SECCIÓN DE OBRAS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA MÁS RÁPIDO QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ Traducción de ELENA MARENGO Revisión técnica de ALEJANDRO GANGUI (autor de El big bang: la génesis de nuestra cosmología actual) COMITÉ DE SELECCIÓN Dr. Antonio Alonso Dr. Francisco Bolívar Zapata Dr. Javier Bracho Dr. Juan Luis Cifuentes Dra. Rosalinda Contreras Dra. Julieta Fierro Dr. Jorge Flores Valdés Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Leopoldo García-Colín Scherer Dr. Adolfo Guzmán Arenas Dr. Gonzalo Halffter Dr. Jaime Martuscellli Dra. Isaura Meza Dr. José Luís Morán Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. José Antonio de la Peña Dr. Ruy Pérez Tamayo Dr. Julio Rubio Oca Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Dr. Elias Trabulse JOÃO MAGUEIJO MÁS RÁPIDO QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ Historia de una especulación científica FONDO DE CULTURA ECONÓMICA MÉXICO - ARGENTINA - BRASIL - COLOMBIA • CHILE - ESPAÑA ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA - PERÚ - VENEZUELA Primera edición en inglés, 2003 Primera edición en español, 2006 João Magueijo Más rápido que la velocidad de la luz: historia de una especulación científica - 1a ed. - Buenos Aires: Fondo de Cultura Económica, 2006. 272 pp.; 23x15 cm. (Ciencia y tecnología) Traducido por: Elena Marengo ISBN 950-557-683-8 1. Física. 2. Teoría de Relatividad. I. Elena Marengo, trad. II. Título CDD 530.11 Título original: Faster than the Speed of Light ISBN original: 0-7382-0525-7 © Perseus Publishing D.R. © 2006, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA DE ARGENTINA, S. A. El Salvador 5665 /1414 Buenos Aires [email protected] / www.fce.com.ar Av. Picacho Ajusco 227; 14200 México D.F. ISBN: 950-557-683-8 ÍNDICE 1. Puras sandeces ............................................................................. Parte I. La historia de c 2. Einstein sueña con vacas .............................................................. 3. Cuestiones de gravedad ................................................................ 4. El error más grande de Einstein .................................................... 5. La esfinge y sus enigmas ............................................................... 6. Una orgía de anfetaminas ............................................................. Parte II. Años luz 7. Una húmeda mañana de invierno ................................................ 8. Noches en Goa ............................................................................. 9. Crisis de madurez ......................................................................... 10. La batalla por publicar .................................................................. 11. La mañana siguiente .................................................................... 12. El mal de las alturas ...................................................................... Epílogo: Más rápido que la luz ..................................................... Agradecimientos .......................................................................... Reconocimientos .......................................................................... Índice de nombres y conceptos .................................................... 1. PURAS SANDECES MI PROFESIÓN ES LA FÍSICA TEÓRICA. Según todos los cánones, soy miembro de pleno derecho de la academia, pues he recibido mi doctorado en Cambridge, me fue acordada una prestigiosa beca de investigación en St. John's College, Cambridge (beca que recibieron con anterioridad Paul Dirac y Abdus Salam), y más tarde, una beca de investigación de la Royal Society. En la actualidad, soy lecturer del Imperial College de Londres (el equivalente a un profesor titular en los Estados Unidos). No menciono mis títulos porque quiera alardear sino porque este libro expone una especulación científica que se presta a acaloradas polémicas. Pocas cosas hay en la ciencia tan sólidas como la teoría de la relatividad de Einstein, pero la idea que desarrollo aquí la cuestiona a tal punto que muchos podrían suponer que hacerla pública constituye un suicidio profesional. No ha de sorprender entonces que una reseña sobre este libro publicada en una conocida revista de divulgación científica llevara el título de "Herejía". Por el sentido con que se usa la palabra especulación para desechar ideas con las cuales uno no está de acuerdo, cabría inferir que la especulación no desempeña ningún papel en la ciencia. No obstante, ocurre todo lo contrario. En la física teórica, y especialmente en la cosmología, rama de la física a la cual me dedico, mis colegas y yo consagramos buena parte del día a cuestionar las teorías en vigencia y a analizar nuevas teorías especulativas que puedan dar cuenta de los datos empíricos con igual o aún mayor solvencia. Nos pagan para que pongamos en duda todo lo que se ha afirmado hasta el momento, para que formulemos alternativas alocadas y para que discutamos sin cesar entre nosotros. Tuve mi primera experiencia en esta rama cuando ingresé a la carrera de posgrado en Cambridge en 1990. No tardé mucho en darme cuenta de que un físico teórico pasa la mayor parte del tiempo debatiendo con sus pares: en cierto sentido, los colegas hacen las veces de experimentos. En Cambridge, se llevaban a cabo reuniones semanales de carácter no del todo formal en las que discutíamos todo lo que teníamos en mente en ese momento. También existían unos encuentros itinerantes sobre cosmología, en los cuales se reunían físicos de Cambridge, Londres y Sussex para comentar los proyectos que los obsesionaban. Había también un ámbito más rutinario, la oficina, que compartía con otros cinco profesionales en permanente desacuerdo, y a menudo nos gritábamos unos a otros. Algunas veces esas reuniones implicaban meras discusiones de índole general que giraban tal vez en torno a un artículo recién publicado. Otras veces, en cambio, en lugar de hablar de ideas nuevas provenientes de experi- mentos, de cálculos matemáticos o de simulaciones en computadora, nos paseábamos por el salón haciendo conjeturas, es decir, debatíamos ideas que no se fundamentaban en ningún trabajo experimental ni matemático pre- vio: ideas que daban vuelta en nuestra cabeza y eran producto de un vasto conocimiento de la física teórica. Especular es una verdadera diversión, especialmente cuando, después de argumentar durante una hora y convencer a todos los presentes, uno de pronto cae en la cuenta de que algún error embarazoso y trivial arruina toda la especulación, y que ha arrastrado a todos por un camino equivocado o, a la inversa, que se ha dejado llevar con toda puerilidad por una especula- ción ajena que está viciada en sus fundamentos. Semejantes ejercicios de argumentación imponen una enorme presión al estudiante de posgrado y pueden llegar a intimidar, en particular cuando se hace evidente en medio de la argumentación que algún colega es mucho más hábil y que uno se ha metido en camisa de once varas. En el plantel perma- nente de Cambridge no escaseaba la gente inteligente y con deseos de lucirse, gente que no se limitaba a demostrar que uno estaba equivocado sino que puntualizaba, además, que el error cometido era en realidad trivial, al punto que cualquier estudiante de física de primer año podría haberlo descubierto. Si bien esas situaciones me ponían muy incómodo, jamás me deprimieron: por el contrario, obraban como un incentivo. Todos terminamos sintiendo que nadie se gana su lugar en la comunidad científica si no ha concebido algo verdaderamente original. Durante esas reuniones, uno de los temas que surgía con frecuencia era el de la "inflación". La teoría de la inflación es una de las más difundidas en la cosmología actual, esa rama de la física que pretende responder a interrogan- tes tan complejos como éstos: ¿de dónde proviene el universo?, ¿cómo acaba- rá?, preguntas que otrora formaron parte de la religión, el mito o la filosofía. Hoy en día la respuesta científica a todas ellas es la teoría del big bang, que postula un universo en expansión, producto de una enorme explosión. La teoría de la inflación fue formulada inicialmente por Alan Guth, dis- tinguido físico del MIT (Massachusetts Institute of Technology), y pulida luego por otros científicos para que respondiera a lo que nosotros, los físicos teóricos, llamamos "los problemas cosmológicos". En particular, aunque prácticamente todos los cosmólogos aceptan hoy la idea de que el cosmos se inició con un big bang, hay aspectos del universo que son imposibles de explicar con esa teoría tal como la conocemos. Diré someramente que esos problemas tienen que ver con el hecho de que el modelo del big bang es inestable: el universo sólo puede existir tal como lo vemos hoy si uno se las ingenia para concebir de manera muy especial su estado inicial en el momento de la explosión. Pequeñísimas desviaciones del mágico punto de partida acaban rápidamente en catástrofes (como el prematuro fin del uni- verso), de modo que es necesario "incorporar a mano" esa improbable con- dición inicial en lugar de inferirla de un proceso físico concreto y calculable. Esta situación es muy incómoda para los cosmólogos. La teoría de la inflación postula que en sus primeros instantes el universo se expandió mucho más velozmente que hoy en día (de modo que "se infló" o aumentó rápidamente de tamaño). En la actualidad, constituye la respuesta más idónea a los problemas cosmológicos y explica el aspecto del cosmos que vemos. Hay razones para suponer que se trata de la respuesta más correcta al problema cosmológico, pero no existen todavía pruebas experi- mentales que la sustenten. Según los cánones más rigurosos de la ciencia, decir que no hay pruebas experimentales implica que la teoría de la infla- ción es aún una especulación. Aunque este déficit no impide que la mayoría de los científicos la acepten con entusiasmo, en el ámbito de la física teórica británica nunca hubo plena convicción de que esta teoría fuera la respuesta a los problemas cosmológi- cos. Sea por chauvinismo (la teoría fue formulada por un físico estadouni- dense), sea por terquedad o por criterios científicos, en esas reuniones que mencioné antes surgía inevitablemente una y otra vez el tema de la infla- ción, pero la opinión general era que esa teoría tal como la concebíamos no resolvía ciertos problemas cosmológicos de crucial importancia. Al principio no le presté demasiada atención porque no era mi especiali- dad; yo me dedicaba a los defectos topológicos, que permitían explicar el origen de las galaxias y otras estructuras del universo. (Al igual que la teoría de la inflación, los defectos topológicos pueden dar cuenta de esas estructu- ras pero, lamentablemente, no explican los problemas cosmológicos.) Sólo empecé a pensar en explicaciones alternativas después de oír hasta el hartaz- go que la teoría de la inflación no tenía ningún fundamento en la física de las partículas y que era un mero producto de las relaciones públicas acadé- micas en Estados Unidos... ¡Ay!, la naturaleza humana. Para los legos no resulta evidente por qué la inflación podría resolver los problemas cosmológicos. Menos evidente aún es por qué sería tan difícil resolverlos prescindiendo de ella. Para el cosmólogo profesional, sin embar- go, la exasperante dificultad radicaba precisamente en este último hecho, al punto que nadie había conseguido formular una teoría alternativa. En otras palabras, se aceptaba la inflación a falta de otra teoría viable. Durante muchos años, en lo más recóndito de mi mente -y a veces no tan en lo recóndito-, me preguntaba si habría otra manera, cualquier otra manera, de resolver los problemas cosmológicos. Corría el segundo año de mi beca en St. John's College (y el sexto de mi estadía en Cambridge) cuando un día la respuesta apareció como caída del cielo. Era una mañana lluviosa, típica de Inglaterra, y yo atravesaba los campos de deportes de la universidad bajo los efectos de una gran resaca, cuando, de pronto, me di cuenta de que se podían resolver los problemas cosmológicos prescindiendo de la inflación si se rompía una única regla del juego, aunque, debo reconocerlo, esa regla era sagrada. La idea era de una bellísima sencillez, mucho más sencilla que la teoría de la inflación, pero enseguida me sentí inquieto ante la posibilidad de adoptarla como explica- ción, pues implicaba dar un paso que raya en la demencia para un científi- co profesional. Cuestionaba la regla fundamental de la física moderna: que la velocidad de la luz es constante. Si hay algo que incluso los niños de escuela saben acerca de Einstein y su teoría de la relatividad es que la velocidad de la luz en el vacío es constante.1 Cualesquiera sean las circunstancias, la luz atraviesa el vacío a la misma velocidad, constante que los físicos indican con la letra c: 300.000 km por 1 Si se hace pasar la luz a través de determinadas sustancias es posible frenarla, detenerla e, incluso, acelerarla, en cierto sentido. Este hecho no contradice el supuesto fundamental de la teoría de la relatividad, que se refiere a la velocidad de la luz en el vacío. segundo. La velocidad de la luz es la piedra angular de la física, el cimiento aparentemente sólido sobre el cual se han erigido todas las teorías cosmoló- gicas modernas, el metro patrón que sirve para medir el universo entero. En 1887, los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley llevaron a cabo uno de los experimentos científicos más importantes de la historia y demostraron que el movimiento de la Tierra no afectaba la veloci- dad aparente de la luz. En su momento, ese experimento desconcertó a todos, pues contradecía una noción del sentido común: que las velocidades se suman. Un misil disparado desde un avión se desplaza más velozmente que uno disparado desde tierra, porque la velocidad del aeroplano se suma a la del propio misil. Si lanzamos un objeto desde un tren en movimiento, su velocidad con respecto al andén es igual a la velocidad del objeto más la ve- locidad del tren. Cabría pensar que lo mismo ocurre con la luz, y que la luz emitida desde un tren se mueve más rápidamente. No obstante, los experi- mentos de Michelson y Morley demostraron que no era así: la luz tiene siempre una velocidad constante. Así, si tomamos un rayo de luz y pregun- tamos cuál es su velocidad a varios observadores que se mueven unos con respecto a los otros, ¡todos responderán dándonos un mismo valor para la velocidad aparente de la luz! La teoría especial de la relatividad enunciada por Einstein en 1905 fue, en parte, una respuesta parcial a este hecho desconcertante. Einstein se dio cuenta de que, si la velocidad de la luz no cambiaba, necesariamente tenían que cambiar otras cosas, a saber: la idea de que existen un espacio y un tiem- po universales que no se modifican, conclusión escandalosa porque contra- dice la intuición. En nuestra vida cotidiana, percibimos el espacio y el tiem- po como algo rígido y universal. Einstein, en cambio, concibió el espacio y el tiempo -el espacio-tiempo- como algo que podía curvarse y cambiar, expandiéndose y contrayéndose según los movimientos relativos del obser- vador y del objeto observado. Lo único que no cambiaba en el universo era la velocidad de la luz. Desde entonces, la constancia de la velocidad de la luz es algo que consti- tuye la propia trama de la física, y se refleja incluso en la forma que adoptan las ecuaciones y en la notación que se utiliza. Hoy en día, hablar de la "variación" de la velocidad de la luz no es sólo utilizar una mala palabra: es algo que lisa y llanamente no figura en el vocabulario de la física. Hay cien- tos de experimentos que probaron este principio fundamental, de modo