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La Verdad en la Física En busca de la Verdad… …por el camino de la Física Centro Pignatelli Miércoles 23-I-2008 Luis J. BOYA Depto. de Física Teórica,

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1 La Verdad en la Física En busca de la Verdad… …por el camino de la Física Centro Pignatelli Miércoles 23-I-2008 Luis J. BOYA Depto. de Física Teórica, U. de Zgza c/o Álvaro Alemany

2 C O N T E N I D O ¿Qué es la Verdad? ¿Qué es la verdad científica? El acceso a la verdad/certeza en las Ciencias de la Naturaleza (Física en particular) El método científico Ciencia Normal y Extraordinaria (T. Kuhn) Acuerdo experimental: aproximaciones La Física Moderna y el alejamiento de la intuición vulgar La Teoría del Todo

3 ¿Qué es la Verdad (Científica) ? Aedequatio Mens in re… (?) Objetivo de la Ciencia (Natural): Aprehensión del mundo de los fenómenos en un TODO racional y coherente… Excluimos las Matemáticas: verdades lógicas, exentas de contradicción (no siempre posible: Rusell, Hilbert, Gödel…) NUNCA es definitiva la evidencia científica Probando e riprobando… VERDAD científica no es lo mismo que SENTIDO de las cosas y de los fenómenos…

4 El Método Científico Observación natural, elemental Todos los cuerpos se caen Observación provocada o experimentación: En el plano inclinado caen más despacio Enunciado de Leyes Empíricas Los cuerpos caen con igual aceleración Más evidencia experimental: se proponen y verifican nuevos experimentos Contradicción aparente: los aviones no se caen (!)

5 Confirmación / Refutación Las concordancias teoría - experimento son cuantitativas, siempre con error (%) E.g. en Física Atómica: –Ciertas líneas al 10 9 (efecto Lamb). – Las constantes (e.g. Rydberg) al En Física Nuclear, antes 10%. Hoy 1%-1% 0 G N la peor conocida: 10 3 sólo En partículas, 1% deseable, no alcanzable a veces

6 Aceptación de las Teorías Según Einstein, Dirac, etc. las teorías deben ser BELLAS … pero Parece una Profecía que se autosatisface: No conozco teorías que se deshechen por parecer feas El criterio supremo es la Falsificación (Kuhn) Pero también debe haber una consistencia interna, difícil de establecer

7 Formación de Teorías Hipótesis para justificar las leyes Hay una fuerza hacia el centro de laTierra Extensión del dominio de aplicación La Luna caería en la tierra,,, a no ser por que se mueve (fuerza centrífuga). Comprobación: movimiento de los planetas Ley de Gravitación Universal (Newton).

8 El Paradigma: Ciencia Normal El caso de la Gravitación Satélites de Júpiter Predicción de eclipses Predicción de Neptuno y de Plutón Estrellas binarias Galaxias… Pero… Anomalías: el Perihelio de Mercurio ¿Hay fuerzas no gravitatorias?

9 R E L A T I V I D A D A. Einstein, 1905: Relatividad Especial La velocidad de la luz, NO el tiempo, es lo absoluto… El tiempo depende del sistema que se mueve Dinámica: La inercia ( masa) debe aumentar en un móvil, para que la velocidad no supere a la de la luz: m=m 0 / (1-v 2 /c 2 ) Masa y energía equivalentes ( Hiroshima) E=mc 2

10 TEORÍA GENERAL DE LA GRAVITACIÓN A. Einstein, 25-XI-1915 La más bella teoría de todo la física (Landau) Descripción GEOMÉTRICA de la naturaleza: La Tierra se mueve libre alrededor del Sol… que produce una CURVATURA: resulta una elipse, como ya vio empíricamente Kepler… ¿Qué curvatura produce un Kilo de masa? G = T Mármol Madera

11 ¿Es verdad la Relatividad? El tiempo es relativo (aviación, mesón ) La masa sube con la velocidad (electrones) El perihelio de Mercurio Redshift en la compañera de Sirio (repetido en la Tierra, en Harvard, 1961) Refracción de la luz cerca del Sol Dos predicciones…

12 … para el futuro Ondas gravitacionales: se buscan… Agujeros negros (Wheeler, 1963) estelares: Cygnus X-1 (1970) galácticos: La Via Láctea tiene un agujero negro en su centro, masa millones de soles. Hay uno lejano con 18·10 9 estrellas… * Evaporación y pérdida de información*

13 Unificación I: la asignatura siempre pendiente… La frontera de Einstein: 40 años sin éxito… La fuerza eléctrica NO es gravitatoria… ¿Puede extenderse la Teoría General de la Gravitación para incorporar la electricidad? Los primeros intentos Einstein, Weyl, 1919 Kaluza, Klein, 1924 fracasan miserablemente. ¿ Demasiado pronto?

14 C O S M O L O G Í A Einstein, 1917: Universo estático, siguiendo el espíritu de la época: el firmamento… Constante cosmológica (repulsión) Universo en expansión: no hace falta El mayor error de mi vida (A. E., 1931) Hay un origen temporal del Universo (Eddington, Lemaitre, Robertson) Una rama de la Ciencia muy activa hoy día Una nueva idea en Cosmología: el poder morfogenético del azar… (eg el sistema solar)

15 Interludio: el Microcosmos El átomo nuclear: Rutherford, Bohr 1911/13 Espectros: no vale la teoría clásica: 1) Niveles discretos, no continuos… 2) El electrón en órbita estable NO radia… Nace la MECÁNICA CUÁNTICA

16 El modelo atómico JJ Balmer, formula empírica del espectro H (1885), cuatro lineas en el visible. 1% prec. N Bohr, 1913, cuatro series, cientos de líneas, precisión 0.1 % A. Somerfeld, 1915/16: corrección relativista, precisión 1:10 6 (millón) E. Schródinger, W. Pauli, P. Dirac: confirmación con la nueva Mecánica Cuántica. Incluye el Spin E. Fermi, 1930: estructura hiperfina (núcleo) W. Lamb, 1947: efecto Lamb, efectos Q.E.D. T. Hänsch, Döppler-free: precisión 1:10 9 (1970)

17 MECÁNICA CUANTICA W. Heisenberg, 1925 (Schrödinger, Dirac) R. Feynman, 1941 (integral de camino) Más paradójica que la Relatividad… Mejor comprobada experimentalmente: NINGÚN experimento actual la contradice NO ACEPTADA por Einstein, ni por muchos otros (de Broglie, Schrödinger…)

18 Aspectos de la Teoría Cuántica Hay una constante, h (constante de Plank) que limita nuestra intuibilidad en el mundo microscópico. NO tiene una buena interpretación en la forma convencional… Pero SÍ en la teoría de Feynman: P 1->2 = D exp (i/h) L [ ]dx

19 La medida perturba el fenómeno … y produce una INCERTIDUMBRE inevitable, cuantificable:p. de incertidumbre ¿Inteligible? Sí: medir átomos con átomos La media es, pues, incierta y estadística: NO hay repetibilidad automática de los fenómenos NO hay causalidad estricta…

20 Mediciones Cuánticas Un kilo de Radium pasa a medio kilo (por desintegración) en tiempo preciso, pero… Un átomo de Radium suelto NO ES PREDICTIBLE cuando se desintegra… Moral: atomismo y simetría esférica FUERZAN a la impredctibilidad… Repetibilidad instantánea, posible: la medida canaliza el sistema al resultado de la medida… La paradoja de Zenón…¿Hierve el café si se mira ?

21 Relajación del Realismo ¿ Hay un mundo exterior objetivo, independiente de nosotros, y nuestra función es describirlo? NO es posible sin perturbarlo, y por ello LA TEORÍA DEBE CONSTRUIRSE PARA QUE NO SUPONGA UNA REALIDAD EXTERIOR INTOCABLE

22 El único misterio… de la Mecánica Cuántica, dice Feynman, es el experimento de las dos rendijas: Si NO observo por qué rendija pasa el fotón, tengo una imagen, si sé por cual, tengo otra… Literalmente ni Dios sabe porqué rendija pasa La descripción debe ser: emisión y detección observables, pero propagación no: LA TEORÍA DEBE FORMULARSE PARA QUE NO SURJA LA PREGUNTA DE POR DONDE...

23 Para resumir… El progreso científico lleva cada vez más al apartamiento de la intuición vulgar La causalidad estricta, la existencia objetiva del mundo, NO se verifican/comprueban en las teorías cuánticas Domina, pues, el positivismo (de moda cuando nació, ), pero… Hay un Cuerpo de Doctrina, no sólo una agregación de postulados insípidos e independientes… TODAS las comprobaciones experiementales hasta la fecha han dado la razón a la T. cuántica

24 Unificación II La Relatividad Especial y la Teoría Cuántica son teorías formales, es decir, presupuesto de las teorías dinámicas, específicas de determinados fenómenos… La Relatividad General, el electromagnetismo son teorías materiales, es decir, se constituyen para explicar ciertas fuerzas concretas…

25 ¿ Qué fuerzas hay ? Creemos que sólo cuatro: –Gravitación –Electricidad –Fuerza Fuerte (núcleos atómicos) –Fuerza Débil: neutrón. -> electrón +protón +neutrino (11 min.) ¿ Las entendemos? A medias…

26 Propiedades de las fuerzas Todas, las cuatro, de naturaleza geométrica, descritas por un mecanismo tipo gauge Salvo la gravitación, renormalizables, es decir, se puede en principio hacer cálculos en grados superiores de aproximación Eléctricas y débiles unificadas, como dijimos. Las demás, de momento NO

27 Descripción de las otras fuerzas Fuerzas electrodébiles: Portadores: fotón, W±, Z Requiere: el bosón de Higgs, por encontrar Fuerza fuerte: Portadores: ocho gluones Requiere: quarks, dos por familias: up/down, charm/strange, top/bottom

28 Status de la Teoría de Partículas Falta el bosón de Higgs (¿2010 en LHC?) Las fuerzas fuertes (QCD) confinan; pero el confinamiento NO se explica del todo… Los neutrinos tienen masa. ¿ Porqué? No se entiende la (pequeña) violación CP En general, no se entiende el espectro de masas…

29 Cuerdas y p-Branas Un nuevo paradigma, hacia 1984: los objetos fundamentales no son partículas puntuales, sino objetos extensos, o p-Branas p=0 partículas, p=1 cuerdas, p=2 membranas, etc. Las excitaciones de esos objetos extensos producen las partículas que vemos La teoría está muy constreñida:

30 Supercuerdas Vive sólo en 10 dimensiones … que pasan a cuatro visibles y 6 invisibles Todas las partículas tienen pareja supersimétrica: – electrón (s=1/2) -selectrón s=0) – fotón (s=1), - fotino (s = 1/2), etc La Gravitación aparece automáticamente

31 Teoría del Todo Si se cree que la teoría es única… Debería explicar todo: T O E (la idea nace hacia 1984). En 1995 E. Witten demuestra que todas (ie, las cinco) teorías de cuerdas son partes de una misma Teoría M, que ahora vive en 11 dimensiones, e incluye Supergravedad

32 La Teoría del Todo, 2008 Ha perdido mucha fuerza No ha explicado nada de los misterios: Porqué hay tres generaciones Porqué hay tantas escalas de masas Porqué la simetría CP, entre otras, no se conserva siempre… Voces críticas: Smolin, Voigt (Non even wrong)

33 Resumen La física actual explica casi todo el microcosmos y presenta modelos muy fiables del Universo en su totalidad Conceptualmente tiene puntos discutibles La unificación de fuerzas parece aun lejana No se ha avanzado mucho en poder predictivo desde 1976, el Modelo Standard Ahora hay un impasse, con énfasis en las aplicaciones.. que es síntoma de decadencia… El siglo XXI será de la Biología, no de la Física

34 ¿ Y el Problema de la Verdad? Estamos aun tan lejos de la Verdad final… Pero no hay que perder la esperanza: – La Verdad os hará libres (Cristo) – Gracias por la atención


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