¿De dónde vienen las leyes de la física? Creo que he encontrado la respuesta.

Lanza una piedra a un lago y, amablemente, se hunde. Si aplastas las partículas, se deshacen siguiendo ciertos patrones. Presiona un interruptor y deja que se haga la luz. La realidad, a pesar de toda su gloria y drama cósmico, parece operar de manera consistente y predecible.

Los físicos como yo a menudo atribuyen este feliz hecho a lo que llamamos las leyes de la naturaleza. Estas leyes se aplican de la misma manera en todas partes: la misma fuerza de gravedad que desvía la luz de las estrellas distantes también mantiene los pies en el suelo. Además, no cambian: son válidos desde el big bang hasta el final feliz. Todo esto se da por sentado en la física hasta el punto de que pocos lo cuestionan.

Para ser justos, hay buenas razones para ello. Preguntar sin rodeos "¿De dónde vienen las leyes de la física?" Puede parecer como introducir de contrabando filosofía en el laboratorio. También puede llevarnos a territorio peligroso: podríamos terminar esperando que las estrellas ardan de manera diferente o que los átomos se desintegren.

Pero creo que el origen de las leyes de la naturaleza es una cuestión que no podemos ignorar y que he estado reflexionando durante los últimos años. Muchos intentos anteriores de explicar cómo surgieron estas leyes fracasaron porque terminaron introduciendo “metaleyes” más profundas a lo largo del camino. Sin embargo, finalmente creo que tengo algo mejor: un marco que explica cómo las reglas de la ciencia variaron enormemente al comienzo del universo antes de establecerse en lo que vemos hoy. Si estoy en lo cierto, entonces las “leyes de la naturaleza” pueden no ser fundamentales en absoluto.

¿Qué quiero decir con las leyes de la naturaleza? Me refiero a las ecuaciones clave de la física, como las leyes de gravedad de Isaac Newton; las ecuaciones de James Clerk Maxwell, que gobiernan la electricidad y el magnetismo; y las ecuaciones de campo de Albert Einstein, que explican el funcionamiento del espacio-tiempo. Estos vienen acompañados de lo que llamamos constantes fundamentales, números que están incluidos en las ecuaciones y describen propiedades del universo que hemos observado, cosas como la fuerza de la gravedad o la carga de un electrón. Las ecuaciones y constantes no son sólo resúmenes convenientes de la realidad, son las vigas que sostienen todo el edificio teórico de la física.

Sin embargo, si vamos a preguntar de dónde vienen las leyes de la naturaleza, debemos considerar una posibilidad más inquietante: que alguna vez no hubo ninguna ley. Hubo un período anterior a las partículas, antes de la geometría, incluso antes de la noción de tiempo. La realidad habría sido un desastre caótico.

El visionario físico John Wheeler llamó a este estado de anarquía del Lejano Oeste “desordenado”. Esta no fue una frase desechable. Cuando me encontré por primera vez con el comentario de Wheeler, mi inglés no llegaba al desorden, así que lo busqué. Un sinónimo era “helter-skelter”, que asocié con la canción de los Beatles con ese título. Eso parecía correcto: un universo cacofónico: guitarras muy desafinadas, sin acuerdo sobre el ritmo o la tonalidad.

En ese momento, yo era un cosmólogo rodeado de tendencias conformistas: inflación, materia oscura y energía oscura, que los teóricos agrupan en el llamado modelo lambda-CDM de nuestro universo. Esto no busca explicar por qué tenemos las leyes que tenemos, sino que simplemente dice que simplemente son y siempre han sido. Quizás simplemente por reaccionar a esto, estaba tratando de encontrar alternativas, como teorías cosmológicas que permiten que la velocidad de la luz varíe en los primeros momentos del universo. Cuanto más descabellada fuera la idea, mejor.

La confusa idea de Wheeler me resultó embriagadora e inmediatamente alarmante. Si las propias leyes de la física pueden cambiar, incluso de forma caótica, ¿qué es lo que ancla la realidad? ¿Es ésta siquiera una pregunta que la física puede esperar responder, o es sólo filosofía, vestida con una bata de laboratorio?

La mayoría de los físicos prefieren no preguntar. Pero en cierto sentido no tenemos ese lujo. La física, en esencia, es el intento de explicar por qué el universo es como es, y no de otra manera. Y ese proyecto parece inacabado si simplemente damos por sentadas las leyes mismas. Si llevamos esta línea de cuestionamiento lo suficiente, llegaremos a un lugar más radical: una época en la que no había ninguna ley.

Las leyes fundamentales de la naturaleza.

La mayoría de los físicos sienten una descarga eléctrica pavloviana cuando se enfrentan al concepto de un universo sin ley. Pero hay buenas razones para ello. Parte de ello, como ya he dicho, es que estas leyes son parte integral de la estructura de la física moderna. De ahí el instinto de que sean eternos, perfectos, inmutables. También sospecho que algo de esto se remonta a una época en la que la ciencia y la religión estaban profundamente entrelazadas, y las ideas sobre las leyes naturales hacían eco de la ley divina: eterna, universal y no abierta a negociación. Incluso después de que la ciencia se secularizó, la reverencia permaneció.

Pero aquí hay algo más en juego que es aún más importante: la simetría. En geometría, una forma tiene simetría si puedes realizar alguna operación, como una rotación, y la forma se ve igual. La física tiene un tipo similar de simetría. Realice un experimento aquí o allá, hoy o mañana, mirando al norte o al sur, y el resultado es el mismo (o al menos, suponemos que lo es).

Las implicaciones de esa suposición son enormes. Fueron presentados por primera vez en 1918 por Emmy Noether, una matemática cuyo trabajo reconectó permanentemente la física teórica, a pesar de que su carrera estuvo obstruida durante años por el sexismo institucional. Noether demostró que toda simetría continua (una simetría que se mantiene bajo un cambio suave, como moverse a través del espacio o el tiempo) viene con una cantidad conservada. Demostró, matemáticamente, que si las leyes de la física son las mismas en todas partes, eso lógicamente significa que el impulso debe conservarse, es decir, la cantidad total de impulso compartido entre todos los objetos (por ejemplo, entre las bolas de un juego de billar) no cambia. Las cantidades conservadas pueden intercambiarse entre objetos, por ejemplo en una colisión, pero la suma permanece fija.

Sin embargo, una simetría juega un papel especial. Si las leyes de la física son las mismas de un momento a otro (obedecen lo que llamamos invariancia de traducción del tiempo), esto implica que la energía no se puede crear ni destruir. Por sí solo, está bien. El problema es que lo contrario también ocurre. Si cree que las leyes de la física pueden cambiar con el tiempo, entonces se viola la conservación de energía. Se rompe uno y el otro sangra. Este es un gran problema para muchos de mis colegas porque, según los principios de la física, la conservación de la energía es casi la más sagrada.

Domar un universo sin ley

Sin embargo, algunos físicos no se dejaron intimidar. El antepasado de esta rebelión fue Paul Dirac, mejor conocido por unificar la mecánica cuántica y la relatividad especial. Dirac era famoso por su excentricidad y, fiel a su estilo, escribió uno de los artículos más radicales de su carrera durante su luna de miel en Brighton, Reino Unido, en 1937.

En el artículo, Dirac hizo una propuesta audaz de que las constantes de la naturaleza, esos números importantes que aparecen en nuestras leyes fundamentales, en realidad reflejan la edad del universo. Si esto fuera cierto, entonces las constantes no son "constantes" en absoluto y, en cambio, evolucionan en el tiempo. Desde este punto de vista, las leyes de la física ya no son eternas.

Décadas más tarde, mi amigo Lee Smolin impulsó mucho más la idea de hacer evolucionar las leyes. La propuesta de Lee, conocida como selección natural cosmológica, comienza con una simple heterodoxia: los agujeros negros podrían no ser callejones cósmicos sin salida. En cambio, cada agujero negro da origen a un nuevo universo en expansión al otro lado de su horizonte, una especie de descendencia cósmica. Esta idea no es pura fantasía. La relatividad general permite reordenamientos extremos del espacio-tiempo dentro de los agujeros negros, y algunas soluciones pueden leerse como puentes hacia nuevas regiones.

Fundamentalmente, Smolin sugirió que las leyes y constantes no se copian perfectamente en este proceso. Cada nuevo universo hereda constantes ligeramente mutadas, pequeños cambios en las masas de las partículas o en la intensidad de las fuerzas. Algunos universos son mejores que otros a la hora de sembrar agujeros negros y, por tanto, mejores a la hora de transmitir sus constantes. A lo largo de muchas generaciones, los universos con constantes "exitosas" llegan a dominar. Por extraño que pueda parecer a primera vista, esta idea aún no llega a ser un total desorden de Wheeler. En la visión de Wheeler, no se trata simplemente de que las constantes incluidas en las ecuaciones evolucionen. Las ecuaciones mismas también están en constante cambio, si es que tiene sentido hablar de ecuaciones.

Pero espera, ¿qué pasa con ese gran inconveniente que nos ha estado observando desde la época de Noether: la idea de que si permites que las leyes de la naturaleza cambien, renuncias a la conservación de energía? Durante mucho tiempo, esto se tomó como una razón para no aplicar leyes en evolución, pero en los últimos dos años, finalmente me di cuenta de que en realidad era todo lo contrario. Vi una enorme ventana de oportunidad.

Cómo crear un universo

Aquí está la cuestión: en algunas circunstancias, el hecho de que la energía no se pueda crear ni destruir es problemático. Tomemos como ejemplo el big bang en sí. Actualmente, los físicos se ven obligados a creer que toda la materia y energía que vemos hoy tuvo que estar presente en el origen del universo, lo que lo fuerza a entrar en un punto de densidad infinita. Pero no sabemos interpretar lo que esto realmente significa y los infinitos rompen nuestras ecuaciones. Sin embargo, si relajamos esa condición, entonces la creación de materia en el universo puede convertirse no en un evento, sino en un proceso: algo extendido, contingente, falible.

En principio, esto soluciona un gran problema. Pero hay otra cara de esta historia. Si se pueden crear materia y energía, también se pueden destruir. El mismo mecanismo que da con una mano, quita con la otra. Por lo tanto, necesitamos alguna forma de explicar cómo este proceso nos deja algo (el universo que vemos a nuestro alrededor) en lugar de nada.

En un artículo publicado el año pasado, mi estudiante de doctorado Paolo Bassani y yo tomamos prestadas herramientas de la biología evolutiva y las matemáticas financieras, disciplinas que estudian sistemas que nunca se quedan quietos y permiten una aleatoriedad genuina dentro de leyes en evolución. En nuestra imagen, nada era confiable en la fase más temprana del universo antes de que surgieran leyes estables. Las constantes fluctúan enormemente. Las leyes de conservación fracasan estrepitosamente. La materia se crea, pero también se destruye, al azar. La energía positiva es tan probable como la energía negativa, la creación tan probable como la aniquilación. Cualquier cosa que ganes con un lanzamiento de dados puede perderse en el siguiente lanzamiento.

En la práctica, el universo está apostando, tal vez acumulando un superávit en una buena racha, antes de perderlo con la misma rapidez. Mientras las leyes sigan mutando, cualquier ganancia que se obtenga en forma de materia nunca será segura. Una sola mala fluctuación puede acabar con todo. Para conseguir algo que dure, es necesario encontrar una manera de detener el proceso y de asegurar cualquier avance que el universo haya logrado.

Afortunadamente, los sistemas aleatorios como nuestro universo caótico –pero también como muchos modelos de mutación genética, mercados de valores o reacciones químicas– tienen una característica incorporada que les permite tropezar con configuraciones de las que no pueden escapar, lo que se conoce como estado absorbente. Tomemos como ejemplo una mutación que se ha extendido por toda una población, una empresa que quiebra y desaparece del mercado o una reacción química que ha llegado a su fin. En cada caso, el sistema ha alcanzado un estado a partir del cual la dinámica no ofrece más movimientos, por lo que el proceso aleatorio de cambio efectivamente se detiene.

En nuestro caso, el estado absorbente es el punto incorporado en la evolución caótica donde las leyes se ven obligadas a cristalizar, desconectándose efectivamente su mutación aleatoria. Con eso, la doble mano de la creación y la destrucción también se apaga. Algunos universos llegan allí con las manos vacías o muy endeudados. Otros llegan después de una carrera afortunada. Y dado que la doble mano de la creación y la destrucción ahora se ha apagado, pueden conservar sus ganancias. Nosotros somos esas ganancias.

En este cuadro, el orden no se elige porque sea bello o verdadero, sino porque perdura y se aferra a lo que ha construido. Visto de esta manera, varios enigmas de larga data, como por qué nuestras constantes adoptan los valores que tienen actualmente, parecen menos místicos. Los valores de las constantes no tienen por qué ser únicos, sólo compatibles con la longevidad.

Probar esto será difícil, pero lejos de ser absurdo. El lugar más limpio para mirar es en mediciones de tiempo ultraprecisas. Los relojes atómicos –dispositivos increíblemente fiables que utilizan la vibración de los átomos para mantener el tiempo– son ahora tan estables que pueden detectar desviaciones extraordinariamente pequeñas en las constantes fundamentales. Debido a que diferentes relojes dependen de esas constantes de diferentes maneras, cualquier variación haría que se desincronicen lentamente, una señal reveladora de que las leyes mismas están cambiando. Hasta ahora, las mediciones actuales son tan precisas que cualquier efecto actual debe ser mínimo. Pero eso es precisamente lo que hace que ésta sea una prueba prometedora. Con relojes tan precisos, incluso una mínima fluctuación residual en las leyes no tendría dónde esconderse.

Todo este trabajo me retrotrae a una lección más amplia que aprendí en 2003, cuando compartí casa durante un par de años con Lee Smolin. En ese momento, ambos éramos investigadores en el incipiente Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Canadá. Lee mantenía una biblioteca notable, con clásicos filosóficos y no tan clásicos apilados por todas partes.

Antes de conocer a Lee, yo era un filisteo científico bastante convencional cuando se trataba de cuestiones filosóficas, y creía que los físicos no tenían por qué hacer metafísica; que preocuparse por la naturaleza de las leyes o explicaciones era problema de otros.

Pero fue en la biblioteca de Lee donde conocí por primera vez, entre muchas otras cosas, la obra del filósofo Paul Feyerabend. Abogó por la demolición de la ciencia dogmática y el pluralismo, no sólo en la cultura humana, sino en los métodos y teorías de la ciencia misma. Este espíritu influyó en mis discusiones científicas con Lee, en las que a menudo cambiábamos de bando al azar, simplemente para ver adónde conducía el razonamiento. Esto no es una debilidad sino una fortaleza. Proponer teorías científicas no es como apoyar a un equipo de fútbol: la poligamia rebelde es aceptable.

Visto de esta manera, el universo mismo puede seguir un pluralismo feyerabendiano similar, probando caóticamente todas las teorías, respaldando a cada equipo de fútbol al azar, hasta que alguno demuestre ser lo suficientemente estable como para perdurar. En el proceso, descubre lo que funciona, no porque sea elegante u ordenado, sino porque sobrevive lo suficiente como para ser confundido con el destino.

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