George Ellis, en la frontera de cosmología y metafísica

El Profesor George Ellis pertenece al Departamento de Matemáticas de la Universidad de Cape Town en Africa del Sur. Ha escrito con Steve Hawking "The Large Scale Structure of Space-time", además de numerosos libros y artículos sobre Física Teórica y Filosofía de la Física.

En su artículo "Issues in the Philosophy of Cosmology" presenta un conjunto de 34 Tesis respecto de una ciencia que ha atraído recientemente la atención de los científicos. Su postura filosófica es claramente realista y acepta planteamientos metafísicos en contra de un reduccionismo materialista.

Después de estudiar el método científico de la cosmología, analiza el contenido de verdad y los conceptos metafísicos de existencia y causalidad en los modelos cosmológicos. El Profesor Ellis ha dedicado también sus esfuerzos al diálogo ciencia-religión (es autor del concepto de "principio antrópico cristiano", explicado en otro artículo de tendencias) por lo que ha recibido en 2004 el Premio Templeton.

Problemas filosóficos

En su artículo Issues in the Philosophy of Cosmology que apareció en el libro Philosophy of Physics, editado por Gabbau Woods and Thangara y publicado por Elsevier en 2006, George Ellis se plantea examinar los problemas filosóficos de la cosmología física. Esta se ocupa del estudio del Universo a gran escala.

La cosmología considera el amplio dominio de las galaxias, de los clusters, de los objetos cuasi-estelares, etc., que se pueden observar en el cielo con el uso de telescopios, determinando su naturaleza, distribución, origen y relación con su entorno, así como las interacciones que se produjeron durante el big bang caliente y la subsiguiente expansión del Universo. También se tienen en cuenta los efectos cuánticos que se produjeron antes del big bang caliente, que complementan el estudio de los primeros instantes. Un posible destino del Universo en evolución sería producir una situación tal en que se dieran las condiciones físico-químicas necesarias para que fuera posible la existencia de la vida en la Tierra y en otros planetas. Si las condiciones físico-químicas hubieran sido diferentes, probablemente no estaríamos aquí. Por eso, la cosmología es tan importante para el resto de las ciencias. La cosmología comienza en 1917 con la propuesta de Einstein de un Universo estático, seguida por el descubrimiento hecho por Hubble en 1929 del desplazamiento hacia el rojo, que indicaba la expansión del Universo. Su explicación teórica fue obtenida por el modelo de Friedmann-Lemaître basándose en la geometría de Roberston-Walker.

Marco de referencia

La cosmología ha crecido en las últimas décadas por el descubrimiento de nuevas partículas elementales y sobre todo por nuevos datos observacionales registrados por telescopios terrestes de gran resolución, o enviados desde fuera de la atmósfera por satélites tales como HUBBLE, ROSAT, IRAS, COBE, WMAP y otros. La mayor diferencia de la cosmología respecto de otras ciencias es el objeto de su conocimiento único y su papel de marco de referencia fundamental para todas las ciencias. En cuanto a su método de conocimiento no se pueden modificar los datos debido al tamaño de los objetos que se analizan y a la distancia espacial y temporal en que se encuentran. Por consiguiente, la filosofía subyacente va a influir en la construcción de teorías cosmológicas que ayuden a explicar los misterios de la naturaleza. Ellis ha resumido los principios filosóficos de la cosmología en 34 Tesis que subyacen a sus aspectos geométricos y físicos. Antes de presentar estas tesis, Ellis da un repaso a los principales modelos de la Cosmología: el big bang caliente, radiación cósmica de fondo, inflación, la materia y la energía oscura. Las leyes que rigen la evolución del Universo son las ecuaciones de la relatividad general. Ellis hace una breve introducción teórica para deducir a partir de las ecuaciones de Einstein el modelo de Friedmann-Lemaître, cuya principal característica es la existencia de una singularidad esencial.

El big bang caliente. Materia oscura y energía oscura

Si consideramos la materia en sus primeros estadios, ésta se hace más caliente porque ocupa menos volumen. Hacia los 300.000 años después del big bang los núcleos y electrones formaban átomos, pero antes de esa fecha, al ser la temperatura más alta, los electrones estaban separados de los núcleos, y la radiación estaba fuertemente acoplada a la materia. Cuando la temperatura cayó a 4.000 grados Kelvin (ºK) disminuyeron las reacciones entre la materia y la radiación, y ésta quedó libre dando lugar a un Universo transparente. Cuando la materia se desacopló de la radiación ésta empezó a expanderse en todas las direcciones en forma de la radiación de cuerpo negro (un cuerpo incandescente que emite radiación en todas las frecuencias posibles). Aunque esto se producía inicialmente a la temperatura de 4.000 ºK, al llegar hasta nosotros había descendido su temperatura a 2,75 ºK. Antes de desacoplarse la materia y la radiación, la temperatura de ambos era la misma porque ambos se encontraban en equilibrio. Al ir disminuyendo la temperatura tuvieron lugar reacciones entre partículas que determinaron la materia que observamos hoy día.

En particular la formación de nucleos más pesados que el del hidrógeno (deuterio, tritonio, helio, litio) fueron creados por captura de neutrones, cuando la temperatura llegó por debajo de cierto límite. Este proceso, llamado nucleo-síntesis, dio lugar a la formación de átomos ligeros, cuyo proceso ha sido comprobado experimentalmente en un laboratorio terrestre.

A partir de este polvo de elementos ligeros se formó la primera generación de estrellas por atracción gravitatoria. En las zonas más profundas de estas estrellas se formaron elementos más pesados (carbono, nitrógeno, oxígeno y otros elementos de la tabla hasta el hierro) que fueron expulsados al exterior por una explosión de la estrella, que por este motivo se llamó "supernova". Las observaciones cosmológicas han mejorado con los nuevos sistemas de detección (análisis óptico, ultravioleta, infrarojos) que determinan con mucha sensibilidad la luminosidad y el espectro de las estrellas y de la radiación de fondo. En el ámbito de la observación se presenta el grave problema de la ausencia de luminosidad de los bariones que llenan el universo. Esta luminosidad se puede utilizar para medir el parámetro de la desaceleración del Universo.

Hasta hace pocos años no había galaxias cuya luminosidad pudiese influir en el parámetro de la desaceleración. Pero observaciones recientes de la luminosidad de galaxias muy distantes ha permitido calcular el parámetro de la desaceleración y en contra de lo que se esperaba se llegó a la conclusión que las estrellas se estaban acelerando en su expansión, lo que implicaba la existencia de una energia negativa que producia la aceleración. A esta energía negativa que dominaba la expansión del Universo, pero cuyo origen y naturaleza eran desconocidos, se la llamó "energía oscura".

Un fenómeno semejante ocurría con la masa. Se conocen movimientos entre las galaxias que pueden ser explicados por las leyes de la dinámica clásica. Las galaxias observadas, cuya existencia se podía comprobar por su luminosidad, no eran suficientes para explicar estos movimientos. Hace falta suponer nuevas galaxias para explicar dichos movimientos. A estas galaxias se les aplica el nombre de "materia oscura".

Inflación y primeros instantes

Los procesos físicos de partículas elementales dominaron en la era inicial, tales como la condensación de un plasma de quarks y gluones que se condensó para producir bariones. En esa época tuvieron mayor importancia los efectos cuánticos, que tuvieron como consecuencia la producción de efectos gravitatorios repulsivos entre campos escalares. Esto llevó al modelo del Universo inflacionario, propuesto por Alan Guth, donde la expansión acelerada del Universo tuvo lugar en un período muy corto después del big bang caliente.

Este modelo explica los enigmas que la teoría del big bang no había podido hacer: un Universo espacialmente homogéneo, una geometría isótropa y una distribución uniforme de materia. También explicaba porqué las secciones espaciales son actualmente casi planas (lo cual exige una precisión muy grande de las condiciones iniciales). La razón de estos éxitos de la teoría inflacionaria estriba en que el horizonte de las partículas que interaccionan es mucho mayor en el modelo inflacionario que en el modelo standard, permitiendo una conexión causal entre las partículas a una distancia mayor.

Otra ventaja de la teoría consiste en explicar la distribución de las galaxias, tal como se encuentran en el tiempo actual, por la expansión de pequeñas fluctuaciones durante la inflación, que fueron creciendo a gran escala para formar galaxias y clusters de galaxias. Aunque existen varias alternativas a la teoría de la inflación, se considera que ésta es el mejor modelo para explicar los fenómenos que se producen en la época posterior al big bang caliente.

Respecto de los primeros instantes del Universo, se han construido modelos para eliminar la singularidad inicial y así evitar el comienzo del Universo. Esta hipótesis exigiría introducir la teoría de la gravedad cuántica, que está muy lejos de ser consistente. Existen teoremas que demuestran la existencia de pasados finitos de acontecimientos, en el marco de una función de onda de todo el Universo (como solución de la ecuación de Wheeler-de Witt) o el uso de mayor número de dimensiones (que aparecen el las teorías de supercuerdas) o en la aplicación de los modelos de "loop quantum gravity".

Ellis describe varias teorías para intentar explicar la creación "ex nihilo" pero con razones puramente científicas. Pero en todas estas teorías se supone que existe un estado anterior de donde procede el Universo actual por diversos mecanismos, aparición de nuevas partículas por el fenómeno de creación y destrucción, teorías del pre- big bang por dualidad según Veneziano, emergencia de un espacio-tiempo de Sitter, o aparición de fluctuaciones. Pero la pregunta inmediata que surge es aplicar la pregunta de la creación a esta realidad pre-existente. Esta pregunta no tiene respuesta científica por falta de comprobación experimental y es de carácter muy especulativo.

Temas epistemológicos de la cosmología física

Después de haber presentado los datos y modelos que la astronomía ha elaborado en los últimos años, Ellis presenta un conjunto de tesis que perfilan su filosofía de la cosmología, siguiendo los argumentos que conceden a dicha cosmología el estatuto de una ciencia sui generis.

Siguiendo sus propios esquemas empezamos con las tesis que se relacionan con ciertos temas metodológicos y epistemológicos (Series A-E) dejando para el final las tesis que tratan de temas más propios de la metafísica (Series F-I). Consideramos de interés ofrecer un resumen de las tesis de Ellis que podrán verse explicadas ampliamente en el manuscrito que citamos, accesible en la red.

A. Tesis sobre la unicidad del Universo

1) El Universo en su conjunto no puede ser sometido a un experimento porque no se pueden cambiar las condiciones iniciales y ser el experimentador parte del Universo.

2) Los resultados de las observaciones sobre el Universo no pueden ser comparados con otras observaciones de otros universos porque éstos no se pueden observar.

3) El concepto de ley física no se puede aplicar a un sólo objeto, porque ésta se obtiene por inducción a partir de experimentos con muchos objetos.

4) El concepto de probabilidad es problemático en la hipótesis de un solo objeto, porque ésta se obtiene por repetición del mismo fenómeno en muchos objetos y esta situación no se obtiene en el caso de un solo objeto.

B. Tesis sobre el gran tamaño del Universo

1) Las observaciones astronómicas se limitan al cono de luz en el pasado, de modo que estamos mirando siempre hacia el pasado. Cuanto más alejados estamos de este pasado aumenta la incertidumbre y la imprecisión.

2) Los datos obtenidos en el cono de luz del pasado son necesarios y suficientes para determinar la geometría del espacio-tiempo pasado y, si no hay interferencias, también la geometría del cono de luz futuro.

3) Para establecer la geometría de Robertson-Walker en las etapas iniciales del Universo hay que admitir como postulado la homogeneidad del Universo. 4) La interpretación de las observaciones cosmológicas se basa en hipótesis que se aceptan sin demostración.

5) Un criterio para aceptar un modelo del Universo es que la edad de las estrellas sea menor que la edad del universo.

6) El horizonte observacional limita nuestra capacidad de determinar la geometría a gran escala del Universo: la mayor parte de la materia oscura se oculta a nuestros ojos.

C. Tesis sobre la energía tan desmesurada en el comienzo del mundo

1) No podemos hacer experimentos ni directa ni indirectamente sobre la energía del comienzo del Universo, porque no disponemos de aceleradores de partículas con una energía equivalente. Sólo nos queda extrapolar los datos que obtenemos a baja energía a alta energía no medible.

2) La falta de una teoría sobre la inflación significa que las propuestas de un Universo inflacionario son incompletas. Serían completas si se conociese un campo que se pudiese confirmar experimentalmente y que sirviese para explicar la inflación.

D. Tesis sobre el origen del Universo

1) Se pueden proponer diversas hipótesis: un Universo finito en el tiempo con una sola singularidad o con varias singularidades sucesivas que dan lugar a diferente fases. Un Universo eterno con uno o varios impulsos (o explosiones) sin singularidades, eliminadas por la teoría cuántica.

2) Todas estas hipótesis han sido realizadas por un solo Universo que tenemos delante. La pregunta acerca de porqué ha tenido lugar este particular modelo o estas condiciones iniciales no puede ser respondida desde la física sino desde la filosofía o la metafísica.

3) El estado inicial del Universo pudo haber sido especial o general. Parece que las condiciones iniciales geométricas del Universo no fueron genéricas.

E. Leyes y condiciones iniciales como fundamento del Universo

1) El reconocimiento de las leyes del Universo en su totalidad puede depender de las condiciones iniciales. Las leyes físicas pueden variar en diferentes lugares o instantes del cosmos.

2) Se puede suponer que las leyes de la física son fundamentales en el Universo en que vivimos. Pero podría suponer que en otros Universos hipotéticos se diesen otras leyes diferentes.

3) En un Universo en expansión pueden emerger nuevos objetos reales. Estos tienen que ser compatibles con las condiciones iniciales en el momento de su aparición y su existencia tiene que ser una de las posibles derivadas del estado actual de los objetos presentes en ese momento.

F. bases filosóficas explícitas

1) En cosmología son necesarias consideraciones epistemológicas y metodológicas más que en otras ciencias.

2) Los criterios para elegir una determinada teoría en cosmología no son puramente científicos. Más bien se basan en la coherencia interna y externa, en el poder de explicación y unificación y en la confirmación experimental.

3) Cuando aparezcan conflictos entre diversos criterios, se tiene que elegir entre varios de ellos y esta elección influirá en la teoría resultante.

4) Un ejemplo de los criterios mencionados en las tesis 2) y 3) se puede encontrar en el fenómeno de la inflación, a saber, su poder de explicación con respecto al crecimiento del Universo. La inflación predice la existencia de perturbaciones en el comienzo del Universo que explican la formación de estructuras que han permanecido actualmente y que han sido comprobadas experimentalmente por la radiación cósmica de fondo y por el espectro de las estrellas.

5) La finalidad para construir una teoría es fijar de alguna manera los límites y las preguntas que nos orientan y el grado de explicación que queremos obtener.

6) Las teorías y modelos que utilizamos en nuestro conocimiento del Universo siempre será incompletos. Unas veces nos iluminan, otras nos conducen al error. Unas veces nos ayudan para comprender mejor la realidad (problema metafísico) otras veces nos explican el camino para llegar hasta el fondo más profundo. Estas teorías y modelos no se deben confundir con la realidad misma.

G. El principio antrópico

Uno de los temas más fundamentales en cosmología es la pregunta sobre el hombre: ¿por qué el Universo tiene una naturaleza tan especial para que pueda existir la vida? Utilizando una metáfora hay que sintonizar todos los procesos del Universo (físicos, químicos, biológicos) para que se pueda dar la vida. Dicho con otras palabras, las leyes de la física son tales que deben garantizar las regularidades que subyacen a la existencia de la vida. Ellis resume esta situación en dos tesis:

1) La vida es posible porque las leyes de la física, las condiciones iniciales y los límites del Universo, tienen un valor determinado para que se produzca esta vida. Hay una pregunta fundamental al hecho de la vida: ¿por qué se produce esta situación? Se podría responder que las leyes de la física son de tal manera para que éstas hagan posible la vida.

Pero queda todavía la pregunta de orden metafísico sobre la última causa del origen de la vida. Según Ellis hay varias opciones:

i) por azar, no hay causas.

ii) por necesidad, no hay alternativas.

iii) por una probabilidad muy grande, que no se puede medir.

iv) por universalidad, todo lo que es posible sucederá.

v) por selección natural cosmológica aplicada a la aparición de nuevos Universos con el mayor número de agujeros negros que favorecen las condiciones de vida.

vi) por una finalidad determinada. Esta explicación de orden metafísico no se utiliza en física porque no se puede probar experimentalmente, pero mejora las opciones anteriores porque introduce la finalidad (al menos) extrínseca del agente que ha escogido las leyes físicas y las condiciones necesarias para que se produzca la vida.

2) La segunda tesis que subyace a todas estas opciones o preguntas sobre la última causa que decide entre las distintas posibilidades es de carácter metafísico y por consiguiente no puede ser respondido por una ciencia experimental.

H: Los multiuniversos

Es una hipótesis científica según la cual existen muchos Universos iguales o parecidos al nuestro. Se basa en el principio de que " todo lo que es posible, existe". Esta hipótesis requiere dos condiciones. Primera, saber cuáles son todos los Universos posibles. Esto se consigue extrapolando todas las constantes, campos, partículas, fuerzas, leyes de la lógica, etc. que hemos conocido en nuestro universo. Segunda, conocer cuáles de estos posibles universos son físicamente realizables.

Esto requiere conocer el mecanismo de la creación, pero con el peligro de que no podamos comprobar todos los universos físicamente realizables. Las tesis que Ellis trata de probar sobre este tema son:

1) La propuesta de que existen multiuniversos no se puede probar experimentalmente (aunque admiten un cierto test de auto-consistencia) porque no se conocen los mecanismos causales entre los multiuniversos y el nuestro.

2) Los argumentos basados en las leyes de la probabilidad no pueden demostrar la existencia de multiuniversos, porque estos argumentos se utilizan cuando tenemos varios universos para hacer una demostración de probabilidad. Pero en nuestro caso poseemos un solo Universo.

3) Los multiuniversos son un tema filosófico más que científico. En general podrán ayudar a explicar con mayor precisión las condiciones para la vida. Pero no son científicamente experimentables y, en última instancia, posponen el argumento metafisico de la existencia.

4) Puesto que la idea de multiuniverso es de caracter filosófico, ¿hay una versión más preferida que otra? Se puede responder que este modelo cosmológico se puede ampliar con los aspectos biológicos de la evolución, como hace Smolin cuando aplica a la expansión del universo el mecanismo de la evolución de las especies por la selección natural.

I. Naturaleza metafísica del Cosmos

1) No conocemos las componentes materiales del Universo, en particular, la inflación, la materia oscura y la energía oscura. Hasta que se conozca el mecanismo teórico de estos fenómenos, la comprensión causal del Universo es incompleta.

2) La existencia de infinitos realizados físicamente es cuestionable (según Hilbert el infinito no existe en realidad, es sólo una idea). Se puede sugerir que los infinitos no son físicos, y en cualquier caso inverificables.

3) Un tema muy profundo para comprender la Cosmología es la naturaleza de las leyes físicas. La naturaleza del espacio de posibilidades para la existencia física del cosmos está caracterizada por las leyes físicas. Sin embargo, no está claro si éstas son descriptivas o prescriptivas, dicho con otras palabras, si vienen a la existencia con el espacio-tiempo y la materia o son anteriores a ellos. También las condiciones iniciales no se pueden referir a un principio (por ejemplo, el principio cosmológico) sino sólo a los valores físicos encontrados.

4) Tesis de incertidumbre. La exploración científica puede decir mucho sobre el Universo pero no sobre su última naturaleza o sobre sus mayores características geométricas y físicas. Algunas de estas incertidumbres puede resolverse pero otras permanecerán. La cosmología debe reconocer esta incertidumbre.

Conclusión

Nos encontramos ante un excelente trabajo sobre la filosofía de la Cosmología, un tema que atrae mucho el interés de los científicos porque enmarca muchas especialidades. La introducción presenta los aspectos teóricos y experimentales de la Cosmología, que sirve para establecer el método científico ( como postula la filosofía de la ciencia) definido por los datos observables y leyes de la naturaleza.

A partir del método científico se da un salto al nivel filosófico, donde se analizan el contenido de realidad de los modelos cosmológicos y su "quintaesencia" metafísica. Son estudiados en particular los multiuniversos y la relación de la Cosmología con los seres vivos a través del principio antrópico. El último paso hacia las cuestiones metafísicas enfrenta a Ellis con preguntas propias de la teología. ¿Quién escoge las características del modelo que se va a emplear y las condiciones iniciales que van a incidir sobre la evolución del Universo? ¿Quién decide sobre la existencia de estos modelos? ¿Qué fundamento metafísico se puede encontrar a la afirmación sobre los multiversos: "todo lo que puede ocurrir, ocurre"?

Ellis no contesta, quizá porque considera que su trabajo no es el lugar adecuado para proponer una respuesta. La impresión general consecuente con la lectura de estas tesis es que Ellis es consciente de que el Universo es científicamente un enigma y de que las tesis metafísicas son siempre especulativas y suponen una opción explicativa de parte de quienes construyen la teoría.



Miguel Lorente Páramo, Universidad de Oviedo, Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión, Universidad P. Comillas.