Sobre los Universos Paralelos en física

La noción de los "universos paralelos" que coexisten con el nuestro, y en donde pequeñas diferencias en cómo ciertos eventos ocurrieron, o en cómo funcionan las leyes de la naturaleza, han despertado la imaginación de filósofos y literatos. Ejemplos de esto pueden rastrearse hasta la antigüedad clásica -Platón, con su "mundo de las ideas" - e incluso más lejos en religiones antigüas como el Hinduísmo, o las religiones occidentales. Más cerca en el tiempo, Lewis Carroll (con Alicia en el país de las Maravillas) y Edwing Abbott (con su "Planilandia") construyen universos paralelos para hacer críticas a la sociedad inglesa de finales del s XIX. La ciencia ficción, género que se desarrolla en el sXX, ha utilizado este recurso infinidad de veces, jugando con la idea de ¿qué pasaría sí...? y cuál sería el resultado de enfrentarnos con esas realidades.

En física, la idea de los universos paralelos surge como un herramienta para interpelar a los dos grandes paradigmas físicos que revolucionaron al s. XX: la teoría de la relatividad general y la mecánica cúantica. Ambos paradigmas, desarrollados en las primeras dos décadas del s XX., surgieron de la necesidad de hacer compatibles dos marcos teóricos bien establecidos. Por un lado, la mecánica newtoniana, que describía el movimiento y las interacciones entre los cuerpos, así en la tierra (laboratorio) como en el cielo (observaciones astronómicas) y la teoría del electromagnetismo, que describía la interacción a distancia, el comportamiento de la luz, y había permitido descubrir nuevos fenómenos como la existencia de ondas electromagnéticas. Ambos marcos teóricos permitían describir muy bien las observaciones experimentales, pero al ponerlos juntos, llevaban a predicciones contradictorias: para el electromagnetismo, la luz debería moverse exactamente a la misma velocidad independientemente de cómo se moviese el observador, mientras que para la mecánica, las velocidades siembre deberían sumarse; para la mecánica, los átomos tenían que ser diminutos sistemas planetarios, pero para el electromagnetismo, esos sistemas planetarios colapsarían en menos de un parpadeo; según la teoría electromagnética, un cuerpo elástico en equilibrio térmico debería irradiar una cantidad infinita de rayos X, lo que va en contra de lo observado.

La relatividad, desarrollada por A. Einstein, surge de intentar resolver el primer problema: si la velocidad de la luz tiene que ser la misma independientemente de cómo nos movamos, las nociones de "tiempo" y "espacio" de la mecánica Newtonianca, como magnitudes objetivas, independientementes del observador ya no pueden ser ciertas. La noción intuitiva del "aquí" y "ahora" dejan de tener sentido como conceptos separados, el espacio deja de ser un "escenario" sobre el que los cuerpos se mueven, y las nociones de "pasado" y "futuro" como conceptos absolutos empiezan a depender de dónde y cómo se muevan los observadores entre sí. La constancia de la velocidad de la luz se vuelve entonces la "garantía" de que no podamos enviar señales hacia el pasado; no hay viajes en el tiempo porque el pasado nos queda tan lejos que cuando llegamos a él ya es futuro. Sin embargo, ante semejante reformulación de las nociones básicas de la física, la descripción Newtoniana de la interacción gravitatoria - a partir de la cuál se certificaban las leyes de la mecánica como universales, tampoco queda en pie. Para dar una descripción compatible de la interacción gravitatoria con la relatividad, Einstein la reformula en términos de geometría. Según la teoría general de la relatividad, en realidad no hay una interacción entre el sol y los planetas: la presencia de estos "deforma" el espacio a su alrededor, y por lo tanto, las mismas leyes que harían mover a estos cuerpos en línea recta en ausencia de deformación, los hacen describir órbitas *como sí* hubiese una fuerza entre ellos. La situación es semejante a dos hormigas caminando sobre un globo terraqueo: si arrancan caminando en línea recta, perpendicular al ecuador, terminan eventualmente en el mismo punto, como si hubiese una fuerza invisible que las atrae. Las ecuaciones que definen cómo se deforma el espacio alrededor de los cuerpos se conocen como "Ecuaciones de Campo", y resultaron ser tan poderosas como para predecir fenómenos astronómicos que eran inexplicables en términos de la teoría Newtoniana, como el movimiento anómalo del planeta Mercurio, así como el fenómeno de la expansión del universo, base de la teoría del Big Bang. Por otro lado, estas mismas ecuaciones admiten "soluciones" bastante exóticas, como las que predicen la existencia de "agujeros negros", que sólo hemos podido observar en años recientes. Sin embargo, la solución de agujero negro no es la más problemática. Existen soluciones a las ecuaciones que predicen la existencia de agujeros de gusano y "burbujas warp", que permitirían a ciertos observadores burlar el límite de velocidad impuesto por la velocidad de la luz. Si volvemos a nuestras hormigas, obligadas a moverse sobre el globo terraqueo, y a una velocidad menor que una cierta velocidad límite (digamos, algunos centímetros por segundo) el viaje del ecuador al polo les llevará un cierto tiempo mínimo. Sin embargo, si alguien "perfora" el globo de manera de generar un camino recto entre el punto de partida y el polo, la hormiga que viaje a través de él podrá llegar en menos tiempo que ese tiempo mínimo, sin superar la velocidad límite: la hormiga encontró un atajo. Lo mismo hubiese logrado si el globo fuese elástico, y alguien hubiese "aplastado" el camino de la hormiga, formando una "zanja". En cualquier caso, la hormiga lograría violar en forma efectiva la velocidad límite. Una consecuencia de esto es que ahora, la hormiga le ganó la carrera no sólo a su competidora, sino también al tiempo: alcanzó el pasado antes de que se vuelva futuro, esto es, viajó en el tiempo. La existencia de este tipo de soluciones pone a descubierto un problema de la teoría: cuando las hormigas viajan en el tiempo, no tienen mejor cosa que hacer que ir a buscar a sus abuelos hormigas y - si no los matan - les sugieren que en vez de dedicarse a criar hijos se embarquen en otras aventuras, dando origen a una "paradoja". Una forma de salvar este tipo de paradojas sin tener que introducir en la teoría condiciones exóticas que prohiban este tipo de soluciones, es pensar que los "atajos" llevan siempre a universos alternativos, paralelos, donde el abuelo visitado siempre es el (no) abuelo de otra hormiga. Esta interpretación sin embargo tiene varios inconvenientes. En primer lugar, porque es tan artificial como asumir que está prohibido (por alguna ley que no sabemos formular matemáticamente) que existan ese tipo de soluciones exóticas que permitan viajes en el tiempo. Después de todo, remplazar estos "atajos" por puentes a otros universos es imponer una prohibición semejante, aunque ahora de una forma aún más exótica: el universo se copia a si mismo cada vez que alguien cruza uno de estos puentes. Una segunda implicancia de esto es que, para que funcione, no puede existir algo como el libre albedrío: los puntos de cruce tienen que estar definidos de antemano, de manera que la hormiga seguirá siempre los mismos caminos, y por lo tanto, no hace falta otro universo: la hormiga está ahí porque no tiene la posibilidad de cambiar la vida de su abuelo. Lo que aprendimos de este ejercicio de la imaginación es que la teoría de la relatividad general, como fue formulada por Einstein, no puede estar completa. De todos modos, esto resultaba evidente desde que, a pesar de un siglo de intentos, aún no ha sido posible compatibilizar la teoría con el otro gran paradigma de la física del siglo XX, la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica surge inicialmente de la necesidad de explicar una serie de cuestiones relacionadas con la interacción de la luz con la materia, con la forma en que se comportan los sistemas a escala atómica. Como mencionamos antes, la teoría electromagnética predecía que los sistemas atómicos serían muy inestables y que los cuerpos nunca alcanzarían el equilibrio térmico, ya que si lo alcanzasen, deberían irradiar cantidades infinitas de energía. Para resolver el connondrum, la mecánica cuántica propone que, debido al *principio de incerteza*, a escala atómica deja de tener sentido la noción de "trayectoria continua". En mecánica clásica, las trayectorias quedan definidas al conocer la posición y velocidad simultáneas de una partícula en un cierto momento, y las fuerzas que actúan sobre ella. En mecánica cuántica, el *principio de incerteza* establece que no es posible conocer *simultáneamente* la posición y velocidad con precisión absoluta: cuanto más precisa es la determinación del "dónde" está la partícula, más imprecisa es la de su velocidad. Pero si no podemos conocer esa velocidad, al observarla un tiempo después, ya no podemos calcular exactamente dónde está. De esta manera, las trayectorias se "borronean" a escala atómica. Otro fenómeno observado en las partículas subatómicas es el comportamiento ondulatorio de la "probabilidad". Para entender esto, imaginemos que tiramos dardos hacia un blanco. De acuerdo a nuestra destreza, si realizamos varios tiros lograremos que los dardos se claven en una zona cercana al centro del blanco. Nuestra imprecisión en la velocidad inicial que le damos a los dardos resulta en que los puntos donde se clavan esté distribuída más o menos al azar. Si ahora imaginamos que hay dos lanzadores de dardos, que lanzan simultaneamente y son ambos igual de buenos, la "nube" de puntos en los que se clavan los dardos de ambos se parecerá a la que obteníamos con un único tirador: una distribución al azar alrededor del centro. Si ahora imaginamos dardos "cuánticos", lanzados por tiradores tan buenos, que logran disparar dentro de los límites impuestos por el principio de incerteza, y los tiradores lo hacen por "turnos", vemos que el patrón de puntos sigue viéndose como el que obtenía cualquiera de los tiradores "clásicos". Sin embargo, si ahora ambos tiradores lanzan a la vez, un fenómeno distinto ocurre: la nube uniforme da lugar a un "patrón de interferencia", esto es, los dardos parecen concentrarse en ciertaz zonas, mientras que parecen evitar otras. Este fenómeno es semejante al observado al producir olas en la superficie de un líquido: mientras están lejos, las olas parecen moverse de forma independiente, sin deformarse demasiado, sin embargo, al "chocar" ambas olas desaparecen dando lugar a una serie de olas más pequeñas. Esto motivó a los físicos que se encontraron por primera vez con este fenómeno a pensar que a escala atómica, los constituyentes de la materia se propagan en el espacio como "ondas", mientras que se manifiestan como partículas al ser observados. Este comportamiento, al que llamaron "dualidad onda-partícula" escapa al sentido común. Richard Feynmann, premio Nobel de física, decía algo así como que la intuición es el resultado de un sentido común bien entrenado. Para "entrenar" la intuición, se han desarrollado diferentes "interpretaciones" de la mecánica cuántica. Una de ellas, la "interpretación de Copenhagen" que es la más aceptada, plantea que en algún sentido, las partículas no pueden tener "al mismo tiempo" una posición y una velocidad determinadas, sino que, como las ondas en el agua, el "estado" de la partícula es una "superposición" de diferentes estados en los que la partícula se encuentra en algún lugar: mientras esta no es observada, la partícula está *simultaneamente* en más de un lugar a la vez, y se mueve con más de una velocidad. Al observar su posición o su velocidad, el estado de la partícula cambia drámaticamente, a un estado con posición o velocidad definida. En tal estado, si realizamos una segunda observación de la misma cantidad, encontraremos que el resultado es consistente con la medida anterior. Sin embargo, si observamos la cantidad "complementaria" obtendremos un resultado totalmente al azar. Una mirada alternativa es la que propone Feynmann al introducir la idea de *integral de caminos*: Cuando una partícula va de un punto a otro, lo hace de manera que recorre *a la vez* todos los caminos posibles. Sin embargo, cada camino tiene un "peso" estadístico: lo que llamamos "trayectoria clásica" corresponde al camino más probable.

En ambos enfoques, nos encontramos con varios problemas: el primero y quizás más importante es el por qué no observamos a escala humana esas superposiciones de estados/trayectorias. Este problema fue planteado por el Físico y Filósofo Edwin Schrödinger en la forma de la paradoja que lleva su nombre: "Si un gato es encerrado en una caja, en la que un dispositivo puede matar al gato dependiendo del estado de un sistema atómico (que puede estar en más de un estado a la vez, en el rato antes de abrir la caja, el gato estaría vivo y muerto a la vez".

Un segundo problema, relacionado con el anterior, es que ese azar intrínseco de la naturaleza que se manifiesta en las medidas no puede ser explicado. Esta cuestión molestaba a parte de la comunidad científica de la que Albert Einstein formaba parte, y por la que formuló su protesta "Diós no juega a los dados". En este punto vuelve a aparecer la idea de los universos múltiples, en la llamada "Interpretación de (Hugh) Everett": Cada vez que se realiza una medida, el universo se "desdobla" en diferentes universos en cada uno de los cuales, el resultado de la medida es cada uno de los distintos resultados posibles.

El azar se explica entonces en términos de "el universo que te tocó en la medida", mientras que la "superposición de estados" se traduce en la existencia del mismo objeto en diferentes universos. Esta interpretación sin embargo no termina de explicar los fenómenos de interferencia cuántica: para ello habría que pensar que dichos universos pueden "interferir" bajo ciertas condiciones de medida.

Por ese motivo, en la actualidad la teoría más aceptada para explicar la apariencia clásica del universo que observamos es la llamada "teoría de la decoherencia inducida por el ambiente". Esta teoría, postulada por Wocjziech Zurek, propone que dicha apariencia es el resultado de que toda observación que hacemos de la naturaleza es constantemente "monitoreada" por el resto de los objetos circundantes. Como "observar" es "recordar" (o registrar) lo que observamos, sólo podremos observar aquello que nuestro entorno nos permita recordar (o registrar). El azar proviene entonces de nuestro desconocimiento sobre el estado y la acción del entorno, y la "realidad clásica" de la necesidad de que el entorno sea capaz de recordarnos lo que observamos.

J.M. Matera