La Verdad en la FísicaEn busca de la Verdad…

…por el camino de la Física

Centro PignatelliMiércoles 23-I-2008

Luis J. BOYA

Depto. de Física Teórica, U. de Zgza

c/o Álvaro Alemany

C O N T E N I D O

• ¿Qué es la Verdad?• ¿Qué es la verdad científica?• El acceso a la verdad/certeza en las Ciencias de la Naturaleza (Física en particular)• El método científico Ciencia Normal y Extraordinaria (T. Kuhn) Acuerdo experimental: aproximaciones• La Física Moderna y el alejamiento

de la intuición vulgar• La “Teoría del Todo”

¿Qué es la Verdad (Científica) ?

• Aedequatio Mens in re… (?)• Objetivo de la Ciencia (Natural):

Aprehensión del mundo de los fenómenos en un TODO racional y coherente…• Excluimos las Matemáticas: verdades lógicas, exentas de

contradicción (no siempre posible: Rusell, Hilbert, Gödel…)

• NUNCA es definitiva la evidencia científica• “ Probando e riprobando…”• VERDAD científica no es lo mismo que SENTIDO de las

cosas y de los fenómenos…

El Método Científico

Observación natural, elemental “ Todos los cuerpos se caen”Observación provocada o experimentación:

“ En el plano inclinado caen más despacio ” Enunciado de Leyes Empíricas

“ Los cuerpos caen con igual aceleración”Más evidencia experimental: se proponen y verifican

nuevos experimentosContradicción aparente: los aviones no se caen (!)

Confirmación / Refutación

• Las concordancias teoría - experimento son cuantitativas, siempre con error (%)• E.g. en Física Atómica:

– Ciertas líneas al 109 (efecto Lamb).– Las constantes (e.g. Rydberg) al 1012

En Física Nuclear, antes 10%. Hoy 1%-1%0

GN la peor conocida: 103 sóloEn partículas, 1% deseable, no alcanzable a veces

Aceptación de las Teorías

• Según Einstein, Dirac, etc. las teorías deben ser

BELLAS … pero• Parece una Profecía que se autosatisface:• No conozco teorías que se deshechen por parecer

“feas”

• El criterio supremo es la Falsificación (Kuhn)

• Pero también debe haber una “consistencia interna”, difícil de establecer

Formación de Teorías

• Hipótesis para justificar las leyes

“Hay una fuerza hacia el centro de laTierra”

• Extensión del dominio de aplicación

“ La Luna caería en la tierra,,, a no ser por que se mueve” (fuerza centrífuga).

• Comprobación: movimiento de los planetas

Ley de Gravitación Universal (Newton).

El Paradigma: Ciencia NormalEl caso de la Gravitación

• Satélites de Júpiter

• Predicción de eclipses

• Predicción de Neptuno y de Plutón

• Estrellas binarias

• Galaxias… Pero…

• Anomalías: el Perihelio de Mercurio

• ¿Hay fuerzas no gravitatorias?

R E L A T I V I D A D

• A. Einstein, 1905: Relatividad Especial• La velocidad de la luz, NO el tiempo, es lo

absoluto…• El tiempo depende del sistema que se mueve• Dinámica: La inercia ( masa) debe aumentar en un

móvil, para que la velocidad no supere a la de la luz: m=m0 / √(1-v2/c2)

• Masa y energía equivalentes ( Hiroshima) E=mc2

TEORÍA GENERAL DE LA GRAVITACIÓN

• A. Einstein, 25-XI-1915• La más bella teoría de todo la física (Landau)• Descripción GEOMÉTRICA de la naturaleza:• La Tierra se mueve “libre” alrededor del Sol… que produce una CURVATURA: resulta una elipse, como ya vio empíricamente

Kepler…• ¿Qué curvatura produce un Kilo de masa?

G = T

Mármol Madera

¿Es “verdad” la Relatividad?

• El tiempo es relativo (aviación, mesón )• La masa sube con la velocidad (electrones)• El perihelio de Mercurio• “Redshift” en la compañera de Sirio (repetido en la Tierra, en Harvard, 1961)• Refracción de la luz cerca del Sol• Dos predicciones…

… para el futuro

• Ondas gravitacionales: se buscan…

• Agujeros negros (Wheeler, 1963)

estelares: Cygnus X-1 (1970)

galácticos: La Via Láctea tiene un agujero negro en su centro, masa millones de soles.

• Hay uno lejano con 18·109 estrellas…

• * Evaporación y pérdida de información*

Unificación I: la asignatura siempre pendiente…

• La “frontera” de Einstein: 40 años sin éxito…• La fuerza eléctrica NO es gravitatoria…• ¿Puede extenderse la Teoría General de la

Gravitación para incorporar la electricidad?• Los primeros intentos Einstein, 1917. Weyl, 1919

Kaluza, 1921. Klein, 1924 fracasan miserablemente. • ¿ Demasiado pronto?

C O S M O L O G Í A

• Einstein, 1917: Universo estático, siguiendo el espíritu de la época: el firmamento…Constante cosmológica (repulsión)

• Universo en expansión: no hace falta “El mayor error de mi vida” (A. E., 1931)

• Hay un origen temporal del Universo (Eddington, Lemaitre, Robertson) Una rama de la Ciencia muy activa hoy día Una nueva idea en Cosmología: el poder morfogenético

del azar… (eg el sistema solar)

Interludio: el Microcosmos

• El átomo nuclear: Rutherford, Bohr 1911/13

• Espectros: no vale la teoría clásica:

1) Niveles discretos, no continuos…

2) El electrón en órbita estable NO radia…

• Nace la MECÁNICA CUÁNTICA

El modelo atómico

JJ Balmer, formula empírica del espectro H• (1885), cuatro lineas en el visible. 1% prec.• N Bohr, 1913, cuatro series, cientos de líneas, precisión 0.1

%• A. Somerfeld, 1915/16: corrección relativista, precisión

1:106 (millón)• E. Schródinger, W. Pauli, P. Dirac: confirmación con la

nueva Mecánica Cuántica. Incluye el Spin• E. Fermi, 1930: estructura hiperfina (núcleo)• W. Lamb, 1947: efecto Lamb, efectos Q.E.D.• T. Hänsch, “Döppler-free”: precisión 1:109 (1970)

MECÁNICA CUANTICA

• W. Heisenberg, 1925 (Schrödinger, Dirac)

• R. Feynman, 1941 (integral de camino)

• Más “paradójica” que la Relatividad…

• Mejor comprobada experimentalmente:

• NINGÚN experimento actual la contradice

• NO ACEPTADA por Einstein, ni por muchos otros (de Broglie, Schrödinger…)

Aspectos de la Teoría Cuántica

• Hay una constante, h (constante de Plank)

que limita nuestra intuibilidad en el mundo microscópico. NO tiene una buena interpretación en la forma convencional…

• Pero SÍ en la teoría de Feynman:

P1->2 = ∫ D exp (i/h) ∫ L[]dx

La medida perturba el fenómeno

• … y produce una INCERTIDUMBRE inevitable, cuantificable:p. de incertidumbre

• ¿Inteligible? Sí: medir átomos con átomos

• La media es, pues, incierta y estadística:

• NO hay repetibilidad automática de los fenómenos

• NO hay causalidad estricta…

Mediciones Cuánticas

• Un kilo de Radium pasa a medio kilo (por desintegración) en tiempo preciso, pero…

• Un átomo de Radium suelto NO ES PREDICTIBLE cuando se desintegra…

• Moral: atomismo y simetría esférica FUERZAN a la impredctibilidad…

• Repetibilidad instantánea, posible: la medida canaliza el sistema al resultado de la medida…La paradoja de Zenón…¿Hierve el café si se mira ?

Relajación del Realismo

• ¿ Hay un mundo exterior objetivo, independiente de nosotros, y nuestra función es describirlo?

• NO es posible sin perturbarlo, y por ello

• LA TEORÍA DEBE CONSTRUIRSE PARA QUE NO SUPONGA UNA REALIDAD EXTERIOR INTOCABLE

El único misterio…

de la Mecánica Cuántica, dice Feynman,es el experimento de las dos rendijas:

• Si NO observo por qué rendija pasa el fotón, tengo una imagen, si sé por cual, tengo otra…

• Literalmente “ ni Dios sabe” porqué rendija pasa • La descripción debe ser: emisión y detección

observables, pero propagación no:• LA TEORÍA DEBE FORMULARSE PARA QUE

NO SURJA LA PREGUNTA DE POR DONDE...

Para resumir…• El progreso científico lleva cada vez más al

apartamiento de la intuición vulgar• La causalidad estricta, la existencia objetiva del

mundo, NO se verifican/comprueban en las teorías cuánticas

• Domina, pues, el positivismo (de moda cuando nació, 1920-30), pero…

• Hay un Cuerpo de Doctrina, no sólo una agregación de postulados insípidos e independientes…

• TODAS las comprobaciones experiementales hasta la fecha han dado la razón a la T. cuántica

Unificación II

• La Relatividad Especial y la Teoría Cuántica son teorías formales, es decir, presupuesto de las teorías dinámicas, específicas de determinados fenómenos…

• La Relatividad General, el electromagnetismo son teorías materiales, es decir, se constituyen para explicar ciertas fuerzas concretas…

¿ Qué fuerzas hay ?

• Creemos que sólo cuatro:– Gravitación– Electricidad– Fuerza Fuerte (núcleos atómicos)– Fuerza Débil:neutrón . -> electrón +protón +neutrino (11 min.)

¿ Las entendemos? A medias…

Propiedades de las fuerzas

• Todas, las cuatro, de naturaleza geométrica, descritas por un mecanismo tipo “gauge”

• Salvo la gravitación, “renormalizables”, es decir, se puede en principio hacer cálculos en grados superiores de aproximación

• Eléctricas y débiles unificadas, como dijimos. Las demás, de momento NO

Descripción de las otras fuerzas

• Fuerzas electrodébiles:

Portadores: fotón, W±, Z

Requiere: el bosón de Higgs, por encontrar

• Fuerza fuerte:

Portadores: ocho gluones

Requiere: quarks, dos por familias:

up/down, charm/strange, top/bottom

Status de la Teoría de Partículas

• Falta el bosón de Higgs (¿2010 en LHC?)

• Las fuerzas fuertes (QCD) confinan; pero el confinamiento NO se explica del todo…

• Los neutrinos tienen masa. ¿ Porqué?

• No se entiende la (pequeña) violación CP

• En general, no se entiende el espectro de masas…

Cuerdas y p-Branas

• Un nuevo paradigma, hacia 1984: los objetos fundamentales no son partículas puntuales, sino objetos extensos, o p-Branas

• p=0 partículas, p=1 cuerdas, p=2 membranas, etc.

• Las excitaciones de esos objetos extensos producen las partículas que “vemos”

• La teoría está muy constreñida:

Supercuerdas

• Vive sólo en 10 dimensiones

• … que pasan a cuatro visibles y 6 invisibles

• Todas las partículas tienen pareja supersimétrica: – electrón (s=1/2) -selectrón s=0)– fotón (s=1), - fotino (s = 1/2), etc

La Gravitación aparece automáticamente

Teoría del Todo

• Si se cree que la teoría es única…

• Debería explicar todo: T O E (la idea nace hacia 1984).

• En 1995 E. Witten demuestra que todas (ie, las cinco) teorías de cuerdas son partes de una misma “ Teoría M”, que ahora vive en 11 dimensiones, e incluye “Supergravedad”

La Teoría del Todo, 2008

• Ha perdido mucha fuerzaNo ha explicado nada de los misterios: Porqué hay tres generaciones Porqué hay tantas escalas de masas Porqué la simetría CP, entre otras, no se conserva siempre…

• Voces críticas: Smolin, Voigt (“Non even wrong”)

Resumen

• La física actual explica casi todo el microcosmos y presenta modelos muy fiables del Universo en su totalidad

• Conceptualmente tiene puntos discutibles• La unificación de fuerzas parece aun lejana• No se ha avanzado mucho en poder predictivo desde

1976, el “Modelo Standard”• Ahora hay un impasse, con énfasis en las aplicaciones

.. que es síntoma de decadencia…• El siglo XXI será de la Biología, no de la Física

¿ Y el Problema de la Verdad?

• Estamos aun tan lejos de la Verdad final…

• Pero no hay que perder la esperanza:

– “La Verdad os hará libres” (Cristo)

– Gracias por la atención