Si, cuando eras niño, te subiste a una nave espacial que viaja fuera del sistema solar al 99% de la velocidad de la luz, es posible que puedas explorar otras partes de la galaxia antes de sucumbir a la edad, pero debido a que el tiempo es relativo, tus amigos y familiares probablemente se habrían ido mucho antes de que pudieras informar tus observaciones a la Tierra. Pero todavía tendrías tus límites: la galaxia de la Vía Láctea tiene 105.700 años luz de diámetro, nuestra galaxia vecina Andrómeda está a 2,5 millones de años luz de distancia, y el universo observable tiene alrededor de 93.000 millones de años luz de diámetro. Cualquier esperanza de explorar distancias más lejanas requeriría misiones multigeneracionales o, si usa una sonda remota, aceptar que estará muerto y que la humanidad puede ser muy diferente para cuando los datos de la sonda regresen a la Tierra.
Sin embargo, la velocidad de la luz es más que un límite de velocidad. Dado que la luz que vemos requiere tiempo de viaje para llegar a la Tierra, entonces debemos lidiar con varios horizontes más allá de los cuales no podemos interactuar, que existen debido a la teoría de la relatividad general de Einstein. Hay un horizonte de eventos, un límite en movimiento en el espacio y el tiempo más allá del cual la luz y las partículas emitidas ahora nunca llegarán a la Tierra, sin importar cuánto tiempo pase, esos eventos que nunca veremos. También existe el horizonte de partículas, o un límite más allá del cual no podemos observar la luz que llega del pasado, esto define el universo observable.
Hay un segundo tipo de horizonte de eventos, uno que rodea un agujero negro. La gravedad es un efecto causado por la presencia de objetos masivos que deforman la forma del espacio, como una bola de bolos en un trampolín. Un objeto lo suficientemente masivo podría deformar el espacio de tal manera que ninguna información pueda salir más allá de un cierto límite.
Estos límites no son estáticos. "Veremos más y más lejos a medida que pase el tiempo, porque la distancia que la luz viaja hacia afuera se hace cada vez más grande", dijo Tamara Davis, profesora de astrofísica que estudia cosmología en la Universidad de Queensland. Pero esta perspectiva de expansión no será permanente, ya que nuestro universo también se está expandiendo (y esa expansión se está acelerando). "Si avanzas rápidamente 100 mil millones de años en el futuro, todas las galaxias que podemos ver actualmente estarán tan lejos, y acelerando tan rápidamente lejos de nosotros, que la luz que emitieron en el pasado se habrá desvanecido de la vista". En ese punto, nuestro universo observable sería solo aquellas galaxias cercanas ligadas gravitacionalmente a la nuestra.
Otro límite vive en el otro extremo de la escala. Haz zoom entre las moléculas, en el centro de los átomos, profundamente en sus núcleos y en los quarks que componen sus protones y neutrones. Aquí, otro conjunto de reglas, en su mayoría ideadas en el siglo 20, gobierna cómo funcionan las cosas. En las reglas de la mecánica cuántica, todo está "cuantizado", lo que significa que las propiedades de las partículas (su energía o su ubicación alrededor de un núcleo atómico, por ejemplo) solo pueden asumir valores distintos, como escalones en una escalera, en lugar de un continuo, como lugares en una diapositiva. Sin embargo, la mecánica cuántica también demuestra que las partículas no son solo puntos; actúan simultáneamente como ondas, lo que significa que pueden asumir múltiples valores al mismo tiempo y experimentar una serie de otros efectos similares a las ondas, como la interferencia. Esencialmente, el mundo cuántico es un lugar ruidoso, y nuestra comprensión de él está innatamente ligada a la probabilidad y la incertidumbre.
Esta cuántica significa que si tratas de mirar demasiado de cerca, te encontrarás con el efecto observador: intentar ver cosas tan pequeñas requiere rebotar la luz de ellas, y la energía de esta interacción puede cambiar fundamentalmente lo que estás tratando de observar.
Pero hay un límite aún más fundamental para lo que podemos ver. Werner Heisenberg descubrió que la torpez de la mecánica cuántica introduce una precisión mínima con la que se pueden medir ciertos pares de propiedades matemáticamente relacionadas, como la posición y el momento de una partícula. Cuanto más exactamente pueda medir uno, con menos precisión podrá medir el otro. Y finalmente, incluso intentar medir solo una de esas propiedades se vuelve imposible a una escala lo suficientemente pequeña, llamada escala de Planck, que viene con una longitud más corta, 10 ^ -35 metros y un intervalo de tiempo más corto, alrededor de 5 x 10 ^ -44 segundos.
"Tomas los números constantes que describen la naturaleza: una constante gravitacional, la velocidad de la luz y la constante de Planck, y si junte estas constantes, obtengo la longitud de Planck", dijo James Beacham, físico del experimento ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones. "Matemáticamente, no es nada especial: puedo escribir un número más pequeño como 10^-36 metros ... Pero la mecánica cuántica dice que si tengo una predicción de mi teoría que dice que la estructura existe a una escala más pequeña, entonces la cuántica tiene incertidumbre incorporada para ella. Es un límite incorporado para nuestra comprensión del universo: estos son los números significativos más pequeños que la mecánica cuántica nos permite definir".
Esto es asumiendo que la mecánica cuántica es la forma correcta de pensar sobre el universo, por supuesto. Pero una y otra vez, los experimentos han demostrado que no hay razón para pensar lo contrario.
Sondeando lo desconocido Estos límites fundamentales, grandes y pequeños, presentan claras barreras a nuestro conocimiento. Nuestras teorías nos dicen que nunca observaremos directamente lo que se encuentra más allá de estos horizontes cósmicos o qué estructuras existen más pequeñas que la escala de Planck. Sin embargo, las respuestas a algunas de las preguntas más grandiosas que nos hacemos podrían existir más allá de esos mismos muros. ¿Por qué y cómo comenzó el universo? ¿Qué hay más allá de nuestro universo? ¿Por qué las cosas se ven y actúan de la manera en que lo hacen? ¿Por qué existen las cosas?
Lo inobservable e incomprobable existe más allá del alcance de la investigación científica. "Está bien escribir las matemáticas y decir que puedes explicar el universo, pero si no tienes forma de probar la hipótesis, entonces eso está saliendo del ámbito de lo que consideramos ciencia", dijo Nathan Musoke, cosmólogo computacional de la Universidad de New Hampshire. Explorar lo incontestable pertenece a la filosofía o la religión. Es posible, sin embargo, que las respuestas derivadas de la ciencia a estas preguntas existan como huellas visibles en estos horizontes que el método científico puede descubrir.
"Está muy bien escribir las matemáticas y decir que puedes explicar el universo, pero si no tienes forma de probar la hipótesis, entonces eso está saliendo del ámbito de lo que consideramos ciencia". Esa impronta es literal. Robert Wilson estaban trabajando como radioastrónomos en bell labs en Nueva Jersey, cuando notaron una extraña señal en su radiotelescopio. Revisaron cada idea para averiguar la fuente del ruido, ¿tal vez era radiación de fondo de la ciudad de Nueva York, o incluso caca de palomas que anidaban en el experimento? Pero pronto se dieron cuenta de que los datos coincidían con la predicción de Alpher y Herman.
Penzias y Wilson habían detectado la radiación de microondas de solo 400.000 años después del Big Bang llamada fondo cósmico de microondas, la radiación más antigua y distante observable para los telescopios actuales. Durante esta era en la historia del universo, las reacciones químicas causaron que el universo previamente opaco permitiera que la luz viajara desinhibida. Esta luz, estirada por el universo en expansión, ahora aparece como una débil radiación de microondas proveniente de todas las direcciones en el cielo.
Los experimentos de los astrónomos desde entonces, como el Cosmic Background Explorer (COBE), la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) y el observatorio espacial Planck han intentado mapear este fondo cósmico de microondas, revelando varias conclusiones clave. Primero, la temperatura de estas microondas es inquietantemente uniforme en todo el cielo, alrededor de 2.725 grados por encima del cero absoluto, la temperatura mínima del universo. En segundo lugar, a pesar de su uniformidad, hay pequeñas fluctuaciones de temperatura dependientes de la dirección; parches donde la radiación es ligeramente más cálida y parches donde es ligeramente más fría. Estas fluctuaciones son un remanente de la estructura del universo primitivo antes de que se volviera transparente, producida por ondas sonoras que pulsaban a través de él y pozos gravitacionales, revelando cómo las primeras estructuras pueden haberse formado.
Al menos una teoría ha permitido un enfoque científico para sondear esta estructura, con hipótesis que han sido probadas y respaldadas por observaciones adicionales de estas fluctuaciones. Esta teoría se llama inflación. La inflación postula que el universo observable tal como lo vemos hoy en día habría estado alguna vez contenido en un espacio más pequeño que cualquier partícula conocida. Luego, sufrió un estallido de expansión impensable que duró solo una pequeña fracción de segundo, gobernado por un campo con dinámica determinada por la mecánica cuántica. Esta era magnificó pequeñas fluctuaciones a escala cuántica en pozos de gravedad que eventualmente gobernaron la estructura a gran escala del universo observable, con esos pozos escritos en los datos de fondo cósmico de microondas. Se puede pensar en la inflación como parte del "bang" en la teoría del Big Bang.
"Creo que hay un consenso bastante amplio de que la inflación probablemente ocurrió. Hay muy poco consenso sobre cómo o por qué ocurrió, qué lo causó o qué física obedeció cuando sucedió". Es un buen pensamiento, que podemos extraer conocimiento de más allá del fondo cósmico de microondas. Pero este conocimiento lleva a más preguntas. "Creo que hay un consenso bastante amplio de que la inflación probablemente ocurrió", dijo Katie Mack, astrofísica teórica de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Hay muy poco consenso sobre cómo o por qué ocurrió, qué lo causó o qué física obedeció cuando sucedió".
Algunas de estas nuevas preguntas pueden ser incontestables. "Lo que sucede al principio, esa información se nos oculta", dijo Mack. "Me parece frustrante que siempre nos falte información. Podemos llegar a modelos que expliquen lo que vemos, y modelos que lo hagan mejor que otros, pero en términos de validarlos, en algún momento vamos a tener que aceptar que hay cierta incognoscibilidad".
En el fondo cósmico de microondas y más allá, lo grande y lo pequeño se cruzan; el universo primitivo parece reflejar comportamientos cuánticos. Conversaciones similares están ocurriendo en el otro extremo del espectro de tamaño, ya que los físicos intentan reconciliar el comportamiento del universo a mayor escala con las reglas de la mecánica cuántica. Los agujeros negros existen en este espacio científico, donde la gravedad y la física cuántica deben jugar juntas, y donde las descripciones físicas de lo que está sucediendo se encuentran por debajo de la escala de Planck.
Aquí, los físicos también están trabajando para idear una teoría matemática que, aunque demasiado pequeña para observar directamente, produce efectos observables. Quizás la más famosa entre estas ideas es la teoría de cuerdas, que no es realmente una teoría, sino un marco matemático basado en la idea de que las partículas fundamentales como los quarks y los electrones no son solo motas sino cadenas unidimensionales cuyo comportamiento gobierna las propiedades de esas partículas. Esta teoría intenta explicar las diversas fuerzas de la naturaleza que experimentan las partículas, mientras que la gravedad parece ser un resultado natural de pensar en el problema de esta manera. Al igual que aquellos que estudian cualquier teoría, los teóricos de cuerdas esperan que su marco presente predicciones comprobables.
"A menudo, los problemas muy difíciles en física requieren saltos profundos, revoluciones o diferentes formas de pensar, y es solo después cuando nos damos cuenta de que estábamos haciendo la pregunta de la manera equivocada". Encontrar formas de probar estas teorías es un trabajo en progreso. "Hay fe en que de una manera u otra deberíamos ser capaces de probar estas ideas", dijo David Gross, profesor del Instituto Kavli de Física Teórica y ganador del Premio Nobel de Física 2004. "Puede ser muy indirecto, pero eso no es algo que sea un problema apremiante".
La búsqueda de formas indirectas de probar la teoría de cuerdas (y otras teorías de la gravedad cuántica) es parte de la búsqueda de la teoría en sí. Tal vez los experimentos que producen pequeños agujeros negros podrían proporcionar un laboratorio para explorar este dominio, o tal vez los cálculos de la teoría de cuerdas requerirán partículas que un acelerador de partículas podría localizar.
En estas pequeñas escalas de tiempo, nuestra noción de lo que realmente es el espacio y el tiempo podría romperse de manera profunda, dijo Gross. "La forma en que los físicos formulan preguntas en general a menudo asume varios hechos, como que el espacio-tiempo existe como una variedad suave y continua", dijo. "Esas preguntas podrían estar mal formuladas. A menudo, los problemas muy difíciles en física requieren saltos profundos, revoluciones o diferentes formas de pensar, y es solo después cuando nos damos cuenta de que estábamos haciendo la pregunta de la manera equivocada".
Por ejemplo, algunos esperan saber qué sucedió al principio del universo y qué sucedió antes de que comenzara el tiempo. "Esa, creo, no es la forma correcta de hacer la pregunta", dijo Gross, ya que hacer tal pregunta podría significar confiar en una comprensión incorrecta de la naturaleza del espacio y el tiempo. No es que sepamos el camino correcto, todavía.
Lo que podemos conocer Muros que nos impiden responder fácilmente a nuestras preguntas más profundas sobre el universo... bueno, no se sienten muy bien para pensar. Pero ofrecer algo de comodidad es el hecho de que 93 mil millones de años luz es muy grande, y 10^-35 metros es muy pequeño. Entre lo más grande y lo más pequeño hay un espacio asombroso lleno de cosas que no sabemos pero que teóricamente podemos saber.
"Hay tantas cosas que no entendemos en astrofísica, y estamos abrumados con los datos. Cuestionar si estamos llegando a un límite es como trolear". Los mejores telescopios de hoy en día pueden mirar a lo lejos (y recuerde, mirar a lo lejos también significa mirar hacia atrás enel tiempo). El Hubble puede ver los objetos tal como eran solo unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, y su sucesor, el Telescopio Espacial Webb, mirará aún más lejos, tal vez 150 millones de años después del Big Bang. Los estudios galácticos existentes como el Sloan Digital Sky Survey y el Dark Energy Survey han recopilado datos sobre millones de galaxias, esta última ha publicado recientemente un mapa 3D del universo con 300 millones de galaxias. El próximo Observatorio Vera C. Rubin en Chile estudiará hasta 10 mil millones de galaxias en todo el cielo.
"Desde el punto de vista de la astronomía, tenemos tantos datos que no tenemos suficientes personas para analizarlos", dijo Mikhail Ivanov, becario Einstein de la NASA en el Instituto de Estudios Avanzados. "Hay tantas cosas que no entendemos en astrofísica, y estamos abrumados con los datos. Cuestionar si estamos llegando a un límite es como trolear". Incluso entonces, estos estudios alucinantes representan solo una pequeña fracción de los aproximadamente 200 mil millones de galaxias del universo que los futuros telescopios podrían mapear.
Pero a medida que los científicos intentan jugar en estos espacios teóricamente accesibles, algunos se preguntan si el verdadero límite somos nosotros.
Hoy en día, la física de partículas parece enfrentarse a un problema propio: a pesar de muchos misterios pendientes que necesitan respuestas, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones no han encontrado nuevas partículas fundamentales desde el Bosón de Higgs en 2012. Esta falta de descubrimiento tiene a los físicos rascándose la cabeza; se descartan las versiones más simples de algunas teorías que habían estado guiando a los físicos de partículas anteriormente, con pocas señales obvias sobre dónde buscar a continuación (¡aunque hay algunas!).
Beacham cree que estos problemas podrían resolverse mediante la búsqueda de fenómenos hasta la escala de Planck. Existe un vasto abismo desconocido entre la escala de los experimentos actuales de física de partículas y la escala de Planck, y no hay garantía de nada nuevo que descubrir en ese espacio. Explorar la totalidad de ese abismo requeriría una inmensa cantidad de energía y colisionadores cada vez más poderosos. La mecánica cuántica dice que las partículas de mayor momento tienen longitudes de onda más pequeñas y, por lo tanto, son necesarias para sondear escalas de longitud más pequeñas. Sin embargo, explorar la escala de Planck puede requerir un acelerador de partículas lo suficientemente grande como para rodear el Sol, tal vez incluso uno del tamaño del sistema solar.
"Tal vez sea desalentador pensar en un colisionador de este tipo, pero es inspiración para una forma de llegar a la escala, e inspiración para descubrir cómo llegar allí con un dispositivo más pequeño", dijo. Beacham lo ve como el deber de los físicos de partículas de explorar si algún nuevo fenómeno físico podría existir hasta la escala de Planck, incluso si actualmente no hay evidencia de que haya nada que encontrar. "Tenemos que pensar en ir tan alto en energía como podamos, construyendo colisionadores cada vez más grandes hasta que lleguemos al límite. No podemos elegir cuáles son los descubrimientos", dijo.
O tal vez podamos usar la inteligencia artificial para crear modelos que expliquen perfectamente el comportamiento de nuestro universo. Alejándose, Fermilab y el científico de la Universidad de Chicago Brian Nord han soñado con un sistema que podría modelar el universo con la ayuda de la inteligencia artificial,actualizando constante y automáticamente su modelo matemático con nuevas observaciones. Tal modelo podría crecer arbitrariamente cerca del modelo que realmente describe nuestro universo: podría generar una teoría de todo. Pero, al igual que con otros algoritmos de IA, sería una caja negra para los humanos.
Tales problemas ya están surgiendo en campos donde usamos herramientas basadas en software para hacer modelos precisos, explicó Taner Edis, físico de la Universidad Estatal de Truman. Algunas herramientas de software (modelos de aprendizaje automático, por ejemplo) pueden describir con precisión el mundo en el que vivimos, pero son demasiado complejas para que cualquier individuo las entienda por completo. En otras palabras, sabemos que estas herramientas funcionan, pero no necesariamente cómo. Tal vez la IA nos lleve más lejos en este camino, donde el conocimiento que creamos existirá repartido sobre una civilización y su tecnología, propiedad en pedazos de la humanidad y los algoritmos que creamos para comprender el universo. Juntos, habríamos generado una imagen completa, pero inaccesible para cualquier persona.
Finalmente, este tipo de modelos pueden proporcionar un poder predictivo supremo, pero no necesariamente ofrecerían respuestas cómodas a las preguntas sobre por qué las cosas funcionan de la manera en que lo hacen. Tal vez esto establezca una dicotomía entre lo que los científicos pueden hacer , hacer predicciones basadas en las condiciones iniciales - y lo que esperan que estas predicciones les permitan hacer - nos lleve a una mejor comprensión del universo en el que vivimos.
¿Cómo pueden los científicos convencer a los financiadores de que debemos construir experimentos, no con la esperanza de producir nueva tecnología o hacer avanzar a la sociedad, sino simplemente con la esperanza de responder preguntas profundas? "Tengo el presentimiento de que podremos lograr efectivamente el pleno conocimiento del universo, pero ¿en qué forma vendrá?", dijo Nord. "¿Seremos capaces de entender completamente ese conocimiento, o se utilizará simplemente como una herramienta para hacer predicciones sin importarnos el significado?"
Pensando de manera realista, los físicos de hoy se ven obligados a pensar en lo que más le importa a la sociedad y si nuestros sistemas y modelos de financiación nos permiten examinar completamente lo que podemos explorar, antes de que podamos comenzar a preocuparnos por lo que no podemos. Los legisladores estadounidenses a menudo discuten la investigación en ciencias básicas con el lenguaje de la ciencia aplicada o los resultados positivos: el Departamento de Energía financia gran parte de la investigación en física de partículas. La misión de la Fundación Nacional de Ciencias es "Promover el progreso de la ciencia; promover la salud, la prosperidad y el bienestar nacionales; y asegurar la defensa nacional; y para otros fines".
Los físicos que esperan recibir fondos deben competir por los recursos para hacer investigaciones que promuevan las misiones de estas organizaciones. Si bien muchos laboratorios, como el CERN, existen únicamente para financiar investigaciones pacíficas sin aplicaciones militares, la mayoría todavía se jacta de que resolver indirectamente problemas más grandes conducirá a nuevas tecnologías: Internet o avances en el manejo de datos e IA, por ejemplo. Existen organizaciones de financiación privada, pero también están limitadas en sus recursos, impulsadas por una misión, o ambas.
Pero, ¿qué pasa si responder a estas preguntas profundas requiere pensar que no está impulsado por ... ¿cualquier cosa? ¿Cómo pueden los científicos convencer a los financiadores de que debemos construir experimentos, no con la esperanza de producir nueva tecnología o hacer avanzar a la sociedad, sino simplemente con la esperanza de responder preguntas profundas? Haciéndose eco de un sentimiento expresado en un artículo de Vanessa A. Bee,¿qué pasaría si nuestros sistemas de hoy (lo siento, amigos, estoy hablando del capitalismo) en realidad están sofocando la innovación a favor de producir alguna ganancia a corto plazo? ¿Qué pasaría si responder a estas preguntas requirió una política social y una colaboración internacional consideradas inaceptables por los gobiernos?
Si este es realmente el mundo en el que vivimos, entonces la barrera incognoscible está mucho más cerca que los límites de la velocidad de la luz y la escala de Planck. Existiría porque colectivamente, los gobiernos por los que votamos, las instituciones que financian, no consideramos que responder a esas preguntas sea lo suficientemente importante como para dedicar recursos.
Incógnitas desconocidas Antes de la década de 1500, el universo era simplemente la Tierra; el Sol, la Luna y las estrellas eran pequeños satélites que nos orbitaban. En 1543, Nicolás Copérnico propuso un modelo heliocéntrico del universo: el Sol se sentó en el centro y la Tierra lo orbitó. Fue solo en la década de 1920 que Edwin Hubble calculó la distancia de Andrómeda y demostró que la Vía Láctea no era todo el universo; era solo una de muchas, muchas galaxias en un universo más grande. Los científicos descubrieron la mayoría de las partículas que componen el Modelo Estándar de la física de partículas en la segunda mitad del siglo 20. Claro, la relatividad y la teoría cuántica parecen haber establecido el tamaño de la caja de arena en la que tenemos que jugar, pero los precedentes sugerirían que hay más en la caja de arena, o incluso más allá de la caja de arena, que no hemos considerado. Pero entonces, tal vez no lo haya.
Hay cosas que nunca sabremos, pero esa no es la forma correcta de pensar sobre el descubrimiento científico. No lo sabremos a menos que intentemos saberlo, haciendo preguntas, elaborando hipótesis y probándolas con experimentos. Lo vasto desconocido, tanto antes como fuera de nuestros límites, presenta oportunidades ilimitadas para hacer preguntas, descubrir más conocimiento e incluso hacer que los límites anteriores sean obsoletos. No podemos conocer verdaderamente lo incognoscible, entonces, ya que lo incognoscible es justo lo que queda cuando ya no podemos hipotetizar y experimentar. Lo incognoscible no es un hecho, es algo que decidimos.
