Carlo Rovelli - ¿Y si el tiempo no existiera?

Cuando cursaba el cuarto año en la universidad, descubrí un artículo escrito por un físico inglés, Chris Isham, que trataba de la gravedad cuántica. El artículo explicaba que en la base de la física contemporánea hay un problema fundamental no resuelto, relacionado con la definición del tiempo y del espacio, es decir, con la estructura básica del mundo. Leí el artículo con avidez. No entendí gran cosa, pero el tema que el artículo presentaba me sedujo. Veamos las grandes líneas del problema.

La gran revolución científica del siglo XX se compone de dos episodios de gran importancia. Por un lado, la mecánica cuántica, por el otro, la relatividad general de Einstein. La mecánica cuántica, que describe muy bien el mundo microscópico, transformó profundamente nuestros conocimientos sobre la materia. La relatividad general, que explica con precisión la fuerza de la gravedad, transformó radicalmente nuestros conocimientos sobre el tiempo y el espacio. Estas dos teorías han sido ampliamente confirmadas por la experiencia, y han permitido el desarrollo de una buena parte de la tecnología contemporánea.

Pero estas dos teorías conducen a dos maneras diferentes de describir el mundo, a primera vista incompatibles. Cada una de ellas parece escrita como si la otra no existiera. Lo que un profesor de relatividad general explica en clase carece de sentido para su colega que enseña mecánica cuántica a los mismos estudiantes en la clase de al lado, y viceversa. La mecánica cuántica utiliza las antiguas nociones de tiempo y espacio refutadas por la teoría de la relatividad general. Y la relatividad general utiliza las antiguas nociones de materia y energía, refutadas por la mecánica cuántica.

No hay ninguna situación física actual en la que se apliquen simultáneamente las dos teorías. Según la escala de los fenómenos, a veces se aplica una, a veces la otra. Las situaciones físicas en las que se aplican las dos teorías, como las distancias muy pequeñas, el centro de un agujero negro o los primeros momentos de la vida del Universo, implican niveles de energía difícilmente accesibles a nuestros instrumentos.

No sabemos cómo articular esos dos grandes descubrimientos; no tenemos un marco global para pensar el mundo. Nos encontramos en una situación de gran confusión, con explicaciones parciales e incompatibles entre sí, hasta el punto de que en realidad ya no sabemos qué son el espacio, el tiempo y la materia. La física fundamental de hoy se halla en un estado lamentable.

A lo largo de la historia se han producido situaciones similares, por ejemplo antes de la acción unificadora de Newton. Para Kepler, que observaba los planetas y las estrellas, los objetos describían elipses. Para Galileo, que estudiaba los objetos cayendo al suelo, describían parábolas. Pero Copérnico entendió que la Tierra es un lugar como cualquier otro, no tiene nada de particular en el Universo. Por tanto, ¿podía haber una teoría que funcionara en la Tierra y otra que funcionara en el cielo? Newton consiguió conciliar las dos visiones en una única teoría: aplicando una misma ecuación a los planetas y a las manzanas que caen.

Esta hermosa unidad prevaleció durante tres siglos. Hasta principios del siglo XX la física fue un conjunto de leyes bastante coherente, fundamentado en unas pocas nociones clave como el tiempo, el espacio, la causalidad y la materia. A pesar de producirse evoluciones importantes, estas nociones se mantuvieron básicamente estables. A finales del siglo XIX empezaron a acumularse algunas tensiones internas y, durante el primer cuarto del siglo XX , la mecánica cuántica y la relatividad general pulverizaron estos fundamentos. La hermosa unidad newtoniana se había perdido.

Las dos teorías —mecánica cuántica y relatividad general— obtuvieron enormes éxitos y una verificación experimental constante; actualmente, forman parte de nuestros conocimientos establecidos. Cada una de las dos teorías modifica la base conceptual de la física clásica de una forma que para ella es coherente, pero no disponemos de un marco conceptual que pueda englobar ambas teorías. Por consiguiente, no tenemos medios para predecir lo que ocurre en el ámbito en que la gravedad empieza a presentar efectos cuánticos, a escalas inferiores a 10−33 cm. Esas dimensiones tan pequeñas son extremas, pero hay que poder describirlas. El mundo no puede depender de dos teorías incompatibles. En la naturaleza se producen realmente fenómenos a escalas tan pequeñas, por ejemplo cerca del Big Bang o en las proximidades de un agujero negro. Si queremos comprender esos fenómenos, hemos de ser capaces de calcular lo que ocurre a esta escala. De una forma u otra hay que conciliar ambas teorías. Esta misión es el problema central de la gravedad cuántica.

Evidentemente, es un problema difícil. Pero, con la temeridad de un joven de veinte años, en el último curso de mis estudios universitarios decidí que este era el reto al que quería consagrar mi vida. Me seducía la idea de estudiar conceptos tan fundamentales como el tiempo y el espacio, así como el hecho mismo de que la situación parecía inextricable.

En Italia casi nadie estudiaba este problema. Mis profesores me desaconsejaron vivamente que tomara ese camino: «Es un camino que no conduce a ninguna parte», «nunca encontrarás trabajo», o bien: «deberías unirte a un equipo sólido y ya establecido». Pero muchas veces lo único que consiguen los consejos de prudencia de los adultos es reforzar la despreocupada testarudez de la juventud.

Cuando era niño leía los cuentos de un escritor italiano, Gianni Rodari. Uno de ellos cuenta la historia de Giovannino y del camino que no conduce a ninguna parte. El héroe vivía en un pueblo en el que había un camino que no conducía a ninguna parte. Pero como era curioso y testarudo, y pese a lo que todo el mundo le decía, quería ir a verlo. Y fue, y por supuesto encontró un castillo y una princesa, que lo cubrió de piedras preciosas. Cuando regresó al pueblo, tan rico, todo el mundo se precipitó hacia el camino, pero nadie encontró ni rastro del tesoro. Esta historia se me había quedado grabada. Con la gravedad cuántica había encontrado un camino que, según la opinión general, no conduciría a ninguna parte. Sin embargo, en él encontré a mi princesa y muchas piedras preciosas.

Describamos el origen y la dificultad del problema de la gravedad cuántica de una forma algo más detallada, empezando por un concepto clave, el de espacio, que es el primero, históricamente, que fue puesto en tela de juicio. Después explicaré cómo la noción de tiempo sufrirá una transformación más espectacular aún.

La noción de espacio según la visión del mundo más corriente es la de un gran «contenedor» del mundo. Una especie de caja grande, regular, homogénea, sin una dirección preferente, donde se aplica la geometría de Euclides y en la que se desarrollan los acontecimientos del mundo. Todos los objetos que conocemos están formados por partículas que se desplazan en este espacio-caja. Y es en este espacio donde Newton construyó su potente teoría de la gravitación universal, que todavía hoy es la base de innumerables aplicaciones en todos los ámbitos de la tecnología y de la ingeniería.

Doscientos años después de Newton, a finales del siglo XIX , James Clerk Maxwell y Michael Faraday estudian la fuerza eléctrica entre objetos cargados, y esto los lleva a modificar esta descripción. Al espacio y a las partículas añaden un tercer ingrediente: el «campo» electromagnético, un nuevo «objeto» que tendrá una gran importancia en toda la física posterior.

El campo electromagnético es el soporte de las fuerzas eléctrica y magnética. Un campo es una especie de entidad difusa que llena todo el espacio. Faraday lo imagina como un conjunto de