CUESTIONES

LOS PARADIGMASJAVIER DE LUCAS

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 “tipo Newton” para todos los fenómenos observables.

• Presupuestos filosóficos básicos

– Materialismo– Reduccionismo– Empirismo– Determinismo causal

Revoluciones del Siglo XX: Relatividad General y Mecánica Cuántica

• Tras 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 correlación empírica.

– 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.

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.

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 Modelo Estándar

Al igual que la materia, las fuerzas o interacciones entre las partículas son a su vez mediadas por “partículas de fuerza”

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”

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.

Principio de Incertidumbre• Principio de incertidumbre de

Heisenberg: es imposible imposible obtenerobtener 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 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 investigar las propiedades de algunas partículas entre dos puntos.• Es imposible saber lo que ocurre entre esos dos 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

El problema de los resultados infinitos: Renormalización

• Para poder calcular probabilidades de una medida la teoría asume dos 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.

La Mecánica Cuántica y la Relatividad son incompatibles

• Una de las dos (posiblemente ambas) es “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 que no son puntuales sino líneas unidimensionales (o 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 longitud 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.

Igual pasa en la Cosmología moderna

• La observación 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 por qué los parámetros que definen la expansión son esos y no otros.

El futuro de las “Teorías de Todo”

• Teoría M: unificando las teorías de supercuerdas

• El Big Bang y los agujeros negros: ejemplos de gravedad cuántica

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

¿Y si se confirmase la Teoría M englobando QM y GR?

• ¿Podría ser considerada Ciencia?

• ¿Habría que reevaluar el requisito aparentemente indispensable de contrastación empírica?

• ¿Cuánto tiempo debe pasar sin falsación empírica ninguna para proclamar el “final de la Física”?

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