¿Cómo hacer ciencia? Cosmología, Teoría de supercuerdas y el criterio de falsabilidad de Popper Dr. Ramón López Alemán Departamento de Ciencias Físicas

El Paradigma Newtoniano en las ciencias El éxito del paradigma Newtoniano inspiró la Revolución científica moderna. Las demás ciencias naturales empezaron a moverse a buscar explicaciones “a la Newton” para todos los fenómenos observables. Presupuestos filosóficos básicos Materialismo Reduccionismo Empirismo Determinismo causal

El éxito del paradigma Newtoniano inspiró la Revolución científica moderna.

Las demás ciencias naturales empezaron a moverse a buscar explicaciones “a la Newton” para todos los fenómenos observables.

Presupuestos filosóficos básicos

Materialismo

Reduccionismo

Empirismo

Determinismo causal

Revoluciones del Siglo XX: Relatividad General y Mecánica Cuántica Luego de la influencia de Mach y los éxitos empíricos impresionantes de estas teorías aún vigentes (aunque incompatibles entre sí) se crearon dos corrientes filosóficas opuestas en la física fundamental: Positivismo lógico – las teorías físicas no reflejan la realidad. Solo son herramientas computacionales que no deben hablar de entes que no tengan correlatos empíricos. Realismo “reducido” – las teorías matemáticas de la física deben buscar una descripción completa y satisfactoria de una realidad externa, pero puede haber un enorme número de teorías equivalentes (difeomórficamente equivalentes).

Luego de la influencia de Mach y los éxitos empíricos impresionantes de estas teorías aún vigentes (aunque incompatibles entre sí) se crearon dos corrientes filosóficas opuestas en la física fundamental:

Positivismo lógico – las teorías físicas no reflejan la realidad. Solo son herramientas computacionales que no deben hablar de entes que no tengan correlatos empíricos.

Realismo “reducido” – las teorías matemáticas de la física deben buscar una descripción completa y satisfactoria de una realidad externa, pero puede haber un enorme número de teorías equivalentes (difeomórficamente equivalentes).

Reduccionismo y Empirismo en las ciencias humanas y sociales En oposición a estas visiones epistemológicas en cuanto a qué se refieren las teorías científicas, en la psicología y sociología modernas hay aún más cuestionamientos serios al empirismo , al rol de las matemáticas y al reduccionismo como herramientas indispensables para crear conocimiento científico válido. Varias escuelas de pensamiento en las ciencias sociales creen que los fenómenos de la conciencia y el comportamiento humano no se pueden reducir a interacciones bioquímicas entre neuronas. Según esta visión hay realidades “mentales” que no se pueden capturar con un tratamiento lógico-matemático basado solo en datos empíricos.

En oposición a estas visiones epistemológicas en cuanto a qué se refieren las teorías científicas, en la psicología y sociología modernas hay aún más cuestionamientos serios al empirismo , al rol de las matemáticas y al reduccionismo como herramientas indispensables para crear conocimiento científico válido.

Varias escuelas de pensamiento en las ciencias sociales creen que los fenómenos de la conciencia y el comportamiento humano no se pueden reducir a interacciones bioquímicas entre neuronas. Según esta visión hay realidades “mentales” que no se pueden capturar con un tratamiento lógico-matemático basado solo en datos empíricos.

Criterio de falsabilidad de Karl Popper Este es uno de los criterios más utilizados para distinguir qué es una teoría científica y cual debe ser la meta de la ciencia. Una teoría científica será válida y estará “bien formada” SI Y SOLO SI hay una manera de poder demostrar que es falsa. La idea es que el método científico funcione como un “detector de mentiras” que solo permita teorías lógicas y plausibles de acuerdo a criterios estrictamente empíricos.

Este es uno de los criterios más utilizados para distinguir qué es una teoría científica y cual debe ser la meta de la ciencia.

Una teoría científica será válida y estará “bien formada” SI Y SOLO SI hay una manera de poder demostrar que es falsa.

La idea es que el método científico funcione como un “detector de mentiras” que solo permita teorías lógicas y plausibles de acuerdo a criterios estrictamente empíricos.

Reduccionismo en la Física: ¿Cuáles son las entidades fundamentales? El mundo subatómico de lo material Teoría de Campos Cuánticos El escenario donde se desenvuelve la realidad Teoría de Relatividad General: espacio, tiempo y gravedad

El mundo subatómico de lo material

Teoría de Campos Cuánticos

El escenario donde se desenvuelve la realidad

Teoría de Relatividad General: espacio, tiempo y gravedad

El Modelo Estándar de la Materia Ver página de web en http://particleadventure.org

Al igual que la materia, las fuerzas o interacciones entre las partículas son a su vez mediadas por “partículas de fuerza” Fuerzas fundamentales Electromagnetismo Fuerza nuclear débil Fuerza nuclear fuerte Gravedad

Postulados filosóficos principales de la Teoría Cuántica Cada sistema material se compone de una o más “partículas” de materia Cada sistema se puede describir totalmente por una entidad matemática conocida como “función de onda” (vector en un espacio de Hilbert) Las cantidades reales de estos sistemas que podemos medir se pueden describir por entidades matemáticas conocidas como “operadores hermíticos”

Cada sistema material se compone de una o más “partículas” de materia

Cada sistema se puede describir totalmente por una entidad matemática conocida como “función de onda” (vector en un espacio de Hilbert)

Las cantidades reales de estos sistemas que podemos medir se pueden describir por entidades matemáticas conocidas como “operadores hermíticos”

Partículas, sus propiedades y la realidad probabilística Hay propiedades intrínsecas (autovectores) que definen el tipo de una partícula. Masa, espín, cargas Todas las partículas de un mismo tipo son idénticas Los posibles resultados de medir otras propiedades dependen de las interacciones con su “ambiente externo”. Es imposible conocer la trayectoria exacta de un sistema o cuales serán los resultados exactos de esas medidas.

Hay propiedades intrínsecas (autovectores) que definen el tipo de una partícula.

Masa, espín, cargas

Todas las partículas de un mismo tipo son idénticas

Los posibles resultados de medir otras propiedades dependen de las interacciones con su “ambiente externo”.

Es imposible conocer la trayectoria exacta de un sistema o cuales serán los resultados exactos de esas medidas.

Principio de Incertidumbre Principio de incertidumbre de Heisenberg: es imposible tener valores simultáneos para la posición y el movimiento de una partícula. El problema de la medición: Medir las propiedades de una partícula requiere que ésta interactúe con fuerzas provenientes del aparato que mide. El acto de medir algo cambia irremediablemente lo que se quiere medir. Antes de medir, un sistema cuántico se halla en una superposición de estados con todas las propiedades posibles en ese momento.

Principio de incertidumbre de Heisenberg: es imposible tener valores simultáneos para la posición y el movimiento de una partícula.

El problema de la medición: Medir las propiedades de una partícula requiere que ésta interactúe con fuerzas provenientes del aparato que mide.

El acto de medir algo cambia irremediablemente lo que se quiere medir.

Antes de medir, un sistema cuántico se halla en una superposición de estados con todas las propiedades posibles en ese momento.

¿Existe la materia si nadie la está mirando? Un experimento en física fundamental consiste en saber las propiedades de algunas partículas solo al inicio y al final. Es imposible saber lo que ocurre entre esos 2 puntos. La dualidad onda-partícula y los campos cuánticos.

Un experimento en física fundamental consiste en saber las propiedades de algunas partículas solo al inicio y al final.

Es imposible saber lo que ocurre entre esos 2 puntos.

La dualidad onda-partícula y los campos cuánticos.

Interacciones y diagramas de Feynman Es posible que aparezcan partículas virtuales de la nada, pues no tener absolutamente nada en un punto violaría el principio de incertidumbre. Teoría de perturbaciones: el resultado de una medida se predice incluyendo TODAS las posibilidades en ir del estado inicial al final

Es posible que aparezcan partículas virtuales de la nada, pues no tener absolutamente nada en un punto violaría el principio de incertidumbre.

Teoría de perturbaciones: el resultado de una medida se predice incluyendo TODAS las posibilidades en ir del estado inicial al final

El problema de los resultados infinitos: renormalización Para poder calcular probabilidades de una medida la teoría asume 2 condiciones fundamentales: diagramas más complicados son mucho más improbables y contribuyen menos al resultado final. Las partículas y las interacciones entre éstas son puntos geométricos de tamaño infinitesimalmente pequeños. Este esquema no va a funcionar jamás si una de las fuerzas es la gravedad .

Para poder calcular probabilidades de una medida la teoría asume 2 condiciones fundamentales:

diagramas más complicados son mucho más improbables y contribuyen menos al resultado final.

Las partículas y las interacciones entre éstas son puntos geométricos de tamaño infinitesimalmente pequeños.

Este esquema no va a funcionar jamás si una de las fuerzas es la gravedad .

Gravedad y Relatividad General Según Einstein, la gravedad no es una fuerza “material” como las otras. La gravedad resulta de “deformar” el espacio y el tiempo en el cual se mueve la materia. Se puede tener gravedad en espacios vacíos sin materia pues ella es auto-generable. Donde está una partícula y cuándo está ahí son conceptos locales y relativos al observador.

Según Einstein, la gravedad no es una fuerza “material” como las otras.

La gravedad resulta de “deformar” el espacio y el tiempo en el cual se mueve la materia.

Se puede tener gravedad en espacios vacíos sin materia pues ella es auto-generable.

Donde está una partícula y cuándo está ahí son conceptos locales y relativos al observador.

La Mecánica Cuántica y la Relatividad son incompatibles Una de las dos (posiblemente ambas) está “incorrecta”. Las partículas puntuales, la incertidumbre y los violentos comportamientos a nivel subatómico deformarían el espacio infinitamente. La Mecánica Cuántica resuelve para interacciones en un punto y en un tiempo dado en un espaciotiempo plano. La Relatividad resuelve para todo el espacio curvo por todo el tiempo dada una distribución continua de materia.

Una de las dos (posiblemente ambas) está “incorrecta”.

Las partículas puntuales, la incertidumbre y los violentos comportamientos a nivel subatómico deformarían el espacio infinitamente.

La Mecánica Cuántica resuelve para interacciones en un punto y en un tiempo dado en un espaciotiempo plano.

La Relatividad resuelve para todo el espacio curvo por todo el tiempo dada una distribución continua de materia.

Teoría de supercuerdas Supuestos fundamentales: Solo existen en el universo dos entidades fundamentales. Un espacio-tiempo de 10 dimensiones de las cuales solo vemos 3 dimensiones espaciales macroscópicas y 1 de tiempo. Un inmenso número de pequeñas cuerdas o “hilitos” que no son puntuales sino líneas unidimensionales (o hasta membranas extendidas).

Supuestos fundamentales:

Solo existen en el universo dos entidades fundamentales.

Un espacio-tiempo de 10 dimensiones de las cuales solo vemos 3 dimensiones espaciales macroscópicas y 1 de tiempo.

Un inmenso número de pequeñas cuerdas o “hilitos” que no son puntuales sino líneas unidimensionales (o hasta membranas extendidas).

Materia, energía y fuerzas Estas supercuerdas respetan una simetría matemática especial entre bosones y fermiones conocida como super-simetría (SUSY). Las supercuerdas son del tamaño fundamental conocido como largo de Planck (10 -35 metros). Las ecuaciones que gobiernan los modos de vibración de las cuerdas reproducen la distribución de masas, cargas, y espines de las “partículas” y fuerzas del Modelo Estándar. Los electrones, quarks, fotones, bosones W y Z, y gluones no son partículas diferentes sino que son todas supercuerdas vibrando a diferentes frecuencias. Hay una vibración asociada al gravitón que reproduce una Teoría General de la Relatividad renormalizable.

Estas supercuerdas respetan una simetría matemática especial entre bosones y fermiones conocida como super-simetría (SUSY).

Las supercuerdas son del tamaño fundamental conocido como largo de Planck (10 -35 metros).

Las ecuaciones que gobiernan los modos de vibración de las cuerdas reproducen la distribución de masas, cargas, y espines de las “partículas” y fuerzas del Modelo Estándar.

Los electrones, quarks, fotones, bosones W y Z, y gluones no son partículas diferentes sino que son todas supercuerdas vibrando a diferentes frecuencias.

Hay una vibración asociada al gravitón que reproduce una Teoría General de la Relatividad renormalizable.

Problemas de la teoría No es única. Hay al menos 5 variedades de teorías de supercuerdas. Hay al menos otras dos teorías alternas de gravedad cuántica. Es tan complicada y abstracta que aún ni se saben cual serían las ecuaciones exactas que gobiernen las funciones de onda de las cuerdas. Tiene demasiada riqueza predictiva. No solo predice las “partículas” del Modelo Estándar sino que podría tener muchas otras que no se ven, y que por tanto hay que “prohibir” sin ninguna justificación teórica. Es imposible realizar experimentos a escala de Planck para verificar consecuencias distintas del Modelo Estándar. La teoría no es falsable empíricamente.

No es única. Hay al menos 5 variedades de teorías de supercuerdas. Hay al menos otras dos teorías alternas de gravedad cuántica.

Es tan complicada y abstracta que aún ni se saben cual serían las ecuaciones exactas que gobiernen las funciones de onda de las cuerdas.

Tiene demasiada riqueza predictiva. No solo predice las “partículas” del Modelo Estándar sino que podría tener muchas otras que no se ven, y que por tanto hay que “prohibir” sin ninguna justificación teórica.

Es imposible realizar experimentos a escala de Planck para verificar consecuencias distintas del Modelo Estándar. La teoría no es falsable empíricamente.

Igual pasa en la cosmología moderna La data de supernovas 1A que demuestra una expansión acelerada del universo es incompatible con la Relatividad General si solo existe lo que se puede confirmar empíricamente (¿energía oscura?). Es imposible determinar las causas del Big Bang, ni porqué los parámetros que definen la expansión son esos y no otros.

La data de supernovas 1A que demuestra una expansión acelerada del universo es incompatible con la Relatividad General si solo existe lo que se puede confirmar empíricamente (¿energía oscura?).

Es imposible determinar las causas del Big Bang, ni porqué los parámetros que definen la expansión son esos y no otros.

El futuro de las “Teorías de Todo” M-Theory: unificando las teorías de supercuerdas El Big Bang y los huecos negros: ejemplos de gravedad cuántica El principio antrópico: la existencia de organismos vivos y las leyes del universo

M-Theory: unificando las teorías de supercuerdas

El Big Bang y los huecos negros: ejemplos de gravedad cuántica

El principio antrópico: la existencia de organismos vivos y las leyes del universo

¿Y si se lograse una M-Theory consistente lógicamente que incluya QM y GR? ¿Podría ser considerada ciencia? ¿Habría que reevaluar el requisito aparentemente indispensable de contrastación empírica? (Neoplatonismo como parte de la filosofía científica) Insuficiencia de la data empírica a la hora de determinar la “verdad” de una teoría matemática (“Gauge Freedom”) ¿Cuánto tiempo debe pasar sin falsificación empírica ninguna para proclamar el terrible y evadido “final de la Física”?

¿Podría ser considerada ciencia?

¿Habría que reevaluar el requisito aparentemente indispensable de contrastación empírica? (Neoplatonismo como parte de la filosofía científica)

Insuficiencia de la data empírica a la hora de determinar la “verdad” de una teoría matemática (“Gauge Freedom”)

¿Cuánto tiempo debe pasar sin falsificación empírica ninguna para proclamar el terrible y evadido “final de la Física”?