entonces la muñeca que le dictaba la señal de EMT, no la que al principio había decidido contraer. Lo realmente interesante es cómo explicaban los sujetos lo que había ocurrido.Nodecían que una fuerza externa los hubiera poseído, sino: «He cambiado de opinión».
El estudio detallado de la materia revela que, contra toda intuición, cuerpo y cerebro —la plataforma física de nuestro «yo»— están construidos de la misma sustancia que el «no-yo», que entre ambos no parece haber solución de continuidad.
En nuestra prisa por dar sentido a las cosas, de niños aprendemos a entender el mundo, y a nosotros mismos, de forma equivocada. Es mucho lo que tenemos que desaprender, y mucho lo que tenemos que aprender, en nuestro viaje hacia una comprensión profunda.
El proceso de renacer puede llegar a desorientarnos un poco. Pero, igual que un viaje en una montaña rusa, también puede ser emocionante. Y trae consigo un regalo: para quienes renacen en el camino de la ciencia, el mundo vuelve a ser fresco, lúcido y extraordinariamente abundante. Consiguen hacer realidad la visión de William Blake:
Ver el mundo en un grano de arena
Y el cielo en la florecilla del campo
Sostener lo infinito en la palma de la mano
Y poseer lo eterno en una hora apenas
El universo es un extraño lugar.
A un recién nacido se le presenta como un revoltijo de impresiones desconcertantes. Mientras les pone orden, aprende enseguida a distinguir entre los mensajes que tienen su origen en un mundo interior y los que le llegan desde un mundo exterior. El interior contiene sensaciones, como el hambre, el dolor, el bienestar o la somnolencia, además del mundo de las ensoñaciones. También contiene pensamientos privados, como los que controlan la mirada o las manos para agarrar, y, muy pronto, también el habla.
El mundo exterior es una elaborada construcción intelectual, y nuestro bebé dedica mucho tiempo a fabricarlo. Aprende a reconocer patrones estables en su percepción que, a diferencia de su cuerpo, no responden de manera fiable a sus pensamientos, y los organiza como objetos. Aprende también que esos objetos se comportan de una forma un tanto predictible.
Con el tiempo, nuestro bebé, que ya es una niña, reconoce que algunos de esos objetos son semejantes a ella, seres con los que puede comunicarse. Tras intercambiar información con esos seres, queda convencida de que también ellos experimentan un mundo interior y otro exterior, y que, lo que es aún más notable, todos comparten muchos objetos, y esos objetos obedecen las mismas reglas.
Entender cómo se controla el mundo exterior común —en otras palabras, el mundo físico—, es, por supuesto, un problema práctico vital con muchas facetas. Por ejemplo, para sobrevivir en una sociedad de cazadores-recolectores, nuestra niña tendría que aprender dónde encontrar agua, qué plantas y animales son comestibles y cómo se pueden encontrar, criar o cazar, y cómo preparar y cocinar los alimentos, amén de muchos otros hechos y habilidades.
En sociedades más complejas surgen otros retos, como el de fabricar herramientas especializadas, construir estructuras duraderas o llevar la cuenta del tiempo. Las mejores soluciones a los problemas que plantea el mundo físico se descubren, comparten y acumulan de generación en generación. Constituyen, para cada sociedad, su «tecnología».
Las sociedades no científicas a menudo desarrollan ricas y complejas tecnologías. Algunas de estas permitieron y permiten todavía la supervivencia en ambientes difíciles, como el ártico o el desierto de Kalahari. Otras permitieron la construcción de grandes ciudades y monumentos colosales, como las pirámides de Egipto y de Mesoamérica.
No obstante, durante la mayor parte de la historia humana, antes de la aparición del método científico, las tecnologías se desarrollaban de forma un tanto fortuita. Las técnicas eficaces se descubrían un poco por accidente y luego se transmitían en forma de procedimientos, rituales y tradiciones muy específicos. No constituían un sistema lógico, ni había un empeño sistemático por mejorarlas.
Las tecnologías basadas en «reglas generales» nos permitían sobrevivir, reproducirnos y, a menudo, disfrutar de algún tiempo de ocio y vivir vidas plenas. Para la mayoría de la gente, en la mayoría de las culturas y durante la mayor parte de la historia, con eso bastaba. No podían saber de qué estaban privados, ni que eso fuese importante para ellos.
Hoy sabemos que estaban privados de mucho. La siguiente gráfica, que muestra el desarrollo de la productividad humana a lo largo del tiempo, habla por sí misma, y es muchísimo lo que nos dice.
La forma moderna de enfrentarse al conocimiento del mundo surgió en Europa en el sigloxvii. Ya se habían producido intentos parciales antes y en otros lugares, pero la constelación de avances fundamentales que conocemos como Revolución Científica proporcionó ejemplos inspiradores de lo que podían conseguir unas mentes humanas comprometidas de una forma creativa con el mundo físico, y los métodos y actitudes que condujeron a aquellos avances proporcionaron modelos claros para la exploración futura. Con aquel ímpetu, dio comienzo la ciencia tal como hoy la conocemos, y ya no hemos vuelto a mirar atrás.
El sigloxviifue testigo de espectaculares progresos teóricos y tecnológicos en muchos frentes, entre ellos el diseño de máquinas y buques mecánicos, de instrumentos ópticos (entre los que cabe destacar los microscopios y los telescopios), de relojes y de calendarios. El resultado directo fue que podíamos ostentar más poder, ver más cosas y manejar nuestros asuntos de manera más fiable. Pero lo que hizo realmente única a la Revolución Científica, lo que la hace merecedora de ese nombre, fue un cambio de actitud: una nueva ambición, una nueva confianza.
El método de Kepler, Galileo y Newton combina la humilde disciplina de respetar los hechos y aprender de la naturaleza con el descaro sistemático de usar de forma agresiva lo que uno cree haber aprendido para aplicarlo a todo lo que pueda, incluso a situaciones más allá de la evidencia original. Si funciona, descubrimos algo útil; si no, aprendemos algo importante. A esta actitud la llamo conservadurismo radical, y es, a mi entender, la innovación esencial de la Revolución Científica.
El conservadurismo radical es conservador porque nos pide que aprendamos de la naturaleza y respetemos los hechos, y estos son aspectos clave de lo que conocemos como método científico. Pero también es radical porque lleva hasta el extremo aquello que se aprende. Esto no es menos esencial cuando nos referimos al funcionamiento de la ciencia. Es lo que le permite situarse en la vanguardia.
La nueva perspectiva se inspiró sobre todo en los progresos realizados en una disciplina que ya en el sigloxviiera antigua y estaba bien desarrollada: la mecánica celeste, la descripción de cómo parecen moverse los cuerpos en el firmamento.
Desde mucho antes de los comienzos de la historia escrita, ya se reconocían regularidades como la alternancia de la noche y el día, el ciclo de las estaciones, las fases de la Luna y la ordenada procesión de las estrellas. Con el auge de la agricultura, resultaba esencial llevar la cuenta de las estaciones para plantar y recoger en los momentos más propicios. Otra motivación para realizar observaciones precisas, profunda pero errónea, era la creencia en que existía un vínculo directo entre la vida humana y los ritmos cósmicos: la astrología. Sea como fuere, por una mezcla de razones, entre ellas la simple curiosidad, comenzamos a estudiar el firmamento con mucha atención.
Lo que aquel estudio puso de manifiesto fue que la gran mayoría de las estrellas se mueven de una forma simple y predecible. Hoy interpretamos su movimiento aparente como resultado de la rotación de la Tierra alrededor de su eje. Las «estrellas fijas» son tan lejanas que cambios relativamente pequeños en su distancia, a causa de su propio movimiento o de la trayectoria que describe la Tierra alrededor del Sol, son invisibles a simple vista. Pero algunos objetos excepcionales —el Sol, la Luna y unos cuantos cuerpos «errantes», entre ellos los planetas Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno, que pueden verse a simple vista—, no siguen ese patrón.
A lo largo de muchas generaciones, los antiguos astrónomos registraron las posiciones de esos objetos especiales, y aprendieron a predecir sus cambios con bastante exactitud. Esa tarea requería cálculos de geometría y trigonometría que seguían recetas complicadas, pero bien definidas. Ptolomeo (c. 100-170) reunió todo ese conocimiento en un tratado matemático, elAlmagesto. (Magestoes un superlativo griego que significa «lo más grande». Tiene la misma raíz que «majestuoso».Alno es más que el artículo «el» en árabe.)
La síntesis de Ptolomeo fue un logro magnífico, pero adolecía de dos deficiencias. Una era su complejidad y, relacionada con esta, su fealdad. En particular, las fórmulas que utilizaba para calcular los movimientos planetarios involucraban muchos números que se habían determinado por el simple método de ajustar los cálculos a las observaciones, sin que se conocieran unos principios más profundos que los relacionasen. Copérnico (1473-1543) se percató de que los valores de algunos de esos números respondían a relaciones sorprendentemente sencillas. Esas relaciones «casuales», y por lo demás misteriosas, se podían explicar geométricamente si se suponía que la Tierra, junto con Venus, Marte, Júpiter y Saturno, daban vueltas alrededor del Sol (y la Luna alrededor de la Tierra).
La segunda deficiencia de la síntesis de Ptolomeo tiene una explicación más llana: no es lo bastante exacta. Tycho Brahe (1546-1601), anticipándose a lo que hoy llamamos «Gran Ciencia» («Big Science»), diseñó sofisticados instrumentos y dedicó mucho dinero a la construcción de un observatorio que permitiera seguir con mucha más precisión las posiciones planetarias. Las nuevas observaciones pusieron en evidencia desviaciones indiscutibles respecto a las predicciones de Ptolomeo.
Johannes Kepler (1571-1630) decidió construir un modelo del movimiento planetario que fuese a un tiempo simple y preciso. Incorporó en él las ideas de Copérnico y aplicó importantes modificaciones técnicas al modelo de Ptolomeo. En concreto, permitió que las órbitas de los planetas alrededor del Sol se desviasen de círculos simples, que sustituyó por elipses, con el Sol en uno de los focos. También permitió que la velocidad de los planetas alrededor del Sol variase en función de su distancia a este, pero de manera que barriesen áreas iguales en tiempos iguales. Tras estas reformas, el sistema resultó ser considerablemente más sencillo, y además funcionaba mejor.
Entretanto, en la superficie de la Tierra, Galileo Galilei (1564-1642) realizaba meticulosos estudios de formas simples de movimiento, como la caída de una bola por un plano inclinado o la oscilación de un péndulo. Estos humildes estudios, que se reducen a poner números a tiempos y posiciones, pueden parecer del todo inapropiados para abordar grandes preguntas sobre cómo funciona el mundo. Sin duda, a la mayoría de los académicos coetáneos de Galileo, preocupados como estaban por las grandes cuestiones de la filosofía, les debían parecer triviales. Pero Galileo aspiraba a una forma distinta de conocimiento. Deseaba comprenderalgode forma precisa en lugar de entenderlotodode forma vaga. Buscaba —y encontró— fórmulas matemáticas bien definidas que describían por completo sus humildes observaciones.
Isaac Newton (1643-1727) unió la geometría del movimiento planetario de Kepler a la descripción dinámica del movimiento en la Tierra de Galileo. Demostró que tanto la teoría de Kepler de los movimientos planetarios como la teoría de Galileo de los movimientos especiales se podían entender mejor como casos particulares de unas leyes generales que se aplicaban a todos los cuerpos, en todo lugar y en todo momento. La teoría de Newton, que hoy conocemos como mecánica clásica, fue de triunfo en triunfo, explicando las mareas en la Tierra, prediciendo las trayectorias de los cometas y permitiendo nuevas hazañas de la ingeniería.
El trabajo de Newton demostró, mediante un ejemplo convincente, que se podían abordar grandes preguntas erigiendo una teoría a partir de una comprensión detallada de casos simples. Newton calificó este método deanálisis y síntesis, y es el arquetipo del conservadurismo radical científico.
He aquí lo que dice el propio Newton sobre este método:
Como en la matemática, también en la filosofía natural la investigación de las cuestiones difíciles mediante el método de análisis debe preceder siempre al método de composición. Este análisis consiste en realizar experimentos y observaciones, y extraer de ellos conclusiones generales mediante inducción. ... Por esta vía de análisis podemos ir de los compuestos a los ingredientes, y de los movimientos a las fuerzas que los producen, y, en general, de los efectos a sus causas y de unas causas particulares a otras más generales, hasta que la argumentación acaba en la más general. Este es el método de análisis, y el de síntesis consiste en dar por ciertas las causas descubiertas y establecidas como principios, y usarlas para explicar los fenómenos que de ellas se siguen, y demostrar las explicaciones.
Antes de dejar a Newton, conviene que añadamos una nueva cita que refleja los vínculos que lo unen con sus predecesores, Galileo y Kepler, y con todos los que seguimos sus pasos:
Explicar toda la naturaleza es una tarea demasiado ardua para un solo hombre, incluso para una sola época. Es mucho mejor hacer un poco con certeza, y dejar el resto para quienes vengan detrás.
Una cita más reciente de John R. Pierce, un pionero de la moderna ciencia de la información, capta con belleza el contraste entre el moderno concepto de conocimiento científico y todos los demás enfoques:
Exigimos que nuestras teorías se armonicen hasta el más mínimo detalle con el amplio abanico de fenómenos que pretenden explicar. E insistimos en que nos proporcionen una guía útil, más que unas racionalizaciones.
Como Pierce bien sabía, estos exigentes estándares vienen acompañados de un doloroso precio, y es que implican una pérdida de inocencia. «Ya nunca más entenderemos la naturaleza tan bien como la entendieron los filósofos griegos. ... Sabemos demasiado.» Pero a mí me parece que ese precio no es demasiado alto. En cualquier caso, ya no hay vuelta atrás.
Cuando decimos que algo es grande, sea el universo visible o el cerebro humano, debemos preguntarnos: ¿en comparación con qué? El punto de referencia natural es el ámbito de la vida humana cotidiana. Este es el contexto de nuestros primeros modelos del mundo, los que construimos de niños. El ámbito del mundo físico, tal como nos lo revela la ciencia, es algo que descubrimos cuando nos permitimos renacer.
Con referencia a la vida cotidiana, el mundo de «ahí fuera» es genuinamente gigantesco. Esaabundancia exteriores lo que percibimos de manera intuitiva cuando en una noche clara miramos un cielo estrellado. Sentimos entonces, sin necesidad de análisis meticulosos, que en el universo hay distancias muchísimo mayores que nuestro propio cuerpo, mayores que cualquier distancia que podamos llegar a recorrer. El conocimiento científico no solo respalda esa sensación de vastedad, sino que la magnifica.
La escala del mundo puede hacer que nos sintamos sobrecogidos. Así se sintió el matemático, físico y filósofo religioso francés Blaise Pascal (1623-1662), y esa sensación lo consumía. Escribió: «El universo me comprende y devora como un punto».
Sentimientos como el de Pascal, que viene a decir «soymuypequeño, no importo nada en el universo», son un tema habitual en la literatura, la filosofía y la teología. Aparecen en muchas plegarias y salmos, y es una reacción natural a la condición humana de insignificancia cósmica, medida por el tamaño.
La buena noticia es que el tamaño no lo es todo. Nuestraabundancia interiores más sutil, pero por lo menos igual de profunda. Así lo comprendemos cuando tomamos en consideración las cosas desde el otro extremo, del fondo hacia arriba. Hay mucho espacio en el fondo. En todos los aspectos que realmente importan, somos muy grandes.
En la escuela primaria aprendemos que las unidades estructurales básicas de la materia son los átomos y las moléculas. Medido con referencia a estas unidades, nuestro cuerpo es descomunal. El número de átomos en un solo cuerpo humano es aproximadamente 1028, que es un 1 seguido de 28 ceros:
10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.
Esta cifra sobrepasa con mucho cualquier cosa que hayamos visto. Podemos darle un nombre (diez mil cuatrillones) y, con algo de instrucción y práctica, usarlo para realizar cálculos. Pero abruma a nuestra intuición, que construimos a partir de experiencias cotidianas en las que nunca tenemos la ocasión de contar tanto. Visualizar tantos puntos individuales supera con mucho la capacidad de nuestro cerebro.
El número de estrellas que podemos ver a simple vista en una noche sin luna y con el cielo claro es, en el mejor de los casos, de unos pocos millares. Diez mil cuatrillones —el número de átomos de nuestro cuerpo— es alrededor de un millón de veces el número de estrellas del universo visible. En este sentido tan concreto, albergamos en nuestro interior todo un universo.
Walt Whitman (1819-1892), el apasionado poeta estadounidense, sentía de manera instintiva la grandeza de nuestro interior. En su «Canto de mí mismo» escribió: «Soy inmenso, contengo multitudes». La gozosa celebración de la abundancia de Whitman está tan fundamentada en hechos objetivos como en la envidia cósmica de Pascal, y es mucho más relevante para nuestra verdadera experiencia.
El mundo es grande, pero nosotros no somos pequeños. Es más acertado decir que hay una gran abundancia de espacio tanto si miramos hacia fuera como si miramos hacia dentro. No debemos envidiar al universo solo porque sea grande. También lo somos nosotros. Lo bastante grandes, de hecho, para contener el universo exterior en nuestra mente. El propio Pascal se reconfortó con esta idea, pues a su lamento de que «el universo me comprende y devora como un punto» le sigue la consolación: «Pero, por el pensamiento, yo lo comprendo».
La abundancia de espacio, tanto exterior como interior, es el tema principal de este capítulo. Primero examinaremos con detenimiento los datos concretos, luego nos aventuraremos un poco más allá.
La discusión científica sobre las distancias cósmicas se erige sobre los cimientos de nuestro conocimiento del espacio físico y de cómo se pueden medir las distancias: la ciencia de la geometría. Comencemos, pues, por la relación entre geometría y realidad.
La experiencia directa, cotidiana, nos enseña que los objetos pueden moverse de un lugar a otro sin alterar sus propiedades. Esto nos lleva a la idea del «espacio» como una suerte de receptáculo en el que la naturaleza deposita objetos.
Las aplicaciones prácticas para la prospección, la arquitectura y la navegación nos llevaron a medir distancias y ángulos entre objetos cercanos. Gracias a esos trabajos, descubrimos las regularidades que exhibe la geometría euclidiana.
A medida que estas aplicaciones prácticas se tornaron más amplias y exigentes, ese marco mantuvo una impresionante integridad. Fue tan grande el éxito de la geometría euclidiana, y tan majestuosa su estructura lógica, que raramente se contrastó experimentalmente su validez como descripción de la realidad física. A principios del sigloxix, a Carl Friedrich Gauss (1777-1855), uno de los más grandes matemáticos de todos los tiempos, se le ocurrió que merecía la pena hacerlo. Con este fin, midió los ángulos de un triángulo formado por tres lejanas posiciones de montaña en Alemania y encontró que sumaban 180º, tal como predice Euclides, dentro del margen de incertidumbre de las mediciones. El actual Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se basa en la geometría euclidiana, y realiza cada día millones de experimentos como el de Gauss, solo que a escalas mucho mayores y con mucha más precisión. Dediquemos un momento a ver cómo funciona.
Para obtener nuestra posición mediante GPS, nos conectamos con las emisiones de un conjunto de satélites artificiales situados a gran altura sobre la Tierra, cuyas posiciones conocemos. (Luego veremos cómo conseguimoseso.) En la actualidad hay más de treinta de estos satélites situados de manera estratégica alrededor del planeta. Sus emisiones de radio no se traducen en voz o música, sino que envían el simple aviso de dónde se encuentran en un formato digital pensado para sistemas informáticos. Los mensajes incluyen información sobre el tiempo preciso en que fueron enviados. Cada satélite lleva a bordo un soberbio reloj atómico que garantiza que las indicaciones del tiempo son exactas. Entonces:
El receptor de la unidad de GPS capta algunas de las señales de los satélites. La unidad, que también tiene acceso a señales de una extensa red de relojes sobre la superficie de la Tierra, calcula cuánto tiempo tardaron en llegar las distintas señales de los satélites. Como las señales viajan a una velocidad conocida (la velocidad de la luz), los tiempos de tránsito se pueden usar para determinar las distancias a los satélites.
Con estas distancias, las posiciones de los satélites y la geometría euclidiana, el procesador de la unidad determina una posición única para la fuente (nosotros mismos) mediante triangulación.
El procesador informa del resultado, y nosotros averiguamos dónde estamos.
La implementación completa del GPS incluye muchas otras sofisticaciones, pero esta es la idea básica. El sistema guarda un inquietante parecido con el «diseño mental» de marcos de referencia que propuso Albert Einstein en su artículo original sobre la relatividad especial. En 1905, Einstein se anticipó al uso de haces de luz y tiempos de tránsito para determinar posiciones en el espacio, una idea que le gustaba porque recurría a una técnica arraigada en la física básica (la velocidad fija de la luz) para mapear el espacio. La tecnología encuentra la manera de responder a los experimentos mentales.
A modo de ejercicio de imaginación visual, uno puede intentar convencerse a sí mismo de que la distancia a cuatro satélites (cada uno en una posición conocida) proporciona información suficiente para determinar una posición.
(Una pista: los puntos situados a una distancia determinada de un satélite se encuentran sobre una esfera centrada en ese satélite. Dos esferas centradas en dos satélites distintos se intersecarán —si es que se tocan— en un círculo. Como nuestra posición se encuentra en algún lugar de esa intersección, ¡las dos esferas intersecarán! Consideremos ahora una tercera esfera, correspondiente a un tercer satélite, que haga intersección con ese círculo. Por lo común, la intersección se producirá en dos puntos. Por último, la esfera de un cuarto satélite decidirá entre esos dos puntos.)
Volvamos ahora a la cuestión de cómo saben los satélites GPS donde estánellos mismos. Los detalles técnicos son complicados, pero se basan en una idea muy simple: comienzan en posiciones conocidas y hacen un seguimiento de su propio movimiento. Juntando esas dos fuentes de información, pueden calcular su posición.
Más detalladamente: los satélites siguen su movimiento con la ayuda de giroscopios y acelerómetros que llevan a bordo, como los de cualquier iPhone. A partir de la respuesta de estos instrumentos, el ordenador del satélite lee su aceleración con la ayuda de la física de la mecánica newtoniana, y con estos datos, y usando técnicas de análisis matemático, calcula cuánto se ha desplazado el satélite. De hecho, Newton inventó el cálculo diferencial precisamente para resolver problemas de este tipo.
Si repasamos todos los pasos, veremos que los ingenieros que diseñaron el Sistema de Posicionamiento Global confiaron en un buen número de suposiciones que no son evidentes. El sistema depende de la idea de que la velocidad de la luz es constante. Para medir el tiempo, utiliza relojes atómicos, cuyo diseño e interpretación reposa sobre principios avanzados de teoría cuántica. Usa las herramientas de la mecánica clásica para calcular la posición de los satélites desplegados. También realiza correcciones del efecto provocado por el hecho de que la velocidad de los relojes dependa ligeramente de su altitud sobre la Tierra, tal y como predice la relatividad general. Los relojes van más despacio cerca de la superficie de la Tierra, donde el campo gravitatorio es más fuerte.
Como el Sistema de Posicionamiento Global depende de muchas otras suposiciones además de la validez de la geometría euclidiana, no podemos afirmar que nos ofrezca un test limpio y puro de esa geometría. De hecho, el éxito del GPS no es un test limpio y puro de ningún principio, sino un sistema complicado con un diseño que reposa sobre una maraña de suposiciones.
Cualquiera de esas suposiciones podría ser errónea o, dicho con más diplomacia, solo verdadera de manera aproximada. Si alguna de las suposiciones que los ingenieros dan por «aproximadamente ciertas» fuese claramente errónea, el GPS nos daría resultados incoherentes. Por ejemplo, podríamos obtener posiciones distintas a partir de la triangulación de distintos conjuntos de satélites. Así que un uso persistente puede desvelar debilidades ocultas.
Y al contrario, en la medida que el GPS funciona, su éxito refuerza nuestra confianza entodassus suposiciones subyacentes, entre ellas la de que la geometría euclidiana describe, de manera precisa, la realidad de la geometría espacial a las escalas de la Tierra. Y, hasta el momento, el GPS han funcionado sin la menor tacha.
De manera más general, la ciencia construye. Los experimentos y tecnologías más avanzados y aventurados dependen de marañas de teorías subyacentes. Cuando esas aplicaciones aventuradas se sostienen, reafirman nuestra confianza en las marañas de teorías que las inspiran. El hecho de que el conocimiento fundamental forme una maraña, una compleja red de ideas que se refuerzan unas a otras, será uno de los temas recurrentes de lo que sigue.
Antes de dar por finalizado este preludio, debo añadir un matiz: cuando consideramos el espacio a escalas cósmicas, descomunales, tal como haremos en un momento, la geometría euclidiana deja de ajustarse a la realidad. Así lo puso de manifiesto Albert Einstein con sus teorías de la relatividad especial y general (de 1905 y 1915, respectivamente), en las que expuso sus insuficiencias y también sugirió cómo superarlas. Desde entonces, sus ideas teóricas se han visto confirmadas por numerosos experimentos.
En la relatividad especial, Einstein nos enseñó que, cuando pretendemos medir una «distancia», debemos considerar con mucho detenimiento qué estamos midiendo y cómo. Las mediciones reales llevan tiempo, y las cosas se mueven en el tiempo, de modo que lo que de verdad medimos son separaciones entreeventos. Los eventos están localizados tanto en el espacio como en el tiempo, y su geometría debe construirse dentro de ese marco más general: el espaciotiempo, no solo el espacio. En la relatividad general, aprendemos además que la geometría del espaciotiempo puede curvarse por influencia de la materia, o de ondas de distorsión que viajan a través de esta. (Nos ocuparemos de todo esto en los capítulos 4 y 8.)
Dentro de los marcos más generales del espaciotiempo y la relatividad, la geometría euclidiana sirve como aproximación a teorías más precisas. Es lo bastante exacta como para usarla en muchas de las aplicaciones prácticas que hemos mencionado antes. Topógrafos, arquitectos y diseñadores de misiones espaciales usan la geometría euclidiana porque facilita su trabajo y con ella tienen más que suficiente. Las teorías más generales, aunque más precisas, son mucho más difíciles de usar.
El hecho de que la geometría euclidiana no consiga proporcionarnos un modelo completo de la realidad no resta valor a su coherencia matemática ni invalida sus muchos éxitos. Pero sí confirma la sabiduría de la verificación de hechos de Gauss, el enfoque del conservadurismo radical. La relación entre geometría y realidad es una cuestión que la naturaleza tiene que dirimir.
Habiendo tomado ya la medida del espacio cercano, podemos proceder a sondear el cosmos. Las principales herramientas para esta empresa son varios tipos de telescopios. Además de los telescopios más familiares, que utilizan la luz visible, los astrónomos utilizan otros que recogen «luz» de muchas otras regiones del espectro electromagnético, por ejemplo de ondas de radio, microondas, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Hay, además, ojos más extraños en el cielo que no se basan en la radiación electromagnética, y entre ellos destaca uno que se ha añadido hace muy poco: los detectores de ondas gravitatorias. Hablaremos más sobre ellos en capítulos posteriores.
Comenzaremos por resaltar las conclusiones, de una sorprendente simplicidad, que se desprenden de estos sondeos, y luego revisaremos cómo las alcanzaron los astrónomos. Esto último es más complicado, pero, dado el contexto, sorprendentemente sencillo.
La conclusión más fundamental es que encontramos el mismo tipo de material por todos lados. Además, observamos que en todos los lugares se aplican las mismas leyes.
En segundo lugar, encontramos que la materia está organizada en una jerarquía de estructuras. Miremos donde miremos, reconocemos estrellas. Estas tienden a agruparse en galaxias, que a menudo contienen desde unos pocos millones a miles de millones de estrellas. Nuestra propia estrella, el Sol, lleva un séquito de planetas y satélites (además de cometas, asteroides, los hermosos «anillos» de Saturno y otros restos de materia). Júpiter, el mayor de los planetas, tiene alrededor de una milésima parte de la masa del Sol, mientras que la de la Tierra es de tres millonésimas de la masa de nuestra estrella. Pese a su módica masa, los planetas y sus satélites deben ocupar un lugar especial en nuestro corazón. Habitamos uno de ellos, por supuesto, pero hay otras razones que nos llevan a sospechar que también otros podrían sustentar otras formas de vida, quizá no en nuestro sistema solar, pero sí en algún otro. Los astrónomos intuían desde hacía tiempo que otras estrellas podían tener planetas, pero solo en tiempos recientes hemos alcanzado la capacidad técnica que nos permite detectarlos. En la actualidad se han descubierto ya cientos de planetas extrasolares, y no paran de llegar nuevos descubrimientos.
En tercer lugar, encontramos que todo este material salpica el espacio de manera casi uniforme. En todas las direcciones y a todas las distancias medimos más o menos la misma densidad de galaxias.
Más tarde refinaremos y complementaremos estas tres conclusiones fundamentales, sobre todo para dar cabida al Big Bang, la «materia oscura» y la «energía oscura». Pero su mensaje central persiste: se encuentran los mismos tipos de sustancia, organizados de las mismas formas, distribuidos de manera uniforme por el universo visible y en enorme abundancia.
