Problemas filosóficos de la astrofísica contemporánea

La filosofía científica es filosofía informada por la ciencia, que usa herramientas exactas como la lógica y la matemática, y proporciona a la actividad científica un marco donde dirimir las cuestiones más generales sobre la naturaleza, el lenguaje que usamos para describirla y el conocimiento que de ella obtenemos. Muchas teorías de la filosofía científica pueden ser contrastadas y evaluadas utilizando evidencia científica. En este artículo me concentro en mostrar cómo algunos temas clásicos de la filosofía, como el de la naturaleza del espacio y el tiempo o la dimensionalidad del mundo, pueden ser abordados filosóficamente con herramientas provenientes de la investigación en astrofísica actual y, en particular, del estudio de los agujeros negros y las ondas gravitacionales.

El físico austríaco Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) entendió que la función de la filosofía en la era científica es resolver los problemas más generales que se plantean en el estudio de la naturaleza y, a partir de sus soluciones, proporcionar a la ciencia un marco y un fundamento que le permita resolver de forma eficiente los problemas específicos. La filosofía, pues, no puede ser una actividad desligada de la ciencia sino que debe realimentarse con esta, cambiar con esta y servir siempre para proporcionar una mejor compresión de los problemas científicos. Una filosofía que cumpla esas funciones puede llamarse «filosofía científica». La visión de Boltzmann de una filosofía científica –esto es, de una filosofía que se ocupe de problemas generales comunes a todas las ciencias, una filosofía que esté informada por la ciencia y sirva a la investigación científica– comenzó a desarrollarse en el siglo XX por medio de filósofos con fuerte formación en ciencias como Bertrand Russell (matemático y lógico), Moritz Schlick (físico), Hans Reichenbach (físico y lógico), Rudolf Carnap (lógico y semántico), Hans Hahn (matemático), Otto Neurath (sociólogo), Willard Van Orman Quine (lógico), Mario Bunge (filósofo y físico) y Nicholas Rescher (filósofo) (véase, por ejemplo, Bunge, 1974-1989; Reichenbach, 1977; Rescher, 2001; Ferrater-Mora, 1994).

La filosofía científica hoy está representada por una gran cantidad de filósofos profesionales con seria formación científica que tratan problemas relacionados con la física, la biología, las matemáticas, las ciencias sociales y, también, temas de carácter general.

Nuevos problemas filosóficos aparecen con el avance de la ciencia (por ejemplo, antes de las investigaciones de Albert Einstein y Hermann Minkowski, la problemática sobre la naturaleza del espacio-tiempo no existía) y otros desaparecen (los avances de las neurociencias han vuelto los problemas relacionados con sustancias mentales irrelevantes o, peor aún, han mostrado que son pseudoproblemas). La filosofía científica evoluciona con la ciencia y la ciencia usa conceptos filosóficos.

«La filosofía científica evoluciona con la ciencia y la ciencia usa conceptos filosóficos»

Cada ciencia específica puede ayudar a poner a prueba ciertas teorías filosóficas. Por ejemplo, conjeturas filosóficas acerca de la incidencia de patrones de simetría visual en la experiencia estética pueden evaluarse por medio de estudios no invasivos de la actividad del cerebro de individuos expuestos a ciertas obras artísticas con patrones definidos, en experimentos con adecuados controles de errores.

Las ciencias físicas, y en particular la astrofísica, están en condiciones de ayudar a contrastar muchas ideas filosóficas en el campo de la ontología. A continuación discutiré algunos de estos asuntos a la luz de la astrofísica actual.

La naturaleza de la irreversibilidad

Es un hecho que las cosas envejecen, se rompen, decaen. Envejecemos y morimos. Este hecho se expresa científicamente en la segunda ley de la termodinámica. Esta ley puede enunciarse de varias formas. Una de ellas, debida a Boltzmann (1974), dice que cualquier operación física sobre un sistema «no ideal» resultará en un aumento de su entropía. La entropía crecerá hasta llegar a su máximo valor posible. Cuando eso ocurra, el sistema estará en equilibrio termodinámico: ya no cambiará. No hará trabajo. Nada más sucederá. En nuestro caso, llegar al equilibrio termodinámico es morir: cuando nuestro cuerpo llegue a una temperatura uniforme, y esa temperatura sea la misma que la del cuarto en el que nos encontramos, entonces ese cuarto contendrá nuestro cadáver.

«Las ciencias físicas, y en particular la astrofísica, están en condiciones de ayudar a contrastar muchas ideas filosóficas en el campo de la ontología»

¿Qué es esta entropía de la que habla Boltzmann? Supongamos que tenemos un sistema constituido por muchos componentes, como un gas que está formado por muchos átomos, o nuestro cuerpo, compuesto por muchas células, o el universo, conformado por muchas galaxias. Cada uno de los componentes puede estar, en principio, en muchos estados. Una molécula, por ejemplo, puede tener diferentes velocidades. No todos esos estados serán igualmente probables. Algunos son más probables que otros. La entropía es una medida de la distribución de probabilidades de los estados del sistema. Si todos los componentes del sistema están en su estado más probable, el sistema ya no cambia (cualquier otra configuración sería menos probable), y la entropía es máxima. A ese estado de máxima probabilidad lo llamamos «equilibrio termodinámico».

Los seres humanos envejecen y mueren, lo que queda expresado científicamente en la segunda ley de la termodinámica. Cada ciencia específica puede ayudarnos a poner a prueba ciertas teorías filosóficas. En la imagen, Las edades y la muerte(1541-1544) de Hans Baldung Grien (óleo sobre tabla, 61?×?151 cm). / Museo del Prado

Obviamente, el mundo no está en equilibrio termodinámico. Usted lee este artículo, por lo que algo debe estar cambiando en su cerebro. Su cuarto está lleno de sonidos y su vida, de eventos. ¿Por qué el mundo no está ya en equilibrio termodinámico? ¿Por qué la entropía no ha alcanzado su máximo aún? La respuesta usual a estas preguntas es que el mundo, el sistema de todas las cosas, lo que llamamos «universo», comenzó hace un tiempo finito y lo hizo en un estado de mínima entropía. A esto se le llama «hipótesis del pasado». Es una hipótesis que parece obvia, pero también insatisfactoria. ¿Por qué esa condición inicial? Hay filósofos que dicen que no tiene sentido preguntarse eso. Sería un «hecho bruto», algo que no puede ser explicado en función de otros hechos, porque no hay precedentes.

Confieso que descreo de los hechos brutos. Todos los hechos que conocemos son legales: están sometidos a leyes, patrones regulares de ocurrencia de sucesos. La ciencia, su función fundamental, consiste en encontrar esos patrones regulares, a los que llamamos «leyes», y en exponer los mecanismos (cadenas de procesos legales) por los que ocurren los diferentes sucesos. Decir que un hecho es «bruto» es admitir la magia. Es renunciar al ideal científico. Pienso que podemos hacerlo mejor que bajando los brazos. Boltzmann, por ejemplo, no bajó los brazos. Conjeturó que el universo, en general, está en equilibrio termodinámico, pero aquí y allá, cada incontables eones (si es que el tiempo tiene sentido en ausencia de cambios) una fluctuación estadística, altamente improbable pero no imposible, ocurre. Entonces, una parte del universo, que en general está muerto, disminuye su entropía y algunos eventos (la historia del mundo) ocurren. Es una idea bonita. Alas! Como mostró Arthur Eddington en los años 1930, la probabilidad de que eso pase es incomparablemente menor que de una fluctuación estadística surja usted, el lector, con este artículo en las manos y vuelva a desaparecer después de leerlo. La explicación de por qué la entropía aumenta debe ser más sutil y compleja, sin duda, que una mera fluctuación.

El problema se agrava por los descubrimientos recientes realizados en astrofísica y cosmología. Observaciones astronómicas muestran que el universo se expande (de hecho, parece incluso expandirse en forma acelerada). Eso significa que en el pasado fue más denso, y por tanto más caliente que ahora. Cuando la temperatura media del universo era de algunos miles de grados, la materia estaba en un estado llamado «plasma». En ese estado, los electrones están separados de los núcleos de los átomos. Unos 380.000 años después del comienzo de la etapa de expansión del universo que observamos, la temperatura cayó por debajo del valor en el cual los átomos de hidrógeno permanecen ionizados (sin su electrón). El resultado fue que los electrones fueron capturados por los protones, se formó hidrógeno neutro y los fotones, que hasta entonces eran absorbidos en el plasma, pudieron escapar. Hoy podemos observar esos fotones que conforman una radiación universal que llega de todas direcciones. Esa radiación es llamada «fondo cósmico de radiación». Ha sido medida con precisión exquisita por satélites como COBE, WMAP y, recientemente, por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. Esas mediciones muestran que la radiación producida en todo el universo temprano estaba en perfecto equilibrio térmico: ¡el gas que la produjo tenía una distribución de partículas exactamente igual a la que corresponde a un sistema con máxima entropía! ¿Cómo es posible entonces que hoy el mundo esté fuera de equilibrio? ¿Por qué la entropía sigue aumentando si está en su máximo valor posible?

La respuesta a estas preguntas solo puede ser que, en realidad, la entropía no estaba realmente en su máximo cuando el universo se hizo transparente a su propia radiación. Debería haber un componente de entropía baja que no aparece en nuestras observaciones. O, si aparece, no la estamos reconociendo. Ese componente es la entropía de la gravitación. El estado de equilibrio de un sistema gravitacional es el colapso, ya que la gravedad es una fuerza atractiva. El que un objeto colapse significa que llegará a ser lo más compacto que pueda ser. Sin embargo, en el universo primitivo, cuando se produjo la radiación cósmica de fondo, prácticamente no había estructura. No había estrellas, ni galaxias, ni cúmulos de galaxias. Solo un gas extremadamente homogéneo. La entropía asociada a la gravitación de ese gas era en extremo baja. A medida que el gas fue colapsando y formando estructura, la estructura conocida del universo, la entropía total, la de la gravitación más la de la materia, fue aumentando. Y ha seguido creciendo hasta hoy.

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