Vivimos en un universo vasto. Las distancias que nos separan de las estrellas más cercanas son inconcebibles en comparación a las distancias propias de la vida humana. Tanto, que nos inventamos una nueva unidad de medida para referirnos a ellas, el año luz, en base a la máxima velocidad posible en el universo. Por si eso no fuera poco, las galaxias más cercanas, algunas de las cuales pueden verse con telescopios modestos, están millones de veces más lejos que esas estrellas que estaban inconcebiblemente lejos. Además, el universo tiene una edad inabarcable. Los seres humanos podemos entender fácilmente escalas de siglos o milenios, podemos imaginarnos que en una u otra época podrían haber vivido nuestros abuelos o nuestros tatarabuelos a la décima potencia. Pero cuando hablamos de millones de años, de antes de que existiera siquiera el género Homo, empezamos a perdernos.

En todo ese tiempo y ese espacio, ¿cómo podemos asegurar que las leyes de la naturaleza no han ido cambiando? ¿Cómo podemos asegurar que la masa del electrón, la intensidad de la gravedad o la velocidad de la luz no han variado a lo largo de la historia del universo? No lo podemos asegurar con absoluta certeza, por las propias limitaciones de la ciencia, pero tenemos indicios de que así debe ser.

La galaxia NGC1300 está a unos 69 millones de años luz de distancia, ¿son las leyes de la naturaleza iguales allí? Foto: NASA, ESA, HST

Un aspecto a tener en cuenta en esta discusión es el concepto de las «constantes corrientes» (o running constants en inglés) en la teoría cuántica de campos. La constante de estructura fina, α, es en esencia la cantidad que dicta la intensidad de la interacción electromagnética. El valor de α nos dice cuánto se repelen dos electrones, las energías posibles en los orbitales de un átomo o cuán intenso es un campo magnético. A pesar de que llamemos a α “constante de estructura fina”, su valor varía proporcionalmente con la energía utilizada para medirla. Es decir, en función de la energía que maneje nuestro experimento, esta “constante” parece cambiar de valor. Eso significa también que en los inicios del universo, cuando todo lo que había era una sopa densa y caliente de partículas, esta “constante” tenía un valor diferente al que perciben dos electrones en un átomo de carbono sobre la superficie de la Tierra. Esto sugiere que algunas constantes han «evolucionado» a medida que el universo se ha expandido y enfriado. Sin embargo, estas no son constantes en el sentido estricto, sino más bien parámetros.

Esto inevitablemente nos lleva a la pregunta de si las leyes de la física han permanecido invariables a lo largo de la vida del universo y si los descubrimientos sobre constantes que no son tan constantes han afectado la forma de las ecuaciones utilizadas en física. Una posible forma de comprobarlo sería mediante observaciones astronómicas. Cuanto más lejos miramos vemos los objetos como eran en el pasado, por la velocidad finita de la luz. Somos capaces de observar la Fondo Cósmico de Microondas, que se emitió apenas unos 400 000 años después del Big Bang y somos capaces de observar galaxias muy jóvenes, formadas hace más de 12 000 millones de años. Tal vez en ellos encontremos alguna pista sobre este misterio.

Otra forma de plantearse esta cuestión es redefiniendo qué queremos decir exactamente con “leyes de la naturaleza”. En ciencia, si se descubre que una ley no funciona del todo bien, la búsqueda se orienta hacia una ley más profunda que englobe la original, que sea más general. Un ejemplo es la Ley de Coulomb y, más generalmente, las leyes del electromagnetismo clásico. Estas leyes eran solo casos especiales de leyes más generales, válidas bajo ciertas circunstancias. Sabemos que estas leyes no funcionan en el interior de una estrella de neutrones, o cuando queremos comprender en detalle el funcionamiento de los orbitales atómicos, pero eso no significa que las “leyes de la naturaleza” hayan cambiado, solo nuestra comprensión de ellas.

Otro ejemplo interesante son las teorías del universo temprano que implican estados de «falso vacío». Los cambios en el estado del universo, como pasar de un falso vacío a un vacío verdadero, podrían percibirse como cambios completos en las leyes de la física. Sin embargo, estos se consideran cambios en las circunstancias bajo las cuales aplicamos las leyes, no cambios en las leyes mismas. Para abordar si las leyes fundamentales cambian con el tiempo, es crucial distinguir entre cuestiones de física real y cuestiones meramente semánticas. El cambio entre el vacío “falso” y el real es una cuestión física interesante, pero si lo describimos como un cambio en las leyes de la física es más una cuestión de semántica.

La navaja de Ockham nos lleva a aceptar la teoría más simple que concuerde con nuestras observaciones. No hay evidencia que sugiera que las relaciones espacio-temporales varíen drásticamente, o que otras galaxias estén gobernadas por leyes fundamentalmente diferentes. La simetría y la uniformidad observadas alrededor de la Tierra y en el universo observable nos llevan a creer que las mismas leyes son aplicables en todas las escalas, hasta que tengamos razones para pensar lo contrario. Aunque las leyes sean las mismas, fenómenos físicos diferentes pueden ocurrir en otras galaxias debido a condiciones iniciales distintas.

Además, el teorema de Noether establece que si hay una simetría en un sistema, también hay una cantidad conservada, y viceversa. Este teorema refuerza la idea de que las leyes de la física son consistentes en todo el universo, ya que la conservación de cantidades como el momento angular, la energía y el momento lineal son testimonio de simetrías fundamentales en el universo.

Referencias:

  • Jones, H. F. (2020). Groups, representations and physics. CRC Press. ISBN: 9780367805791


  • Mouchet, A. (2013). «Reflections on the four facets of symmetry: how physics exemplifies rational thinking». European Physical Journal H. 38 (5): doi:10.1140/epjh/e2013-40018-4
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