viernes, 9 de mayo de 2014

Una Opinión Creacionista Sobre la Mecánica Cuántica, la Relatividad y la Teoría de Cuerdas

Por el Dr. Danny Faulkner. © Todos los derechos reservados
Capítulo 30 del Libro: Las Nuevas Respuestas 2 (The New Answers, Book 2).
Traducido por Julio César Clavijo Sierra, año 2014

El mundo moderno de la física se funda notablemente en dos teorías principales: la mecánica cuántica y la relatividad general. Aún así, ambas teorías usan principios aparentemente incompatibles y todavía se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente. Recientemente se ha desarrollado una nueva teoría conocida como la teoría de cuerdas, y la mayoría de los físicos creen que esta es una idea muy prometedora para unir a las dos teorías anteriormente mencionadas y explicar la forma en que está compuesta la materia.


La ciencia es el estudio del mundo natural usando los cinco sentidos. Debido a que las personas utilizan sus sentidos todos los días, la gente siempre ha hecho algún tipo de ciencia. Sin embargo, la buena ciencia requiere de un enfoque sistemático. Aunque la antigua ciencia griega confió en alguna evidencia empírica, ésta estaba fuertemente dominada por el razonamiento deductivo. La ciencia como la conocemos, comenzó en el siglo 17. El padre del método científico fue Sir Francis Bacon (1561-1626), quien definió con claridad el método científico en su Novum Organum (1620). Bacon también introdujo el razonamiento inductivo, que es la base del método científico.

El primer paso en el método científico, es definir claramente un problema o pregunta acerca del funcionamiento de algún aspecto del mundo natural. Algunas investigaciones preliminares del problema, lo pueden llevar a uno a formarse una hipótesis. Una hipótesis, es una conjetura acerca de un principio subyacente que explique el fenómeno que estamos tratando de comprender. Una buena hipótesis puede ser probada. Es decir, una hipótesis debe hacer predicciones sobre ciertos fenómenos observables, y debemos ser capaces de diseñar un experimento o una observación para confirmar esas predicciones. Si llevamos a cabo el experimento o la observación, y encontramos que las predicciones coinciden con los resultados, entonces podemos decir que hemos confirmado nuestra hipótesis, y tenemos cierta confianza en que nuestra hipótesis es correcta. De otro lado, si nuestras predicciones no se confirman, entonces decimos que nuestra hipótesis es refutada, y podemos, ya sea modificar la hipótesis, o desarrollar una nueva a fin de repetir el procedimiento para confirmarla. Después de repetidas pruebas con resultados positivos, se dice que se confirma la hipótesis, y tenemos confianza en que nuestra hipótesis es correcta.

Observe que no lo hacemos para "probar" la hipótesis, sino que nos limitamos a confirmarla. Esta es una gran diferencia entre el razonamiento deductivo e inductivo. Si tenemos una premisa verdadera, entonces el razonamiento deductivo aplicado correctamente, conducirá a una conclusión verdadera. Sin embargo, si el razonamiento inductivo se aplica correctamente, no conduce necesariamente a una conclusión verdadera. ¿Cómo puede suceder esto? Porque nuestra hipótesis puede ser una entre varias hipótesis diferentes, que producen los mismos resultados experimentales u observacionales. Es muy fácil asumir que nuestra hipótesis, en caso de que se confirme, es el fin del asunto. Sin embargo, nuestra hipótesis puede hacer otras predicciones que diferentes pruebas futuras podrían no confirmar. Si esto sucede, entonces debemos seguir modificando nuestra hipótesis, o incluso abandonarla, para explicar los nuevos datos. La historia de la ciencia está llena de ejemplos de este proceso, y debemos esperar a que esta tendencia continúe.

Esto pone al científico en una posición peculiar. Aunque definitivamente podamos refutar una serie de proposiciones, nunca podremos estar completamente seguros de que lo que creemos que es verdad, es la verdad. Por lo tanto, la ciencia es una cosa muy cambiante. La historia demuestra que la "verdad" científica ha cambiado a través del tiempo. La incertidumbre es la razón por la cual el examen continuo de nuestras ideas es tan importante para la ciencia. Cuando una hipótesis es confirmada muchas veces, vamos ganando la confianza suficiente de que es correcta, y finalmente empezamos a llamar a nuestra hipótesis, una teoría. Así que una teoría es una hipótesis adulta, bien desarrollada.

En cierta época, los científicos confirieron el título de ley a las teorías bien establecidas. Este uso de la palabra "ley", probablemente se derivó de la idea de que Dios había impuesto algo de orden (la ley) en el universo, y la descripción de cómo funciona el mundo es una declaración de este hecho. Sin embargo, con una comprensión menos cristiana del mundo, los científicos se han apartado del uso de la palabra ley. Los científicos siguen haciendo referencia a las ideas más antiguas, como la ley de la gravedad de Newton o las leyes del movimiento como ley, pero desde hace mucho tiempo, nadie ha llamado a alguna nueva idea de la ciencia como ley.

Isaac Newton (1643-1727)

En 1687, Sir Isaac Newton (1643-1727) publicó su Principia, que detalla el trabajo que él había hecho unas dos décadas atrás. En el Principia, Newton presentó su ley de la gravedad y las leyes del movimiento, que son la base de la rama de la física conocida como la mecánica. Debido a que requirió de un marco matemático para presentar sus ideas, Newton inventó el cálculo. Su gran avance, fue la hipótesis de que la fuerza que nos mantiene atados a la Tierra, es la misma fuerza que mantiene a la Luna orbitando cada mes alrededor de la Tierra. Tomando como base la distancia de la Luna a la Tierra y su período orbital, Newton utilizó sus leyes del movimiento para concluir que la Luna se acelera hacia la Tierra 1/3600 de la aceleración gravitacional que él había medido sobre la superficie de la tierra. El hecho de que la superficie de la tierra esté 60 veces más cerca del centro de la Tierra que la Luna, permitió a Newton elaborar su ley del inverso del cuadrado de la gravedad (602 = 3600).

Esta unidad de la gravedad sobre la Tierra, y la fuerza entre la Tierra y la Luna eran una buena hipótesis, pero ¿podría Newton comprobarla? Sí. Cuando Newton aplicó sus leyes de la gravedad y del movimiento a los planetas entonces conocidos que orbitan el Sol (Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno), fue capaz de predecir varias cosas:

1. Los planetas giran alrededor del Sol en órbitas elípticas, con el Sol en uno de los focos de las elipses.
2. La línea entre el Sol y un planeta, barre áreas iguales en tiempos iguales.
3. El cuadrado del periodo orbital de un planeta, es proporcional al cubo de la distancia media desde el planeta hasta el sol.

Johannes Kepler (1571-1630)

Estas tres declaraciones son conocidas como las tres leyes de Kepler del movimiento planetario, ya que el matemático alemán Johannes Kepler (1571-1630) las había encontrado en una forma ligeramente diferente varias décadas antes de Newton. Kepler descubrió empíricamente sus tres leyes, mediante el estudio de los datos sobre los movimientos planetarios que fueron tomados por el astrónomo danés Tycho Brahe (1546-1601) durante un período de 20 años, en la última parte del siglo 16. Kepler llegó a su resultado por laboriosas pruebas de ensayo y error durante más de dos décadas, pero no contaba con ninguna explicación del por qué los planetas se comportaban de la manera en que lo hacían. Newton demostró fácilmente (o predijo) que los planetas deben seguir las leyes de Kepler como consecuencia de su ley de la gravedad.

Así siguieron otras muchas predicciones de la nueva física de Newton. Además de la Tierra; Júpiter y Saturno también tenían satélites que obedecían la formulación de Newton sobre las tres leyes de Kepler. Sir Edmond Halley (1656-1742), un buen amigo de Newton, que en privado financió la publicación de Principia, aplicó la obra de Newton a los movimientos de los cometas observados. Él encontró que los cometas también siguen estas leyes, pero que sus órbitas son mucho más elípticas e inclinadas que las órbitas de los planetas. En su estudio, Halley notó que un cometa que él observó, tenía una órbita idéntica a uno que se había visto cerca de 75 años atrás, y que ambos cometas tenían un período orbital de 75 años. Por supuesto, cuando el cometa regresó una vez más, Halley llevaba mucho tiempo muerto, pero este cometa lleva su nombre.

En 1704, Newton publicó por primera vez su otra obra fundamental en la física, Opticks. En este libro, él presentó su teoría sobre la naturaleza ondulatoria de la luz. En conjunto, Principia y Opticks sentaron las bases de la física tal y como la conocemos. Durante los dos siglos siguientes, los científicos aplicaron la física newtoniana a todo tipo de situaciones, y en cada caso las predicciones de la teoría fueron confirmadas por la experimentación y la observación. Por ejemplo, William Herschel tropezó con el planeta Urano en 1781, y su órbita también siguió las tres leyes de Kepler. Sin embargo, en 1840, los astrónomos encontraron que había ligeras discrepancias entre el movimiento predicho y el observado de Urano. Dos matemáticos, desarrollaron de forma independiente la hipótesis de que existía un planeta adicional más allá de Urano, cuya gravedad halaba a Urano. Esto llevó a que en 1846 se descubriera a Neptuno. Estos éxitos dieron a los científicos una tremenda confianza en la física de Newton, y por lo tanto la física newtoniana es una de las teorías más bien establecidas de la historia. Sin embargo, a finales del siglo 19, los resultados experimentales comenzaron a entrar en conflicto con la física newtoniana.


La Mecánica Cuántica

Cerca del final del siglo 19, los físicos giraron su atención a cómo irradian los objetos calientes, con el fin de darle a esto un uso práctico mejorando la eficiencia del filamento de la bombilla recientemente inventada. Al notar que a bajas temperaturas los buenos absorbentes y emisores de radiación aparecen negros, entonces a un perfecto absorbente y emisor de radiación ellos le denominaron un cuerpo negro. Los físicos determinaron experimentalmente que un cuerpo negro de una cierta temperatura, emite la mayor cantidad de energía a una frecuencia determinada, y que la cantidad de energía que irradia disminuye hasta cero a frecuencias más altas y más bajas. Los intentos por explicar este comportamiento con la física clásica o newtoniana, trabajaron muy bien en la mayoría de las frecuencias, pero fracasaron fatalmente a frecuencias más altas. De hecho, a frecuencias muy altas, la física clásica requiere que la energía emitida aumente hacia el infinito.

 Max Planck (1858-1947)

En 1901, el físico alemán Max Planck (1858-1947) propuso una solución. Sugirió que la energía irradiada por un cuerpo negro no era exactamente en ondas, como Newton lo había demostrado, sino que en cambio era llevada por partículas diminutas (que más tarde fueron llamadas fotones). La energía de cada fotón era proporcional a su frecuencia. Esto se salía radicalmente de la física clásica, pero esta nueva teoría no explicó exactamente el espectro de los cuerpos negros.

En 1905, el físico de origen alemán Albert Einstein (1879-1955), utilizó la teoría de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? Unos años antes, los físicos habían descubierto que cuando la luz brillaba sobre un metal al que se aplicaba un potencial eléctrico, se emitían electrones. Los intentos por explicar los detalles de este fenómeno con la física clásica habían fracasado, pero la aplicación que hizo Einstein de la teoría de Planck, lo explicaba muy bien.

Se habían encontrado otros problemas con la física clásica. Los físicos descubrieron que el gas excitado en un tubo de descarga de energía, emitía a ciertas longitudes de onda discretas o frecuencias. Las exactas longitudes de onda emitidas, dependían de la composición del gas, con el gas de hidrógeno poseyendo el espectro más simple. Varios físicos investigaron el problema, como el científico sueco Johannes Rydberg (1854-1919) que ofreció la descripción más general del espectro de hidrógeno en 1888. Sin embargo, Ryberg no ofrecía una explicación física. De hecho, no hubo ninguna explicación dentro de la física clásica para el comportamiento espectral de gas de hidrógeno sino hasta 1913, cuando el físico danés Niels Bohr (1885-1962) publicó su modelo del átomo de hidrógeno, que explicó realmente al espectro del hidrógeno.

En el modelo de Bohr, el electrón orbita alrededor del protón sólo a ciertas distancias discretas desde el protón, mientras que en la física clásica el electrón puede orbitar a cualquier distancia desde el protón. En la física clásica el electrón debe emitir continuamente la radiación a medida que orbita, pero en el modelo de Bohr el electrón emite energía solamente cuando salta de una a otra órbita posible. La explicación que dio Bohr sobre el átomo de hidrógeno, funcionó tan bien que los científicos asumieron que debía aplicar también para los otros átomos. El átomo de hidrógeno es muy simple, ya que sólo consta de dos partículas, un protón y un electrón. En los otros átomos aumenta el número de partículas (pues tienen más electrones orbitando el núcleo, y contienen más protones, así como neutrones) lo que hacía que sus soluciones fueran mucho más difíciles, pero el modelo de Bohr también funcionó para ellos. El modelo de Bohr, es esencialmente el modelo que la mayoría de nosotros aprendimos en la escuela.

Pero aunque el modelo de Bohr era obviamente un éxito, parecía sacar al aire algunos nuevos principios, y esos principios contradecían a los principios de la física clásica. Los físicos comenzaron a buscar un conjunto de principios unificadores subyacentes para explicar el modelo y otros aspectos de la nueva física emergente. Vamos a omitir los detalles, pero a mediados de la década de 1920, los nuevos principios estaban establecidos. La base de esta nueva física es que en sistemas muy pequeños, como ocurre dentro de los átomos, la energía solamente puede existir en ciertas cantidades pequeñas, discretas, con huecos entre los valores adyacentes. Esto difiere radicalmente de la física clásica, donde la energía puede tomar cualquier valor. Decimos que la energía es cuantificada, ya que sólo puede tener ciertos valores discretos, o cuantos. La teoría matemática que explica las energías de los sistemas pequeños, se llama mecánica cuántica.

La mecánica cuántica es una teoría muy exitosa. Desde su introducción en la década de 1920, los físicos la han usado para predecir correctamente el comportamiento y las características de las partículas elementales, los núcleos de los átomos, los átomos y las moléculas. Muchas facetas de la electrónica moderna se entienden mejor en términos de la mecánica cuántica. Los físicos han desarrollado innumerables detalles y aplicaciones de la teoría, y se han incorporado otras teorías sobre ella.

La mecánica cuántica es una teoría muy exitosa, pero algunas personas no la aceptan ¿Por qué? Hay varias razones. Una de las razones para su rechazo, es que los postulados de la mecánica cuántica no parecen congruentes, pues estos violan nuestra comprensión cotidiana de cómo funciona el mundo físico. Sin embargo, el problema es que las partículas muy pequeñas, tales como los electrones, no se comportan de la misma manera en que lo hacen los objetos cotidianos. Inventamos la mecánica cuántica para explicar a las cosas pequeñas como los electrones, porque nuestra comprensión cotidiana del mundo no puede explicarlos. Las peculiaridades de la mecánica cuántica desaparecen, a medida que aplicamos la mecánica cuántica en los sistemas más grandes. A medida que aumentamos el tamaño y el alcance de los sistemas pequeños, encontramos que las singularidades de la mecánica cuántica tienden a desaparecer y se asumen propiedades que encajan con nuestras percepciones de sentido común. Es decir, las peculiaridades de la mecánica cuántica desaparecen en los sistemas más grandes, macroscópicos.

Otro de los problemas que la gente tiene con la mecánica cuántica, son ciertas interpretaciones aplicadas a ella. Por ejemplo, uno de los postulados importantes de la mecánica cuántica, es la ecuación de onda de Schrödinger. Cuando aplicamos la ecuación de Schrödinger para una partícula tal como un electrón, obtenemos una onda matemática como una descripción de esa partícula. ¿Qué significa esta onda? En un principio, los físicos se dieron cuenta de que la onda representaba una distribución de probabilidad. Cuando la onda tenía un valor grande, también era grande la probabilidad de encontrar a la partícula en ese lugar, pero donde la onda tenía un valor bajo, había poca probabilidad de encontrar a la partícula allí. Esto es extraño. La física newtoniana había conducido al determinismo - el conocimiento absoluto de dónde se encontraba una partícula en un momento determinado por las fuerzas y otros datos involucrados. Sin embargo, la función de probabilidad no predice con exactitud el comportamiento de pequeñas partículas como los electrones. Incluso a Albert Einstein (cuyos primeros trabajos lo condujeron a gran parte de la mecánica cuántica) nunca le gustó esta probabilidad. En cierta ocasión él pronunció la famosa frase, "Dios no juega a los dados con el universo". Erwin Schrödinger (1887-1961), que había formulado su famosa ecuación de Schrödinger, declaró en 1926: "Si vamos a tener que seguir aguantando esos malditos saltos cuánticos, lamento haber tenido algo que ver con la teoría cuántica".

Tenga en cuenta de que con la distribución de probabilidad, no podemos saber con precisión en dónde se encuentra una partícula. Una declaración de esto, es el principio de incertidumbre de Heisenberg (llamado así por Werner Heisenberg, 1901-1976). Explicamos esto, reconociendo que las partículas como los electrones tienen una naturaleza de onda así como una naturaleza de partícula. En realidad, también creemos que las ondas (como la luz y el sonido) también tienen una naturaleza de partícula. Esta dualidad onda-partícula es un poco extraña para nosotros, porque no encaja en nuestra experiencia cotidiana, pero es corroborada por numerosos resultados experimentales.

Por ejemplo, consideremos un experimento con una rendija doble. Si enviamos una onda hacia una obstrucción con dos rendijas, la onda pasará a través de ambas rendijas, y detrás de las rendijas producirá un patrón de interferencia característico. Esto se debe a que la onda pasa a través de ambas rendijas. Si enviamos un gran número de electrones hacia un aparato similar, los electrones también producirán un patrón de interferencia detrás de las rendijas, lo que sugiere que los electrones (o sus funciones de onda) pasaron por las dos rendijas. Sin embargo, si enviamos cada vez a un electrón hacia las ranuras y buscamos la aparición de cada electrón detrás de las rendijas, encontraremos que cada electrón surgirá a través de la una o la otra ranura, pero no de ambas. ¿Cómo puede suceder esto? De hecho, esto es desconcertante. La resolución más común es la interpretación de Copenhague, el nombre de la ciudad donde se desarrolló. Esta interpretación postula que un electrón individual no pasa a través de ninguna de las rendijas, pero en su lugar existe en un tipo de estado meta-estable entre los dos estados hasta que observamos (detectamos) los electrones. En el punto de observación, se colapsa la ecuación de onda del electrón, permitiendo que el electrón asuma el uno o el otro estado. Ahora, esto es extraño, pero las explicaciones alternativas son aún más extrañas, por lo cual usted podría entender el por qué algunas personas pueden tener un problema con la mecánica cuántica.

¿Hay alguna manera de salir de este dilema? Sí. ¿Por qué necesitamos una interpretación de la mecánica cuántica? Nadie exigió dicha interpretación de la física newtoniana. Nadie le preguntó, "¿Qué quiere decir?" No hay ningún significado, aparte del hecho de que la física newtoniana hace un buen trabajo al describir lo que vemos en el mundo macroscópico. Lo mismo debería ser cierto para la mecánica cuántica. Esta hace un buen trabajo para describir el mundo microscópico. Mientras que la física clásica introdujo el determinismo, la mecánica cuántica introdujo el indeterminismo. Este indeterminismo es fundamental, en el sentido de que la incertidumbre en el resultado seguirá existiendo, incluso si tenemos todo el conocimiento de los parámetros de entrada correspondientes. El determinismo newtoniano encaja bien con el concepto de la soberanía de Dios, pero la incertidumbre fundamental de la mecánica cuántica parece robar a Dios ese atributo. Sin embargo, esto supone que la mecánica cuántica es una teoría completa, es decir, que la mecánica cuántica es una teoría final. Pero hay límites a las aplicaciones de la mecánica cuántica, como el hecho de que no existe una teoría de la gravedad cuántica. Si la historia de la ciencia es un maestro, podemos esperar que la mecánica cuántica será reemplazada algún día por alguna otra teoría. Esta otra teoría, probablemente incluirá a la mecánica cuántica como un caso especial de esa mejor teoría. Aquella teoría podría aclarar la cuestión de incertidumbre.

Como una acotación al margen, quizá debería mencionar que el determinismo derivado de la física newtoniana, también produce una conclusión desagradable para muchos cristianos. Si el determinismo es verdadero, entonces todos los eventos futuros están predeterminados a partir de las condiciones iniciales del universo. Del mismo modo en que la interpretación de Copenhague sobre la mecánica cuántica, llevó incluso a que Dios no fuera capaz de conocer el resultado de un experimento; otras muchas personas aplicando el determinismo, concluyeron que Dios era incapaz de alterar el resultado de un experimento. Es decir, que Dios está forzado por la física que gobierna el universo. Esto condujo rápidamente al deísmo. La mayoría, si no toda la gente que hoy en día rechaza la mecánica cuántica, se niega a aceptar esta interpretación extrema de la física newtoniana. Se debería reconocer que así como el determinismo es una perversión de la física newtoniana, la interpretación de Copenhague es una perversión de la mecánica cuántica.

El punto importante, es que así como la mecánica clásica hace un buen trabajo al describir el mundo macroscópico, la mecánica cuántica hace un buen trabajo al describir el mundo microscópico. No debemos esperar más de una teoría. En consecuencia, muchos físicos creen que el relato bíblico de la creación no tiene ningún problema con la mecánica cuántica.


La Relatividad

Hay dos teorías de la relatividad: la teoría especial y la teoría general. Primero, vamos a describir brevemente la teoría especial de la relatividad. Aún antes de Newton, Galileo (1564-1642) ya había llevado a cabo experimentos con cuerpos en movimiento. Galileo se dio cuenta de que si nos acercamos o nos alejamos de un objeto en movimiento, la velocidad relativa que medimos para ese objeto, depende del movimiento de ese objeto y de nuestro movimiento. Esta relatividad galileana, es una parte de la mecánica newtoniana. El mismo comportamiento es cierto para la velocidad de las ondas. Por ejemplo, si nos montamos en un barco que se mueve en aguas donde hay olas, la velocidad que midamos de aquellas olas, dependerá de nuestro movimiento y del movimiento de las olas. En 1881, Albert A. Michelson (1852-1931) realizó un famoso experimento que refinó y repitió en 1887 en compañía de Edward W. Morley (1838-1923). En este experimento, ellos midieron la velocidad de la luz paralela y perpendicular a nuestro movimiento anual alrededor del sol. Para su sorpresa, ellos encontraron que la velocidad de la luz era la misma, independientemente de la dirección en la que la midieran. Este resultado desconcertó a los físicos, ya que de ser tomado en su valor nominal, esto sugeriría que la Tierra no gira alrededor del Sol, aunque existen otras pruebas de que la Tierra, en efecto, orbita alrededor del Sol.

En 1905, Albert Einstein tomó la invariancia de la velocidad de la luz como un postulado y calculó sus consecuencias. Él hizo tres predicciones sobre un objeto cuya velocidad se acerca a la velocidad de la luz:

1. La longitud del objeto, a medida que pasa, parecerá acortarse a cero.
2. La masa del objeto aumentará sin límite.
3. El paso del tiempo medido desde el objeto, se acercará a cero.

Estos comportamientos son extraños y no se ajustan a lo que podríamos esperar de la experiencia cotidiana, pero tenga en cuenta que en la experiencia cotidiana no encontramos objetos que se muevan a una velocidad cercana a la de la luz.

Con el tiempo, estas predicciones se han confirmado por medio de experimentos. Por ejemplo, los aceleradores de partículas, aceleran partículas pequeñas a velocidades muy altas. Podemos medir las masas de las partículas a medida que las aceleramos, y sus masas aumentan de la manera predicha por la teoría. En otros experimentos, mientras se da el rápido movimiento, emergen partículas de corta vida, que no existen cuando el objeto se mueve lentamente. La tasa de la dilatación del tiempo es consistente con las predicciones de la teoría. La contracción de la longitud es un poco más difícil de analizar directamente, pero también ha sido probada.

La teoría de la relatividad especial de Einstein, se aplica a las partículas que se mueven a un ritmo constante, pero no se ocupa de su aceleración. En 1916, Einstein abordó ese problema con su teoría general, pero también trató con la aceleración debida a la gravedad. En la relatividad general, el espacio y el tiempo son cosas físicas que tienen una estructura de un cierto modo similar a una tela. Einstein trató al tiempo como una cuarta dimensión, además de las tres dimensiones normales del espacio. A veces llamamos a esta entidad de cuatro dimensiones el espacio-tiempo, o simplemente el espacio. La presencia de una gran cantidad de materia o energía (Einstein ya había demostrado su equivalencia) modifica el espacio. Matemáticamente, la alteración del espacio es como una curvatura, por eso decimos que la materia o la energía curvan el espacio. La curvatura del espacio telegrafía la presencia de materia y energía a otra materia y energía en el espacio, y esto más profundamente respondió a una pregunta sobre la gravedad. Newton había formulado la hipótesis de que la gravedad funciona a través del espacio vacío, pero su teoría no podía explicar del todo cómo se transmitía la información sobre la masa de un objeto y su distancia a través del espacio. En la relatividad general, un objeto debe moverse a través de una línea recta en el espacio-tiempo, pero la curvatura del espacio-tiempo provocada por la masa cercana, provoca que el movimiento lineal parezca a nosotros como acelerado.

La nueva teoría de Einstein hizo varias predicciones. La primera oportunidad para poner a prueba esta teoría, se dio durante un eclipse total de Sol en 1919. Durante el eclipse, los astrónomos fueron capaces de fotografiar a las estrellas que se veían alrededor del borde del Sol. La luz de esas estrellas, tuvo que pasar muy cerca del Sol para poder llegar a la Tierra. Cuando la luz de esas estrellas pasó cerca del Sol, el Sol atrajo esa luz a través de la curvatura del espacio-tiempo. Esto hizo que las estrellas parecieran estar más lejos del Sol, de lo que estarían de la otra manera. La gravedad newtoniana también predice una deflexión de la luz de las estrellas hacia el sol, pero esa desviación es menor que con la relatividad general. La cantidad observada de desviación fue consistente con las predicciones de la relatividad general. Desde 1919, los astrónomos han repetido muchas veces ese experimento, mejorando constantemente su precisión.

La Relatividad Confirmada: En 1919, un eclipse total de Sol, permitió a los científicos confirmar la teoría de la relatividad general de Einstein. Como resultado de la gravitación del Sol, las estrellas parecían estar desplazadas de sus verdaderas posiciones, al igual que lo predijo la teoría de Einstein.

Durante muchos años, los radioastrónomos han medido con gran precisión las posiciones de ciertas fuentes de radio distantes a medida que va pasando el Sol, y aquellos resultados han encajado maravillosamente con las predicciones. Otra confirmación temprana, fue la explicación de una pequeña anomalía en la órbita del planeta Mercurio, que la gravedad de Newton no podía explicar. Otros muchos experimentos de varios tipos, han confirmado en repetidas ocasiones la relatividad general. Algunos experimentos de hoy, aún nos permiten analizar las pequeñas variaciones de la teoría de Einstein.

Podemos aplicar la relatividad general a todo el universo. De hecho, cuando hacemos esto, descubrimos que predice que el universo está expandiéndose o contrayéndose; se requiere de la observación, para determinar lo que en realidad está haciendo el universo. En 1928, Edwin Hubble (1889-1953) demostró que el universo se está expandiendo. La mayoría de las personas de hoy, piensan que dicha expansión comenzó con un Big Bang, el cual provocó la supuesta aparición repentina del universo hace 13,7 mil millones de años. Sin embargo, hay otras muchas posibilidades. Por ejemplo, el físico creacionista Russell Humphreys, propuso su cosmología del agujero blanco, en el supuesto de que la relatividad general es la teoría correcta de la gravedad (vea su libro La Luz de las Estrellas y el Tiempo - Starlight and Time [1]). Es interesante observar que la expansión universal es compatible con ciertos pasajes del Antiguo Testamento (por ejemplo con el Salmo 104:2) que mencionan el estiramiento de los cielos.

Al ver que hay tanta evidencia para apoyar la teoría de la relatividad general de Einstein, ¿por qué algunos creacionistas se oponen a esta teoría? Existen al menos tres razones. Una de las razones, es que como pasa con la mecánica cuántica, la moderna teoría de la relatividad parece violar ciertos puntos de vista del sentido común de la forma como funciona el mundo. Por ejemplo, en la experiencia cotidiana nosotros no vemos que las masas cambien o que el tiempo parezca acortarse. En efecto, la relatividad general nos obliga a abandonar el concepto de simultaneidad de tiempo. Simultaneidad, significa que el tiempo avanza a la misma rapidez para todos los observadores, independientemente de dónde se encuentren. Como lo dijimos anteriormente, en la relatividad especial el tiempo se reduce a medida que aumenta la velocidad. Sin embargo, con la relatividad general, la rapidez con la que pasa el tiempo depende no sólo de la velocidad, sino también de la localización de un observador en un campo gravitatorio. Entre más abajo esté un observador en un campo gravitatorio, sentirá que el tiempo pasa más lentamente. Por ejemplo, un reloj en el nivel del mar va a registrar el paso del tiempo más lentamente que un reloj a la milla de altura de Dénver. Es cierto que esto es raro. Sin embargo, la discrepancia entre los relojes localizados en estos dos lugares es tan minúscula, que no aparece en la mayoría de los relojes, salvo en los relojes atómicos más precisos. Este tipo de cosas se ha medido varias veces, y las discrepancias entre los relojes involucrados siempre son las mismas que predice la teoría. Así, aunque nuestra percepción es que el tiempo fluye de manera uniforme en todas partes, la realidad es que el paso del tiempo depende de la ubicación en la que uno se encuentre, pero en las situaciones encontradas en la Tierra las diferencias son tan pequeñas que no podemos percibirlas. Es decir, las predicciones de la relatividad general en la Tierra, son consistentes con nuestra capacidad de percibir el tiempo. Sin embargo, hay circunstancias ajenas a la Tierra en las que sería muy obvia la pérdida de simultaneidad, si pudiéramos experimentarlas.

Una segunda razón por la que algunos creacionistas se oponen a la moderna teoría de la relatividad, es la apropiación indebida que se hace de la teoría de la relatividad para apoyar el relativismo moral. Desgraciadamente, la moderna teoría de la relatividad, surgió precisamente en el momento en el que el relativismo moral se hizo popular. Los relativistas morales proclamaron que "todo da igual", y para apoyar su causa estuvieron muy ansiosos por arrebatarle algo de su triunfo a la teoría de la relatividad. Pero hay por lo menos dos problemas con esta indebida apropiación. En primer lugar, no se sigue que un principio que funciona en el mundo natural, funcione automáticamente en el mundo de la moralidad. El mundo físico es material, pero el mundo de la moral es inmaterial. En segundo lugar, los relativistas morales, o bien no entienden la relatividad o hacen intencionadamente un mal uso de ella. A pesar del error común, la teoría de la relatividad no nos dice que todo es relativo. En la moderna teoría de la relatividad hay absolutos; por ejemplo la velocidad de la luz es una constante. Si bien, el paso del tiempo puede variar, la relatividad general proporciona una manera absoluta para comparar el paso del tiempo en dos marcos de referencia. La moderna teoría de la relatividad de ninguna manera apoya el relativismo moral.

La tercera razón por la que algunos creacionistas rechazan a la moderna teoría de la relatividad, es porque piensan que la relatividad general conduce inevitablemente al modelo del big-bang. Sin embargo, el modelo del Big Bang es sólo un escenario posible para el origen el universo; hay otras muchas posibilidades. Ya hemos mencionado la cosmología del agujero blanco de Russ Humphreys, y hay otros recientes modelos creacionistas que son posibles sobre la base de la relatividad general. Lo que sí es cierto, es que si la relatividad general no es correcta, entonces el modelo del Big Bang está en problemas. Sin embargo, si la relatividad general es correcta, entonces cualquier intento que rápidamente nos impida cuestionar el modelo del big bang, no está condenando a que no podamos buscar la cosmología correcta.


La Teoría de Cuerdas

Con el establecimiento de la mecánica cuántica en los años 1920's, se desarrolló poco después la ciencia de la física de partículas. Al principio, sólo eran conocidas unas pocas partículas: el electrón, el protón y el neutrón. Todas estas partículas poseen masa, y por un tiempo se pensó que estas eran los componentes básicos y fundamentales de la materia. La mecánica cuántica introdujo el concepto de que las partículas materiales podrían ser descritas por ondas, así como lo inverso, que las ondas podrían ser descritas por partículas. Eso llevó al concepto de que existían ciertas partículas que no tenían masa, como los fotones, que son las partículas que componen la luz. Con el tiempo, los físicos vieron la necesidad de otras partículas, tales como los neutrinos y las antipartículas. Muy pronto se halló evidencia de la existencia de estas extrañas partículas. Los resultados experimentales también sugieren la existencia de otras partículas, como el mesón, el muón, el tau, así como de sus antipartículas. Muchas de estas nuevas partículas son de muy corta duración, pero sin embargo son partículas.

Los físicos comenzaron a ver patrones en el creciente parque zoológico de partículas. Ellos pudieron agrupar a las partículas de acuerdo con ciertas propiedades. Por ejemplo, las partículas elementales poseen momento angular, que es una propiedad que normalmente se asocia con los objetos que giran, por lo que los físicos dicen que las partículas elementales tienen "giro" o "espín". Es útil imaginarse  a las partículas elementales como pequeñas esferas giratorias, pero las teorías modernas ven esto como un poco ingenuo. Girar, viene en una cantidad cuántica. Algunas partículas tienen valores enteros de espín cuántico. Es decir, que tienen múltiplos enteros (0, ±1, ±2, etc.) de la unidad básica de giro. Los físicos llaman a estas partículas bosones. Otras partículas tienen un espín semientero (±1/2, ±3/2, etc.), y se conocen como fermiones. Los bosones y los fermiones tienen propiedades muy diferentes. Los físicos también notaron que las partículas elementales tienden a tener ciertas relaciones matemáticas entre sí. Los físicos, finalmente, empezaron a utilizar la teoría de grupos, un concepto del álgebra abstracta, para clasificar y estudiar a las partículas elementales.

Por la década de 1960, los físicos comenzaron a sospechar que muchas partículas elementales, tales como los protones y los neutrones, después de todo no eran tan elementales, sino que incluso consistían de otras partículas más elementales. Los físicos llamaron a estas partículas más elementales quarks, que es una palabra enigmática tomada de un poema de James Joyce. Según la teoría, hay seis tipos de quarks. Muchas partículas, tales como los protones y los neutrones, consisten en la combinación de dos quarks. Las diferentes combinaciones de quarks conducen a diferentes partículas. Algunas de esas combinaciones de quarks debían producir partículas que nadie había visto, así que estas combinaciones ascendieron a predecir nuevas partículas. Los físicos de partículas fueron capaces de crear estas partículas en los experimentos de aceleradores de partículas, por lo que la búsqueda exitosa de esas partículas predichas, fue la confirmación de la teoría subyacente. Por lo tanto, la teoría de los quarks, ahora está bien establecida.

En años recientes, de una manera similar, los físicos de partículas han desarrollado la teoría de cuerdas. Los físicos han observado que hay ciertos patrones entre las partículas elementales que se pueden explicar fácilmente si las partículas se comportan como pequeñas cuerdas vibrantes. Estas cadenas requerirían la existencia de por lo menos seis dimensiones adicionales a las del espacio. Ya sabemos que el universo tiene tres dimensiones espaciales normales, y que también está la dimensión del tiempo, por lo que estas seis dimensiones adicionales elevan a diez el número total de las dimensiones. La razón por la que normalmente no vemos a las otras seis dimensiones, es porque son muy rizadas y están ocultas dentro de las mismas partículas diminutas. A energías extremadamente altas, estas dimensiones extras deberían manifestarse. Por lo tanto, los físicos de partículas pueden predecir qué tipo de comportamiento exhibirían las cuerdas cuando estas se aceleran a energías extremadamente altas. El problema está en que los aceleradores de partículas actuales no son lo suficientemente potentes como para producir estos efectos. Como los físicos teóricos refinan sus teorías, y cada vez se están construyendo nuevos y potentes aceleradores de partículas, entonces los físicos esperan que algún día podamos probar si la teoría de cuerdas es cierta, pero por ahora no hay evidencia experimental para dicha teoría.

El tamaño de las cadenas. Cadenas de los objetos más pequeños CONOCIDOS POR LA FÍSICA.
Mirando a partes cada vez más pequeñas de una molécula de agua, podemos vislumbrar la complejidad con la que Dios diseñó todas las cosas.
Nos damos cuenta de que la ilustración utiliza el deuterio, un isótopo raro de hidrógeno, para ayudar a transmitir las cuestión.

Actualmente, la mayoría de los físicos creen que la teoría de cuerdas es una idea muy prometedora. Suponiendo que la teoría de cuerdas sea cierta, todavía queda la pregunta de cuál es la versión particular de la teoría de cuerdas que es la correcta. Verá usted que la teoría de cuerdas no es una teoría única, sino que es un esquema general de una serie de posibles teorías. Una vez confirmada la teoría de cuerdas, podríamos restringirla a la versión que describa adecuadamente a nuestro mundo. Si fuera cierta, la teoría de cuerdas podría conducir a nuevas tecnologías. Por otra parte, una visión adecuada de las partículas elementales es importante en muchos modelos cosmológicos, como el big bang. Esto se debe a que en el modelo del Big Bang, el universo temprano sería lo suficientemente caliente como para revelar los efectos de la teoría de cuerdas.


Conclusión

La física moderna es un producto del siglo 20, y se basa en dos pilares: la mecánica cuántica y la relatividad general. Ambas teorías tienen gran apoyo experimental. Los cristianos no deben ver estas teorías con tanto recelo. Es cierto que algunas personas han pervertido o secuestrado a estas teorías para apoyar algunos principios que no son bíblicos, pero aún algunas personas malvadas han pervertido hasta la misma Escritura para apoyar cosas que no son bíblicas. Debemos reconocer que la física moderna es una teoría muy poderosa y robusta, que explica mucho. Al mismo tiempo, la teoría es muy incompleta en algunos aspectos. Con el tiempo, deberíamos esperar a que vengan algunas nuevas teorías que expliquen el mundo mucho mejor que lo que lo hacen las actuales teorías. Sin embargo, sabemos que la Palabra de Dios no cambia.

La teoría de cuerdas ha surgido en el siglo 21, como la próxima gran idea en la física. El tiempo dirá si la teoría de cuerdas estará a la altura de nuestras expectativas. ¿Cuál debería ser la reacción de los cristianos ante esto? Debemos estar vigilantes para investigar la cantidad de influencias no bíblicas que pueden haberse introducido en el pensamiento moderno, sobre todo en la interpretación de la teoría de cuerdas (como con la física moderna). Sin embargo, debemos tener cuidado de no actuar con exceso de celo. ¿Es decir, podemos rechazar los pensamientos anticristianos que se han traído a la discusión? La respuesta es, sin duda alguna, que sí. Al igual que con la cuestión sobre los orígenes, debemos esforzarnos por interpretar estas cosas en nuestros términos, guiados por la Biblia. ¿Las nuevas teorías describen adecuadamente el mundo? ¿Podemos ver la mano del Creador en nuestra nueva física? ¿Podemos encontrar un sentido en nuestros estudios que traiga la gloria a Dios? Si podemos responder que sí a cada una de estas preguntas, entonces estas nuevas teorías no deberían ser un problema para los cristianos.


Nota al Pie

[1] D. Russell Humhreys, Starlight and Time (Green Forest, AR: Master Books, 1994)