Texto publicado por Jose Antonio

Repaso a las cuestiones más importantes de la Filosofía de la Cosmología

A raíz del congreso celebrado hace poco en Tenerife, Sean Carroll ha propuesto recientemente en su blog las cuestiones más importantes de la Filosofía de la Cosmología en la actualidad. Son problemas aún abiertos y puede que alguno de ellos se quede así por mucho tiempo o incluso para siempre, pero determinan el modo en el que los físicos crean modelos cosmológicos.
Parece interesante repasar la lista, así que lo haremos tratando de ser lo más divulgativos posible.

¿Está el Universo sintonizado de manera fina?

Las leyes de la Física dependen de varios parámetros que parecen tener valores determinados. El cambio de valor en alguno de esos parámetros parece que da al traste con el Universo tal y como lo conocemos y con lo que llamamos vida. Así por ejemplo, si se dan cambios en los parámetros de la fuerza nuclear débil no tenemos elementos químicos pesados al no haber reacciones de fusión. Pero es aún más dramático el cambio en las condiciones del vacío cuántico. Si, por ejemplo, la energía oscura fuera más potente el Universo se hubiera expandido rápidamente y no se hubieran formado las galaxias y estrellas. Cuestiones similares se dan para el campo de Higgs y otras cuestiones.
También hay estudios que señalan que unos cambios pueden ser compensados con otros y que se necesitan cambios grandes unilaterales para que el Universo pase a ser algo irreconocible. El caso es que no se sabe el alcance de esta sintonización [1].
Los físicos se dividen filosóficamente en dos. Los primeros son los “naturalistas”, que creen que hay procesos aún por descubrir que explican por qué los valores son los que son y no otros. Los demás creen que hay un multiverso inmensamente grande (y en su mayoría aburrido) en donde se dan todas las posibilidades y que nos ha tocado un universo en el que los valores de los parámetros obtenidos al azar han dado lugar a un universo interesante en donde aparece la vida y seres que se plantean estas cosas rodeados de un desierto de universos sin vida.

¿Cómo está relacionada la flecha del tiempo con el estado del Universo durante el Big Bang?

Como ya sabemos todos, las leyes de la Física que los humanos enunciamos son reversibles en el tiempo, pero la Naturaleza no lo es. Los huevos rotos no se cohesionan de nuevo, el agua evaporada no vuelve por sí sola al recipiente que la contenía, etc. El crecimiento de la entropía (desorden) parece indicar que el tiempo siempre avanza del pasado al futuro y es imposible retroceder en sentido contrario. Es lo que llamamos “flecha del tiempo” [2], [3]. La expansión del Universo parece que también está ligada a este sentido del tiempo. La flecha del tiempo parece estar ligada además al concepto de causalidad. Sin esta flecha no parece posible que se pueda mantener un sistema de causa-efecto.
En la interpretación habitual de la Mecánica Cuántica el proceso de medida colapsa la función de ondas de manera irreversible. Así que, ¿está además ligada al proceso de medida cuántica?
Pero si hay una flecha del tiempo, ¿cuándo quedó definida? Lo más lógico es pensar que quedo definida en algún momento durante el Big Bang. En ese momento el Universo tenía una entropía muy baja y desde entonces la entropía total no ha parado de crecer. Como no sabemos la naturaleza real del tiempo ni tenemos una teoría cuántica de gravedad (que explique la microestructura del espacio-tiempo) no sabemos si se puede explicar la génesis de la flecha del tiempo a través de algún tipo de proceso dinámico que a partir de unos microestados desconocidos proporcione los macroestados que medimos. Incluso quizás la explicación de la flecha del tiempo se pueda hacer fuera del marco de una teoría cuántica de gravedad.

¿Cuál es el papel apropiado del principio antrópico?

El principio antrópico establece que cualquier teoría sobre el Universo tiene que ser consistente con la existencia del ser humano. El Universo tiene una serie de propiedades que determinan nuestra existencia, luego entonces dichas condiciones se verifican al existir nosotros. Los intentos de usar este principio han llevado a una gran polémica y controversia entre los cosmólogos [4].
Para unos es un simple “pleonasmo”. Nosotros hemos aparecido y evolucionado en un universo con ciertas condiciones, así que es natural que las leyes físicas nos parezcan naturales y apropiadas para nosotros. Es el Universo el que genera a los humanos y no los humanos los que generan el Universo.
Pese a todo, algunos usan este principio para hacer ciertas predicciones. El problema es cómo son los “humanos” o “alienígenas”que observan el Universo.
Si tal principio se puede usar para realizar predicciones entonces, ¿cómo tenemos que definir apropiadamente la clase de observadores? Si tal clase existe, ¿qué nos hace pensar que pertenecemos a esa clase? ¿La predicción de la existencia de entes como los cerebros de Boltzmann [5],[6] sirve como prueba en contra de un escenario cosmológico?

¿Qué partes del reino de lo inobservable deberían jugar un papel en los modelos cosmológicos?

En muchos modelos cosmológicos se asume la existencia de entes u objetos que no se pueden observar: universos bolsillos, universos bebé, ramificaciones de la función de onda del universo, etc. Esto deriva en un multiverso que está, generalmente, fuera de toda experimentación [7]. Así que es legítimo preguntarse si esos entes caen fuera de lo que llamamos ciencia al no poder ser observados. Si algunos modelos los incorporan, ¿cómo debemos adaptar el método científico para incorporar el concepto de falsabilidad?
Algunos físicos sugieren que si se propone un modelo cosmológico que incorpore el multiverso y este predice ciertas propiedades observables en nuestro universo entonces y estas se encuentran, entonces es una prueba a favor del modelo. Esto es típico de modelos como el inflacionario, que parecen predecir un multiverso y ciertas pruebas empíricas predichas que parecen observarse (a la espera de refutar o confirmar los modos-B [8], [9]). Entonces, ¿cómo de seguros podemos estar sobre los escenarios propuestos para el Big Bang que incluyen inflación? ¿Cómo podemos evaluar bajo el punto del método científico estos modelos? ¿Podemos afirmar que existen esos otros universos aunque jamás tengamos pruebas directas de ellos?

¿Cómo es el estado cuántico del Universo y cómo evoluciona?

El problema en este punto es que no tenemos una teoría cuántica de la gravedad y, por tanto, no podemos formular a nivel cuántico el Universo. Tampoco sabemos qué aspectos de la interpretación de la Mecánica Cuántica afectan a una modelización cuántica del Universo en su conjunto. Así por ejemplo, ¿se dan los mundos múltiples de Everett? Si es así aparece de nuevo el multiverso [10].
¿Bajo qué condiciones las diferentes partes del estado cuántico son reales en el sentido de que los observadores que hay dentro las tengan en cuenta? Es decir, ciertos conceptos cuánticos pueden ser un simple mecanismo de cálculo para los humanos que creamos la teoría, pero que no tendrían correspondencia con un observable en el mundo real [11].
¿Qué papel juegan la decoherencia y la probabilidad cuántica en la evolución cosmológica? ¿Cómo aparece el comportamiento clásico del Cosmos que vemos a partir de su estado su cuántico?

¿Son el espacio y el tiempo fundamentales o son propiedades emergentes?

El espacio y el tiempo (sean absolutos o relativos) son las últimas referencias sobre las que se asientas las teorías físicas. Hasta ahora se les ha considerado como entes fundamentales que tienen existencia propia, pero podrían ser propiedades emergentes que están en el todo y que no están en cada una de las partes constituyentes. De este modo, por debajo habría otros entes cuya interacción dan lugar a lo que llamamos espacio-tiempo [12],[13],[14],[15].
Se cree que una buena teoría cuántica de gravedad debe de cuantizar el espacio-tiempo y que hay algo así como cuantos de espacio y tiempo que juegan el papel de agentes que, al interaccionar entre sí, crean a la escala macroscópica lo que percibimos como espacio y tiempo. ¿Cuáles serían los grados de libertad de estos entes?
La Mecánica Cuántica se define en un “espacio” abstracto matemático que se denomina espacio de Hilbert, ¿se puede tener un espacio de Hilbert bien definido para la función de onda del Universo? ¿Es la evolución del tiempo fundamental o el tiempo emerge de correlaciones dentro de un estado estático? Algunos físicos creen que el tiempo podría ser, de todos, modos fundamental.

¿Cuál es el papel del infinito en Cosmología?

La pregunta que primero nos viene a la mente es si es posible que el Universo sea infinitamente grande en tamaño (el Universo observable siempre es finito) y si podemos distinguir entre infinito y algo realmente muy grande. En los modelos cosmológicos se asume un universo infinito o ilimitado desde el punto de vista geométrico del espacio. Además, en Relatividad General se considera una esfera de universo, que puede ser tan arbitrariamente grande como se desee, para hacer las predicciones, pero no se hacen cálculos para un radio infinito de esfera de universo. ¿Un universo infinito implica un universo relleno infinitamente y en todo momento de materia?
Por último, ¿puede explicarse la existencia de la flecha del tiempo si el Universo tiene una infinidad de espacio en el que evolucionar? Al fin y al cabo, la flecha del tiempo parece estar conectada con la expansión del Universo.

¿Puede el Universo tener un comienzo o puede ser eterno?

En los modelos cíclicos el Universo es eterno y ha existido siempre. Esta idea aparece una y otra vez en Cosmología una vez que los modelos cíclicos previos son refutados por las observaciones. En el modelo más sencillo hay una única flecha del tiempo que viene del infinito pasado y se prolonga en el futuro infinito. Puede ser un universo que recolapsa (por una energía oscura que cambia de signo) y rebota en otro Big Bang [16]
u otra suerte de renacimiento a través, quizás, de la caída a otro estado de vacío cuántico. En todo caso, estos modelos deben explicar el estado de baja entropía de lo que llamamos Big Bang.
También podría darse un universo simétrico en el tiempo, con dos sentidos opuestos en la flecha del tiempo y centrado alrededor de un punto de baja entropía (el Big Bang).
Puede que el Universo tenga un principio, entonces, ese primer momento, ¿requiere de una causa o de una explicación más profunda? ¿Por qué hay algo en lugar de nada? [17]

¿Cómo se aplican las leyes físicas y la causalidad al Universo en su conjunto?

Recientemente se ha propuesto que las leyes físicas podrían cambiar o evolucionar en el tiempo. Se ha propuesto incluso un escenario de multiverso regenerativo sobre un tiempo fundamental y no emergente en el que hay cierta evolución darwiniana por la que ciertos universos se ven favorecidos para su “reproducción” más que otros [18]. Si es así, ¿qué aspecto se selecciona?, ¿su simplicidad, su bondad, su interés, su fecundidad? Si es así, entonces el Universo quizás no sea completo en sí mismo, ¿requiere de factores externos para mantenerlo?
Bajo este prisma, las leyes de la física no habría que entenderlas como entidades que gobernarían el Universo, sino como un conjunto compacto que representan un gran número de hechos. ¿Requieren las leyes físicas de una explicación definitiva o simplemente son?

¿Cómo surgen y evolucionan el orden y las estructuras complejas?

¿Es la complejidad un fenómeno transitorio o depende de la generación de entropía? ¿Estos principios generales gobiernan la complejidad física, biológica o psicológica? ¿Es la aparición de vida algo probable o inevitable? ¿Qué papel juega la consciencia en el Universo?
Fuente: Neofronteras.