Stephen Hawking - El Gran Diseño

Algunas personas sostienen un modelo en el que el tiempo empezó incluso mucho antes del Big Bang. No resulta claro todavía si un modelo en el que el tiempo empezara antes del Big Bang explicaría mejor las observaciones actuales, porque parece que las leyes de la evolución del universo podrían dejar de ser válidas en el Big Bang. Si es así, no tendría sentido crear un modelo que comprenda tiempos anteriores al Big Bang, porque lo que existió entonces no tendría consecuencias observables en el presente, y pollo tanto nos podemos ceñir a la idea de que el Big Bang fue la creación del mundo.

Un modelo es satisfactorio si:

1) Es elegante.

2) Contiene pocos elementos arbitrarios o ajustables.

3) Concuerda con las observaciones existentes y proporciona una explicación de ellas.

4) Realiza predicciones detalladas sobre observaciones futuras que permitirán refutar o falsar el modelo si no son confirmadas.

Por ejemplo, la teoría de Aristóteles según la cual el mundo estaba formado por cuatro elementos, tierra, aire, fuego y agua, y que los objetos actuaban para cumplir su finalidad, era elegante y no contenía elementos ajustables. Pero en la mayoría de casos no efectuaba predicciones definidas y cuando lo hacía no concordaban con las observaciones. Una de esas predicciones era que los objetos más pesados deberían caer más rápidamente, porque su finalidad es caer. Nadie parecía haber pensado que fuera importante comprobarlo hasta Galileo. Se dice que lo puso a prueba dejando caer pesos desde la torre inclinada de Pisa, pero eso es probablemente apócrifo. En todo caso, sabemos que dejó rodar diferentes pesos a lo largo de un plano inclinado y observó que todos adquirían velocidad al mismo ritmo, contrariamente a la predicción de Aristóteles.

Pos criterios anteriores son obviamente subjetivos. La elegancia, por ejemplo, no es algo que se mida fácilmente, pero es muy apreciada entre los científicos porque las leyes de la naturaleza significan comprimir un número de casos particulares en una fórmula sencilla. La elegancia se refiere a la forma de una teoría, pero está muy relacionada con la falta de elementos ajustables, ya que una teoría atiborrada de factores manipulables no es muy elegante. Parafraseando a Einstein, una teoría debe ser tan sencilla como sea posible, pero no más sencilla, Ptolomeo añadió epiciclos a las órbitas circulares de los cuerpos celestes para que su modelo pudiera describir con precisión su movimiento. El modelo podría haber sido hecho todavía más preciso añadiendo epiciclos a los epiciclos, e incluso más epiciclos adicionales. Aunque esa complejidad adicional podría dar más precisión al sistema, los científicos consideran insatisfactorio un modelo que sea forzado a ajustar un conjunto específico de observaciones, más próximo a un catálogo de datos que a una teoría que parezca contener algún principio útil.

Veremos en el capítulo 5 que mucha gente considera el «modelo estándar», que describe las interacciones entre las partículas elementales de la naturaleza, como poco elegante. El modelo es mucho más útil que los epiciclos de Ptolomeo: predijo la existencia de nuevas partículas antes de que fueran observadas y describió con gran precisión los resultados de numerosos experimentos durante varias décadas. Pero contiene algunas docenas de parámetros ajustables cuyos valores deben ser lijados para concordar con las observaciones, ya que no son determinados por la teoría misma.

En lo que respecta al cuarto punto, los científicos siempre quedan impresionados cuando se demuestra que predicciones nuevas y asombrosas del modelo son correctas. Por otro lado, cuando se ve que un modelo falla, una reacción común es decir que el experimento estaba equivocado. Si se comprueba que no es este el caso, no se abandona el modelo, sino se intenta salvarlo mediante algunas modificaciones. Aunque los físicos son realmente tenaces en sus intentos por rescatar teorías que admiran, la tendencia a modificar una teoría va desvaneciéndose según el grado en que las alteraciones van resultando artificiosas o pesadas y, por lo tanto, «inelegantes».

Si las modificaciones necesarias para acomodar nuevas observaciones resultan demasiado abarracadas, ello indica la necesidad de un nuevo modelo. Un ejemplo de un modelo que cedió bajo el peso de nuevas observaciones es el de un universo estático. En la década de 1920, la mayoría de físicos creían que el universo era estático, es decir, que no cambiaba de tamaño. Pero en 1929 Edwin Hubble publicó sus observaciones que demostraban que el universo está en expansión. Pero Hubble no observó directamente que el universo se expandiera, sino la luz emitida por las galaxias. Esa luz contiene una señal característica, o espectro, basada en la composición de cada galaxia, y que cambia en una forma cuantitativamente conocida si la galaxia se mueve. Por lo tanto, analizando los espectros de las galaxias lejanas, Hubble consiguió determinar sus velocidades. Había esperado encontrar tantas galaxias alejándose de nosotros como acercándose a nosotros, pero halló que prácticamente todas ellas se estaban alejando y que cuanto más lejos estaban, con mayor velocidad se movían. Hubble concluye) que el universo se está expandiendo pero otros, intentando mantener el modelo anterior, intentaron explicar esas observaciones en el contexto del universo estático. Por ejemplo, el físico del Instituto Tecnológico de California, Caltech, Fritz Zwicky, sugirió que por alguna razón todavía desconocida la luz podría ir perdiendo lentamente energía a medida que recorre grandes distancias. Esa disminución de energía correspondería a un cambio en el espectro de la luz, que Zwicky sugirió podría reproducir las observaciones de Hubble. Durante décadas después de Hubble, muchos científicos continuaron manteniendo la teoría de un estado estacionario. Pero el modelo más natural era el de Hubble, el de un universo en expansión, y al final ha sido el modelo comúnmente aceptado.

En nuestra búsqueda de las leyes que rigen el universo hemos formulado un cierto número de teorías o modelos, como la teoría de los cuatro elementos, el modelo ptolemaico, la teoría del flogisto, la teoría del Big Bang, y muchas otras. Nuestros conceptos de la realidad y de los constituyentes fundamentales del universo han cambiado con cada teoría o modelo. Por ejemplo, consideremos la teoría de la luz. Newton creyó que la luz estaba hecha de pequeñas partículas o corpúsculos. Eso explicaría por qué la luz viaja en línea recta, y Newton lo utilizó también para explicar porqué la luz se curva o refracta cuando pasa de un medio a otro, como por ejemplo del aire al vidrio o del aire al agua.

La teoría corpuscular, sin embargo, no consiguió explicar un fenómeno que el mismo Newton observe), conocido como los «anillos de Newton»: coloquemos una lente sobre una superficie plana reflectante e iluminémosla con luz de un solo color, como por ejemplo la luz de una lámpara de sodio. Mirando verticalmente hacia abajo veremos una serie de anillos alternativamente claros y oscuros centrados en el punto de contacto entre la lente y la superficie. Sería difícil explicar este fenómeno mediante la teoría corpuscular de la luz, pero puede ser explicado mediante la teoría ondulatoria.

Según la teoría ondulatoria de la luz, los anillos claros y oscuros son causados por un fenómeno llamado interferencia. Una onda, como por ejemplo una onda de agua, consiste en una serie de crestas y valles. Cuando las ondas se encuentran, si las crestas corresponden con las crestas y los valles con los valles, se refuerzan entre sí, dando una onda de mayor amplitud. Esto se llama interferencia constructiva. En dicho caso se dice que están «en fase». En el extremo opuesto, cuando las ondas se encuentran, las crestas de una pueden coincidir con los valles de la otra. En ese caso, las ondas se anulan entre sí, y se dice que están «en oposición de fase». Dicha situación se denomina interferencia destructiva.