Astronomía

“El paisaje cósmico” y “La guerra de los agujeros negros”, Leonard Susskind. Los dos mejores libros divulgativos que he leído.

Portadas

Hace varios años, cuando comenzaba a tener que tratar a nivel académico con cuestiones como la teoría de cuerdas, la termodinámica de agujeros negros o el principio holográfico (conceptos que traté a nivel divulgativo en mis ponencias “Partículas, cuerdas, branas y dimensiones enrolladas” y “¿Qué demonios pasa últimamente con los agujeros negros?“), tuve la suerte de dar con los libros divulgativos de Leonard Susskind al respecto. Desde que los leí, nunca más tuve dudas con las ideas elementales.

Susskind es uno de los principales representantes actuales en la física teórica de todas esas cuestiones, y tiene una enorme capacidad para divulgar de forma amena y hacerse entender. Además, como buen físico teórico, no tiene ningún reparo en conjeturar y profundizar en sus especulaciones y concepciones más allá de donde los datos le respaldan. Una cualidad, esta última, que ha estado detrás de sus aportes pioneros a la teoría de cuerdas, sus certeras críticas a la explicación de Hawking de la radiación de los agujeros negros y, más recientemente, su modelo que unifica la gravedad y la mecánica cuántica (GR=QM) y va ganando adeptos.

Así que no solo se trata de una persona que explique muy bien las ideas tras las grandes teorías actuales de la física, sino que es una de las personas a las que debemos dichas ideas. Y esto es algo que hay que agradecer, porque si no estáis acostumbrados a escuchar nombres de relevantes físicos teóricos como Juan Maldacena pese a que su idioma nativo sea el castellano es porque su capacidad para divulgar de forma comprensible es más bien ineficiente (al margen de que a nivel profesional sean unos científicos excelentes).

En esta entrada, pretendo explicaros por qué si queréis saber sobre física teórica, deberíais aplazar otras adquisiciones anticuadas y plagadas de ideas desmentidas como “Historia del tiempo” y quedaros con estas joyas.

El paisaje cósmico: teoría de cuerdas y el mito del diseño inteligente (2006):

La sinopsis de este libro dice así:

“¿Puede explicar la ciencia el hecho extraordinario de que el universo parece estar sorprendentemente bien diseñado para nuestra propia existencia? En este libro, Leonard Susskind, uno de los padres de la teoría de cuerdas (para algunos la gran esperanza de una “teoría del todo”), aborda esta fundamental pregunta diseñando un escenario, un “paisaje cósmico”, en el que no tienen cabida elementos extracientíficos como los que utilizan todos aquellos que propagan un “diseño (y diseñador) inteligente”. “Creo firmemente (escribe Susskind) que la ciencia real requiere explicaciones que no incluyan agentes sobrenaturales. Y, al igual que creo que el ojo evolucionó por mecanismos darwinianos, creo que los físicos y los cosmólogos también deben encontrar una explicación natural de nuestro mundo, incluyendo los admirables y felices accidentes que conspiraron para hacer posible nuestra propia existencia”. Para argumentar este conmovedor canto a la racionalidad, Susskind despliega su experiencia en la primera línea de la investigación en física de altas energías y en la cosmología, ofreciéndonos, al tiempo que desarrolla sus originales tesis (que integra en la biología evolutiva), una amplia visión de la física actual, desde los diagramas de Feynman hasta los universos burbuja.

El capítulo 1, “El universo según Feynman”, resume todos los protagonistas del Modelo Estándar de la física de partículas y sus propiedades más relevantes. Algunos conceptos como “neutrino”, “quark” o “bosón W” son explicados aquí yendo al grano.

El capítulo 2, “La madre de todos los problemas de la física”, explica por qué el Modelo Estándar es incapaz de explicar la gravedad y la expansión acelerada del universo que conocemos desde finales de los años noventa. Cuando en física intentamos estimar la energía oscura que provoca la expansión como la energía del vacío, obtenemos como resultado que su valor debería ser 120 veces órdenes de magnitud mayor, millones y millones de veces superior al valor que tiene en realidad. Este es sin duda el mayor problema al que se enfrenta a día de hoy la física teórica, ya que es un error desproporcionado. Si realmente la energía oscura no existiese, sería relativamente sencillo justificar que el resultado neto tiene que dar 0, pero además de no ser nula tiene un valor extremadamente diferente del que podemos estimar.

El capítulo 3, “La canción de La Tierra”, introduce el concepto de “paisaje cósmico”. ?¿Son las leyes de la física universales? ¿Funciona la gravedad o el electromagnetismo del mismo modo aquí que en cualquier otra región del universo? En este capítulo, Susskind explica que en teoría de cuerdas existe lo que él denomina todo un paisaje de posibilidades, del cual nosotros tan solo percibiríamos las cualidades que hay en nuestro entorno del cosmos.

El capítulo 4, “El mito de la unicidad y la elegancia”, ataca frontalmente la idea de que la naturaleza tiene que estar regidas por leyes simples y elegantes de aplicación general, y que dichas leyes no puedan cambiar con el espacio y el tiempo. Se trata de una defensa de la teoría de cuerdas frente a todos aquellos que defienden que no puede ser tomada como una teoría seria porque predice muchas más posibilidades de las que necesitamos.

El capítulo 5, “Un rayo en el cielo”, resume todos los avances realizados en la rama de la cosmología. ¿Por qué sabemos que el universo se expande y, por tanto, que existe una energía oscura? ¿Qué información tenemos exactamente acerca del mundo en el que vivimos y cómo se han obtenido?

El capítulo 6, “Sobre peces congelados y peces hervidos”, comienza con “una historia de peces” que Susskind utilizó en una conferencia sobre las extraordinarias casualidades físicas que permiten que estemos vivos y seamos conscientes:

“Érase una vez un planeta completamente cubierto de agua en el que vivía una raza de peces con un gran cerebro. Estos peces solo podían sobrevivir a cierta profundidad, así que ninguno de ellos había visto la superficie del agua por encima ni el fondo por debajo. Pero sus grandes cerebros los hacían muy inteligentes y también muy curiosos. Con el tiempo, sus preguntas sobre la naturaleza del agua y otras cosas se hicieron muy sofisticadas. Los más brillantes entre ellos se llamaban físicos. Los físicos eran maravillosamente inteligentes y en pocas generaciones llegaron a comprender muchas cosas sobre los fenómenos naturales, incluyendo la dinámica de fluidos, química, física atómica e incluso los núcleos de los átomos.

Finalmente, algunos de los físicos empezaron a preguntarse por qué las leyes de la naturaleza son las que son. Su sofisticada tecnología les permitía estudiar el agua en todas sus formas, especialmente hielo, vapor y, por supuesto, estado líquido. Pero pese a todos sus esfuerzos, todavía quedaba algo ante lo que se sentían perplejos. Con todos los valores posibles desde cero hasta infinito, ¿cómo se podía explicar el hecho de que la temperatura ambiente, T, estaba ajustada para caer en el estrecho rango que permitía que el agua existiera en forma líquida? Ensayaron muchas cosas, incluyendo varios tipos de simetrías, mecanismos de relajación dinámica y muchas otras ideas, pero nada podía explicarlo.

En estrecha alianza con los físicos había otro grupo, los cosmólogos, que también estaban estudiando su mundo acuoso. Los cosmólogos estaban menos interesados en las profundidades de las corrientes, en las que vivían los peces de gran cerebro, que en descubrir si existía un límite superior a su mundo acuático. Los cosmólogos eran perfectamente conscientes de que gran parte del mundo acuático no era habitable, pues la presión no era apropiada para sus cerebros. Viajar aleteando hasta los confines superiores no era en absoluto posible. Si se expusieran a las bajas presiones del agua en estas zonas, sus grandes cerebros explotarían. De modo que, en su lugar, especulaban.

Sucedió que una escuela de pensamiento entre los cosmólogos sostenía una idea muy radical (algunos decían ridícula) sobre el ajuste fino de T. Y tenían un nombre para esta idea: el “principio ictrópico”. El P.I. sostenía que la temperatura estaba en el rango del agua líquida, ¡porque solo en este caso podían existir los peces para observarlo!

“¡Basura! (Decían los físicos) Eso no es ciencia. Es religión. Eso es rendirse. Y además, si nos ponemos de acuerdo con vosotros, todos se reirán de nosotros y nos quitarán la financiación.”

Ahora bien, no todos los cosmólogos entendían lo mismo por el principio ictrópico. De hecho, era difícil encontrar dos que estuvieran de acuerdo. Unos pensaban que significaba que el Pez Cabeza de Ángel había hecho el mundo con el objetivo de acomodar a los peces de gran cerebro. Otros pensaban que la función de onda cuántica del aguaverso era una superposición de todos los valores de T y, solo al observarla, el pez ancestral “colapsaba la función de onda”.

Un pequeño número de cosmólogos, sostenían una idea extraordinaria. Creían que más allá de la frontera superior del agua existía un espacio inmensamente grande. En este inmenso espacio, podían existir muchos otros reinos similares en algún aspecto a su mundo acuático, pero diferentes en otros aspectos. Algunos mundos estarían inimaginablemente calientes, tan calientes que incluso los núcleos de hidrógeno podrían fusionarse para formar helio y quizás hacerse todavía más calientes. Otros mundos serían tan fríos que existiría metano congelado. Solo una minúscula fracción de los mundos estaría a una temperatura favorable para la formación de peces. Entonces no habría ningún misterio en por qué T estaba tan bien ajustada. Como sabe cualquier pescador, la mayoría de lugares carecen de peces, pero de vez en cuando se dan las condiciones correctas. Y ahí es donde están los peces.

Pero los físicos suspiraban y decían “Señor, ahí están de nuevo con sus ideas inverosímiles. Ignorémolos”.”

La historia de los peces es un buen resumen de los problemas de la cosmología como ciencia. La mayoría de las hipótesis que existen para explicar el universo no son comprobables desde nuestro punto de vista humano, en nuestra escala de espacio, tiempo y energía. La teoría de cuerdas es capaz de hacer varias predicciones indicando que nuestras leyes de la física son tan solo una pequeña porción del paisaje cósmico, y Susskind intenta justificar el uso del “principio antrópico”, según el cual el universo tiene que ser obviamente coherente con nuestra existencia, para cribar opciones dentro de ese paisaje centrándonos tan solo en analizar aquellas que sean compatibles con la vida humana.

Este capítulo, crucial, además habla de las objeciones de filósofos de la ciencia a cuestiones más allá de nuestra capacidad experimental como la teoría de cuerdas. Susskind responde con rotundidad:

“Richard Feynman comentó en cierta ocasión: “Los filósofos hablan mucho de lo que es absolutamente necesario para la ciencia y lo que dicen es siempre, por lo que puedo ver, bastante ingenuo y probablemente falso”. Feynman se refería entre otros a Popper. (…)

Francamente, hubiera preferido evitar el tipo de discurso filosófico que suscita el principio antrópico. Pero la pontificación, por parte de los “popperazzi”, sobre lo que es y no es ciencia se ha hecho tan vehemente en los noticiarios y los blogs de internet que creo que debo abordarla. Mi opinión sobre las reglas filosóficas rígidas en ciencia es la misma que la de Feynman. (…)

A lo largo de mi larga experiencia como científico he oído tantas veces la acusación de infalsabilidad lanzada contra ideas importantes que me inclino a pensar que ninguna idea puede tener gran mérito a menos que atraiga esta crítica. (…)

En los primeros días de la teoría de quarks, sus muchos adversarios la percibían como infalsable. (…) Nunca pueden ser aislados y estudiados por separado. Están, por así decir, ocultos tras un tipo de velo diferente. (…) Pero ahora, aunque nunca se ha detectado un quark aislado, nadie cuestiona seriamente la corrección de la teoría de quarks. Es parte de los cimientos de la física moderna. (…)

En cuanto a las reglas filosóficas rígidas, sería el colmo de la estupidez descartar una posibilidad solo porque rompe el lema de algún filósofo sobre la falsabilidad. ¿Qué pasa si resulta ser la respuesta correcta?

El capítulo 7, “Un mundo impulsado por una banda elástica”, explica el origen de la teoría de cuerdas dentro del modelo de quarks junto con su poder predictivo, como la existencia de “gluebolas”, estructuras hechas de “gluones”.

El capítulo 8, “Reencarnación”, explica algunas de las propiedades más famosas sobre la teoría de cuerdas como el exceso de dimensiones enrolladas y cómo pensar en ellas. Además habla acerca de por qué es la única candidata sensata a constituir una teoría del todo.

El capítulo 9, “¿Por nuestra cuenta?”, es uno de los mejores textos sobre cómo piensa un físico teórico que haya leído en mi vida. En él Susskind explica cómo armados con los experimentos del siglo XIX, sin conocer los átomos o la teoría de la relatividad, los físicos de aquella época podrían haber llegado a las mismas conclusiones e ideas que manejamos en la actualidad:

“La cuestión exacta que yo quería explorar en el banquete era si buena parte de la física del siglo XX podía haber sido descubierta por físicos teóricos prodigiosamente inteligentes sin ninguna guía experimental nueva. ¿Podrían haber descubierto todo o la mayoría de lo que sabemos hoy? No afirmo que hubieran tenido éxito, sino solo que habría líneas de razonamiento que les podrían haber llevado hacia buena parte de la física de hoy.”

El capítulo 10, “Las branas tras la máquina máxima de Rube Goldberg”, justifica que todo el paisaje donde elegir que nos muestra la teoría de cuerdas no es una lacra sino todo lo contrario: tiene tantas opciones que es casi seguro que alguna de ellas podrá explicar el extraño valor de la energía oscura.

El capítulo 11, “Un universo burbuja”, explica la teoría de los multiversos y la selección natural cosmológica de los mismos dentro del marco de la teoría de cuerdas.

Por último, el capítulo 12, “La guerra del agujero negro”, sirve de preludio a su siguiente libro.

La guerra de los agujeros negros: una controversia científica sobre las leyes últimas de la naturaleza (2008):

Este libro, mucho más distendido que el anterior se cabe, resumen la guerra que tuvo Susskind con Hawking entre 1983 y 2003 con Stephen Hawking por las ideas erróneas que el segundo defendía acerca de lo que sucede en el interior de los agujeros negros. Es una disputa que se cerró en 2003, cuando Hawking reconoció que estaba equivocado y dio por zanjado el debate.

Dada la popularidad de Hawking ante el público general, y el menor prestigio que tenía Susskind por aquel entonces, el libro está escrito llegando a hacer analogías con Moby Dick, siendo Susskind el capitán Ahab que se dispone a cazar a la gran ballena blanca (Hawking).

Está estructurado en cuatro bloques: “Se forma la tormenta”, “Ataque sorpresa”, “Contraataque” y “Se cierra el círculo”.

El bloque 1, “Se forma la tormenta”, asienta todas las bases para el conflicto.

  • En “El primer disparo”, Susskind describe cómo fue en 1983 cuando escuchó a Hawking decir por primera vez en persona que la información que entraba en un agujero negro era destruida, no habiendo ninguna relación entre lo que este absorbe y lo que este radia. Una idea que atentaba contra todo lo que tenía que decir la física hasta entonces.
  • En “La estrella oscura explica de forma muy lúcida las principales características de los agujeros negros.
  • En “No es la geometría de su abuelo” resume, además, las propiedades principales de la relatividad general de Einstein con diagramas y esquemas muy pertinentes.
  • En “Einstein, no le digas a Dios lo que tiene que hacer”, resume los postulados de la mecánica cuántica, haciendo hincapié en el que dice que la información se conserva como una onda (el cual es el que Hawking intentó justificar que no se cumplía al tratar con agujeros negros).
  • En “Planck inventa un patrón de medida mejor”, explica el sistema de unidades de Planck, que en lugar de recurrir a las unidades humanas, como son el metro, el segundo o el kilogramo, se apela a unidades universales relacionadas con las leyes de la física.
  • En “En un bar de Broadway”, Susskind comenta su intercambio de pareceres al respecto con Richard Feynman en un bar, donde comentaron similitudes entre la radiación de los agujeros negros y las desintegraciones nucleares, en las cuales la información se sabía que era conservada.
  • En “Energía y entropía”, resume todas las nociones relevantes acerca de las leyes de la termodinámica, muy en particular el constante aumento del desorden o la entropía de un sistema. Considero que es una de las mejores explicaciones acerca del concepto de entropía que pueden haberse escrito.
  • En “Los chicos de Wheeler, o ¿cuánta información puede caber dentro de un agujero negro?”, explica cómo a comienzos de los años setenta, el célebre físico John Wheeler y sus estudiantes estaban analizando con detalle la física de los agujeros negros y cómo uno de ellos, Jacob Bekenstein, llegó a relacionar su entropía con su área, dando lugar a la primera ecuación de la teoría cuántica de la gravedad.
  • En “Luz negra”, resume cómo Hawking recogió la idea de Bekenstein y la usó para deducir la temperatura que tendría que tener un agujero negro según su masa y, a partir de ahí, justificar que toda la información que se destruye al entrar en un agujero negro es radiada térmicamente sin ninguna relación con lo que entró, reciclando estos la información.

El bloque 2, “Ataque sorpresa”, se centra en los duros diez años durante los cuales comenzó a preparar su réplica a Hawking:

  • En “Cómo perdió Stephen sus bits y no supo dónde encontrarlos”, explica detalladamente el argumento de Hawking, y cómo este atentaba contra todo lo establecido.
  • En “La resistencia danesa”, resume por qué las leyes de la conservación de la información de la mecánica cuántica deberían ser suficientes para replicar a Hawking, aunque no estuviese claro el mecanismo.
  • En “¿A quién le importa?”, explica que la conclusión de Hawking nace de anteponer las leyes de la gravedad a las de la mecánica cuántica para explicar la física de los agujeros negros, y que para poder sobreponerse a ella es necesario reconciliar ambas teorías.
  • En “Jaque ahogado”, explica cómo en 1988 expuso en un seminario una paradoja existente en los agujeros negros. Si una civilización futura decidiera ejecutar a personas lanzándolas sobre un agujero negro, desde el punto de vista exterior les verían morir incinerados en la superficie del mismo debido a la radiación de Hawking, mientras que por el principio de equivalencia de la relatividad general de Einstein tendrían que poder atravesarla sin mayor problema. Una cuestión a la que a día de hoy se denomina “principio de complementariedad de los agujeros negros”.

“Esa conferencia en San Francisco fue la primera de muchas conferencias similares que di en departamentos de física y congresos de física en los cinco continentes. Yo había decidido que incluso si no podía resolver el rompecabezas, me convertiría en el apóstol de su importancia. (…)
Durante el jaque ahogado, los caminos de Stephen y los míos se cruzaron varias veces.

  • En “Escaramuza en Aspen”, explica cómo durante otro seminario allí, comenzó a explicar que la contradicción se podría sortear si se supusiera que cuando los condenados atravesaban el horizonte se creaba una fotocopia de ellos sobre el mismo, con las mismas propiedades que tendrían ellos en el interior del agujero negro. El fotocopiado de información está prohibido por la mecánica cuántica, y Susskind era consciente de ello, pero solo quería introducir otra idea para la que no tuvo tiempo, con lo que a efectos prácticos defendió que era imposible conservar la información.
  • “Cuando acabó la hora, yo había defendido con éxito la paradoja de Stephen y el principio de imposibilidad de la fotocopiadora cuántica, pero no me había quedado tiempo para explicar mi propio punto de vista. Solo cuando el seminario se estaba acabando, gritó la voz mecánica e incorpórea de Stephen, “¡Así que estás de acuerdo conmigo!”. Había un brillo malévolo en sus ojos.
    Evidentemente, yo había perdido esa batalla. Había sido derrotado por mi propio fuego amigo, por mi falta de tiempo, y especialmente por el rápido ingenio de Stephen.

El bloque 3, “Contraataque”, explica con detalle el nacimiento del principio holográfico de su mano y la de Gerardus ‘t Hooft, con el cual ganaron la guerra:

  • En “La batalla de Santa Bárbara”, explica cómo en dicho seminario explicaron por primera vez su propuesta. En las proximidades del horizonte del agujero negro, a las cuales a día de hoy se las denomina “horizonte estirado”, la información acumulada en partículas permite reconstruir a la perfección todo el interior del agujero negro. Cuando el agujero negro radia, la radiación está relacionada con toda la información de dicho horizonte estirado, de modo que se conserva.
  • “Joe Polchinski se levantó y dijo que iba a hacer una encuesta. La pregunta era: “¿Piensa que la información se pierde cuando se evapora un agujero negro como mantiene Hawking? ¿O piensa que se mantiene como afirman ‘t Hooft y Susskind?” (…)
    Resultado final: 25 votos a favor de la pérdida de información, 39 votos a favor de que la información sale con la radiación de Hawking, 7 votos a favor de los remanentes, 6 votos a favor de alguna otra cosa.
    La victoria momentánea no era tan satisfactoria como podía parecer. ¿Cuál sería una victoria real? ¿45 a 32? ¿60 a 17? ¿Realmente importaba lo que pensara la mayoría? Se supone que la ciencia, a diferencia de la política, no está gobernada por la opinión pública.
  • En “El mundo como un holograma”, explica de forma sencilla y muy intuitiva las implicaciones de su principio, justificando las implicaciones de que toda la información en el interior del volumen de un agujero negro sea equivalente a la que se puede codificar sobre su superficie. A

El bloque 4, “Se cierra el círculo”, hace un resumen con todas las implicaciones de lo anterior:

  • En “Arma de destrucción masiva”, resume las principales ideas de la teoría de cuerdas, aunque en un nivel menos profundo que en el libro anterior.
  • En “El avión de Alicia, o la última hélice visible”, explica cómo se puede enfocar intuitivamente la idea de que todo esté hecho de pequeñas cuerdas aunque no lo percibamos como tal.
  • En “Contando agujeros negros”, explica cómo la teoría de cuerdas sustenta el principio holográfico, reforzando su papel como principal candidata a ser la teoría del todo y la radiación Hawking.
  • En “América del Sur gana la guerra”, explica cómo el físico teórico argentino, Juan Maldacena, extendió hasta el límite las ideas del principio holográfico, mostrando que hay muchos indicios matemáticos que sugieren que un volumen sometido a las leyes de la gravedad puede reproducir en su superficie la física del Modelo Estándar de la física de partículas, siendo o bien la física cuántica una representación holográfica de la gravedad, o bien la gravedad una representación holográfica de la física cuántica.
  • En “¿Física nuclear? Estás dando a luz”, explica las aplicaciones de la dualidad AdS/CFT de Maldacena a la física de quarks.
  • En “Humildad”, explica cómo toda esta guerra pudo llevarse a cabo con calma y que en realidad él y Hawking acabaron teniendo un trato muy cordial, incluso antes de que este reconociese estar equivocado.

“Mi conjetura es que estas conexiones están en la raíz de muchos enigmas cosmológicos. Algún día espero escribir otro libro explicando cómo acaba todo esto, pero no creo que sea pronto. (…)
Estoy en deuda profunda con Stephen Hawking y Gerard ‘t Hooft por muchos años de amistad, y por la extraordinaria y estimulante experiencia que hizo posible este libro.

Cuestiones extra:

En la actualidad, Leonard Susskind y Juan Maldacena están desarrollando la conjetura ER=EPR, que va más allá del principio holográfico explicando que el interior de los agujeros negros y su horizonte estirado están conectados mediante agujeros de gusano, y que toda la noción de distancia en sí misma está generada por estos. De esto hablaré por aquí próximamente, y en vivo en Barcelona en Junio.

1 reply »

  1. Excelente entrada. Es un buen trabajo.
    Sin duda, nunca sabremos el nombre del primer cosmólogo que miró al cielo y comentó: Que es todo esto?, Cómo llegó aquí?, Que estoy haciendo yo aquí?….
    Saludos.
    A. Diez

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