Lea a AC Grayling desempacando la filosofía detrás de la experimentación

Si una teoría científica es elegante, y es consistente con los hechos conocidos, ¿necesita ser probada por el experimento? Se supone que el conocimiento científico es empírico: para ser aceptada como científica, una teoría debe ser falsable, es decir, debe ser posible, al menos en principio, refutarla empíricamente. Este argumento fue propuesto en 1934 por el filósofo Karl Popper, y es generalmente aceptado por la mayoría de los científicos de hoy en día para determinar qué es y qué no es una teoría científica.

En los últimos años, sin embargo, muchos físicos han desarrollado teorías de gran elegancia matemática, pero que están fuera del alcance de la falsación empírica, incluso en principio. La incómoda cuestión que se plantea es si pueden seguir considerándose ciencia. Algunos científicos proponen que se flexibilice la definición de lo que es «científico», mientras que otros temen que hacerlo podría abrir la puerta a que los pseudocientíficos o charlatanes engañen al público y reclamen el mismo espacio para sus opiniones.

La cuestión de si las ideas científicas altamente teóricas pueden someterse a pruebas experimentales es un problema para las ideas más avanzadas y poderosas del mundo de la física. La teoría de cuerdas y la idea del «multiverso» -la existencia de múltiples universos- son dos de las principales teorías que intentan explicar las características más fundamentales del mundo físico. Ambas ideas tienen un inmenso atractivo teórico. La teoría de las cuerdas no es intrínsecamente incomprobable, pero aún no ha tenido éxito. Desde el punto de vista experimental, se puede imaginar una tecnología futura que, al menos en teoría, sea capaz de acelerar las partículas hasta lo que se conoce como la escala de energía de Planck. Se trata de un nivel de energía mil billones de veces superior al que se puede producir en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el punto en el que se prevé que se manifiesten las implicaciones de la teoría de cuerdas. La teoría del multiverso presenta obstáculos aparentemente insuperables para la experimentación, ya que otros universos son intrínsecamente imposibles de detectar, aunque incluso en este caso, los físicos están sugiriendo formas de inferir su existencia.

¿Se dirige la física hacia una era en la que la elegancia será suficiente y hacia el dominio de las teorías que están fuera del alcance de la prueba experimental? ¿O la evidencia empírica seguirá siendo el árbitro de la ciencia?

La teoría de las cuerdas es un intento de desarrollar una teoría unificada de las partículas y las fuerzas, y apareció por primera vez hace 30 años. La teoría postula que existen minúsculas entidades unidimensionales -cuerdas- en dimensiones superiores a las que conocemos actualmente, y que estos extraños fenómenos de alta dimensión subyacen a toda la física. Desde su desarrollo, las técnicas de la teoría de cuerdas han sido utilizadas ampliamente y con éxito por los matemáticos. Pero la motivación original -crear una teoría científica que unifique las leyes que rigen el comportamiento de las partículas y las fuerzas- se ha estancado. Según el cosmólogo George Ellis, antiguo profesor de la Universidad de Ciudad del Cabo y autoridad mundial en la física del cosmos, la teoría de cuerdas es «una exploración de fascinantes estructuras matemáticas que pueden o no estar relacionadas con el universo físico». Así que en términos de su aplicabilidad al universo real, es una ciencia hipotética más que una ciencia comprobable».

Frank Wilczek, profesor de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y ganador del Premio Nobel de Física en 2004, describe así la situación actual: «La comunidad de la teoría de cuerdas contiene muchos individuos serios y dotados que intentan comprender la naturaleza, y sería una locura descartarlos de la ciencia. Pero para mí, las partes de la ciencia que utilizan unas pocas suposiciones para explicar mucho sobre el mundo son las más impresionantes e importantes, y desde esa perspectiva la teoría de cuerdas podría mejorar».

El reto que plantean Wilczek y Ellis es si alguna vez se podrían encontrar pruebas que apoyen la teoría de cuerdas mediante la experimentación. Una línea de investigación se refiere a un pilar central de la teoría. Éste sostiene que cada partícula de la materia, como los electrones o los quarks, tiene una pareja entre las partículas que transmiten fuerzas – «bosones» como el fotón y los gluones-. Esta propiedad se conoce como supersimetría. Wilczek señala que es «un ingrediente importante de la teoría de cuerdas». Sin embargo, aún no se han detectado pruebas de la supersimetría en el LHC, el acelerador de partículas situado en la frontera franco-suiza, que es la instalación de mayor energía del mundo y, por tanto, la mejor equipada para comprobarla. En julio de 2012, el acelerador obtuvo un triunfo muy publicitado al confirmar la existencia del bosón de Higgs, la partícula que da masa a algunas partículas fundamentales.

El descubrimiento fue tan importante porque completó el «modelo estándar» de partículas y fuerzas: la teoría central que los físicos han desarrollado sobre los componentes fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, en la actualidad no hay pruebas empíricas que respalden ninguna física -como la supersimetría- que quede fuera del modelo estándar. Siguiendo la guía de Popper sobre lo que es científico, tendríamos que decir que la teoría de cuerdas se encuentra actualmente fuera de la ciencia.

Sin embargo, los físicos son optimistas de que pronto se podría hacer un gran avance en la búsqueda de un tipo particular de materia conocida como «partículas oscuras». La supersimetría predice la existencia de partículas cuyas propiedades podrían coincidir con las de la materia oscura. Así que si los científicos pudieran encontrar pruebas de la existencia de la materia oscura, esto apoyaría la teoría de la supersimetría y contaría como un primer paso para proporcionar una base empírica para la teoría de cuerdas.

Los físicos han observado durante mucho tiempo que los movimientos de las estrellas y las interacciones de las galaxias sugieren que sienten más fuerza gravitacional de la que pueden explicar las estrellas visibles. Se cree que esta fuerza gravitatoria que falta la ejerce la materia oscura.

Wilczek es optimista en cuanto a que el LHC podría proporcionar un gran avance. Sus esperanzas son compartidas por Rolf-Dieter Heuer, Director General del Cern, que opera el LHC. En su opinión, la mayor energía del LHC renovado «abrirá una ventana a descubrimientos directos más allá del modelo estándar». En opinión de Steven Weinberg, el premio Nobel cuyo trabajo ha sido fundamental para el desarrollo del modelo estándar, el descubrimiento de las partículas de la materia oscura sería «el más emocionante de todos»

En teoría, pues, la ciencia podría encontrar pruebas de la validez de la supersimetría. Lo mismo ocurre con la materia oscura. Ninguna de las dos confirmaría la teoría de cuerdas, pero serían un primer paso. La idea está, pues, en principio, abierta a la comprobación empírica.

La teoría del multiverso, sin embargo, es más problemática. Como no hay posibilidad de comunicación entre nosotros y otros universos, no hay forma empírica de probar la teoría del multiverso. George Ellis lo señala explícitamente: «En un modelo general de multiverso, todo lo que puede ocurrir ocurrirá en algún lugar, por lo que cualquier dato puede ser acomodado. Por lo tanto, no puede ser refutado por ninguna prueba observacional». Implícitamente, el concepto de multiverso queda fuera de la ciencia.

«Las herramientas matemáticas nos permiten investigar la realidad, pero los conceptos matemáticos en sí mismos no implican necesariamente la realidad física»

Desde que el ser humano se dedica a la ciencia, ha intentado comprender el universo. Wilczek dice: «La física moderna implica que es plausible que el mundo físico pueda existir en formas cualitativamente diferentes, de forma similar a como el agua puede existir como hielo, agua líquida o vapor. Estas formas diferentes… pueden, en efecto, aplicar diferentes leyes de la física. Si existen regiones del espacio tan diversas, entonces el «universo» tal como lo hemos definido no es la totalidad de la realidad. Llamamos al conjunto de la realidad el multiverso».

Ellis y su colega cosmólogo Joe Silk, profesor de la Universidad de Pierre y Marie Curie en París, llaman a esto «un multiverso caleidoscópico que comprende una miríada de universos». Ellos, como apoderados de muchos físicos, plantean entonces el desafío básico: la sugerencia de que otro universo no tiene por qué tener las mismas constantes fundamentales de la naturaleza que el nuestro inspira la pregunta de qué determina los valores en nuestro universo. De la variedad de universos que podrían existir, las condiciones del estrecho rango de parámetros para los que podría existir vida inteligente son insignificantes. Las probabilidades de que existamos son, por tanto, tan escasas que la teoría de los multiversos afirma que hay un «paisaje» de universos «ahí fuera» en el que existen todos los valores posibles de estos parámetros. Así, un universo existirá en algún lugar con las condiciones adecuadas para la vida, y nosotros somos la prueba.

Weinberg acepta que es poco probable que el multiverso sea confirmado por las observaciones en nuestro «subuniverso» específico. Pero argumenta que esto no es necesariamente fatal para la validez científica de la teoría. La idea del multiverso es muy especulativa», dice, «pero no es una especulación totalmente irracional». La existencia de un multiverso podría confirmarse algún día deduciéndola de una teoría confirmada por el éxito de otras predicciones suficientes».

En esta línea, Wilczek señala que las teorías científicas pueden seguir siendo útiles incluso cuando sólo se comprenden parcialmente. Dice: «Es una práctica muy común y exitosa trabajar con estructuras teóricas mucho más amplias de lo que podemos observar sobre ellas». Un ejemplo que cita es la teoría cuántica, una herramienta básica de la física teórica, que está llena de conceptos que parecen contradecir nuestra noción intuitiva de cómo se comportan las cosas. Muchos teóricos, entre los que me incluyo, se sienten incómodos con sus fundamentos, pero consiguen aplicar sus matemáticas con confianza y éxito empírico. La teoría de la mecánica cuántica es ciencia porque, en principio, puede ser refutada. Ha sobrevivido a innumerables pruebas y ha hecho innumerables predicciones exitosas. Ellis y Silk nos recuerdan que el multiverso puede ser un dispositivo matemático conveniente, pero esto no requiere que estos universos tengan «realidad». Lo hacen notar recordando la advertencia del matemático alemán David Hilbert: «Aunque el infinito es necesario para completar las matemáticas», dijo, «no se da en ninguna parte del universo físico»

Este es el quid. Las herramientas matemáticas nos permiten investigar la realidad, pero los propios conceptos matemáticos no implican necesariamente la realidad física. Por lo tanto, la evidencia en apoyo de una teoría tiene que ser experimental u observacional, no simplemente teórica. Ellis y Silk hacen hincapié en este punto, y advierten contra la noción de que «los descubrimientos teóricos refuerzan la creencia». Nos recuerdan: «los experimentos han demostrado que muchas teorías hermosas y sencillas están equivocadas»

Wilczek da un ejemplo de una de esas teorías en su libro A Beautiful Question. En el siglo XVII, el astrónomo alemán Johannes Kepler se convenció de que había desarrollado un modelo de la estructura del sistema solar. Su «teoría» tenía una belleza seductora y geométrica que convenció a Kepler de que había tropezado con el plan de Dios. Escribió: «Me siento transportado y poseído por un rapto indecible ante el espectáculo divino de la armonía celestial». Pero su teoría era falsa: el modelo planetario de Kepler se vio finalmente debilitado, sobre todo por el descubrimiento de otros planetas. Sin embargo, como nos recuerda Wilczek, aunque Kepler se equivocó en su descripción de la disposición de los planetas, sí acertó en la descripción de su movimiento: que las órbitas planetarias no son círculos, sino elipses, y que el sol no está en el centro de la elipse, sino situado en un «foco» de la misma. Estas ideas inspiraron a Isaac Newton a desarrollar su ley de la gravedad.

Podríamos esperar un paralelo moderno: que el entusiasmo por la teoría de cuerdas inspire a los experimentadores del LHC a descubrir la supersimetría. Esto, a su vez, podría resolver el misterio de la materia oscura, cuya existencia se sospechaba por la aparente negativa de los movimientos de las galaxias de estrellas a obedecer las reglas de Kepler y Newton. O, tal vez, la supersimetría y las partículas oscuras se nieguen a aparecer en el LHC, porque no existen. Ser descartado por el experimento sería un revés, pero sería un revés científico. En el gran proyecto humano de comprender mejor las leyes físicas que rigen el comportamiento de la materia y las fuerzas, contaría como un progreso.