La 'teoria del tot' no ho explicarà tot

De què serveixen les lleis de la física si no podem resoldre les equacions que les descriuen?

Aquesta és la pregunta que se’m va acudir mentre llegia un article publicat a The Guardian per Andrew Pontzen, un cosmòleg del University College de Londres que es passa el dia fent simulacions per ordinador de forats negres, estrelles, galàxies i el naixement i creixement de l’univers. A l’article hi afirma que ell i tots nosaltres estem abocats al fracàs.

Segons diu Pontzen: “Encara que ens plantegem la possibilitat que la humanitat acabi descobrint una teoria de tot que abasti totes les partícules i forces, és probable que el valor explicatiu d’aquesta teoria per al conjunt de l’univers sigui escàs”.

Per molt que ens pensem que coneixem les lleis bàsiques de la física i la llista de partícules elementals –cada vegada més llarga–, a l’univers no hi ha prou potència de càlcul per fer-ne un seguiment exhaustiu. I no en sabrem mai prou per predir amb fiabilitat què passa quan totes aquestes partícules xoquen o mantenen algun altre tipus d’interacció. Per exemple, una coma decimal afegida al càlcul de la ubicació o de la velocitat d’una partícula pot reverberar en tota la història i canviar-ne el resultat milers de milions d’anys més tard mitjançant l’anomenat efecte papallona de la teoria del caos.

Ordre i precisió

Com ens diu Pontzen, fixem-nos en una cosa tan senzilla com, posem per cas, l’òrbita de la Terra al voltant del Sol. Si només depengués d’ell mateix, el nostre món –o el seu fòssil esquerdat– sempre faria la mateixa òrbita. Però, al llarg del temps còsmic, les empentes gravitatòries d’altres planetes del sistema solar poden canviar-ne la trajectòria. Segons quina sigui la precisió amb què descriguem aquestes empentes i els objectes que les pateixin, els càlculs gravitatoris poden donar lloc a unes prediccions d’allò més divergents sobre on seran la Terra i els seus germans d’aquí a centenars de milions d’anys.

En conseqüència, a la pràctica no podem predir ni el futur ni el passat. Els cosmòlegs com Pontzen poden cobrir-se les espatlles ampliant la perspectiva i centrant-se en el panorama general: grans aglomeracions de materials com ara núvols de gas o sistemes amb un comportament col·lectiu previsible i independent de les variacions dels seus components. Podem bullir pasta sense estar pendents de totes les molècules de l’aigua.

Però correm el risc d’imaginar-nos més ordre del que hi ha en realitat. Com ens proposa Pontzen, fixem-nos en un formiguer. Els moviments d’una formiga qualsevol fan l’efecte de ser aleatoris. Però si ens fixem en el conjunt, el formiguer sembla bullir amb organització i determinació. Com escriu Pontzen, és temptador veure-hi una consciència col·lectiva en acció, però “només són unes formigues solitàries” que segueixen unes regles senzilles. “La complexitat ve del gran nombre de formigues que segueixen aquestes regles”, assenyala, citant el físic de Princeton Philip W. Anderson: “More is different” (Més és diferent).

Un model que s’ensorra

La cosmologia ha elaborat una explicació plausible de la història de l’univers a partir de senzilles conjectures sobre coses de les quals no tenim ni idea –la matèria fosca i l’energia fosca– però que constitueixen el 95% de l’univers. Suposadament, aquest costat fosc de l’univers interactua amb el 5% del que coneixem –els àtoms– només per mitjà de la gravetat. Després del Big Bang es van formar, segons diuen, cúmuls de matèria fosca que van atreure matèria atòmica, la qual es va condensar formant uns núvols que es van escalfar i convertir en estrelles i galàxies. A mesura que l’univers s’anava expandint, també l’energia fosca que l’impregnava s’expandia i va començar a separar les galàxies cada vegada més i més de pressa.

Però aquest relat s’ensorra molt aviat, durant els primers centenars de milions d’anys, quan les estrelles, les galàxies i els forats negres es van formar en un procés desordenat i poc conegut que els investigadors anomenen gastrofísica.

La seva mecànica és extraordinàriament difícil de predir perquè hi intervenen camps magnètics, les característiques i composició de les primeres estrelles i altres efectes desconeguts. Com afirma Pontzen en un correu electrònic: “Evidentment, en aquests moments això no ho pot fer ningú a partir només d’unes lleis físiques fiables, amb independència de la quantitat de potència de càlcul de què disposem”.

Noves dades

Les dades recents del telescopi espacial James Webb han descobert a l’univers unes galàxies i forats negres que semblen massa grans i antics perquè els pugui explicar el model estàndard de la cosmologia, cosa que aparentment agreuja el problema. ¿És, però, motiu suficient per demanar als cosmòlegs que comencin de zero?

Pontzen no està convençut que hagi arribat el moment que els cosmòlegs abandonin el seu model de l’univers, que els ha costat tants esforços. La història còsmica és massa complexa per simular-la en detall. Assenyala que el nostre Sol ja conté 10 elevat a 57 àtoms, i hi ha bilions i bilions d’estrelles semblants.

Fa mig segle que els astrònoms van descobrir que l’univers, amb les seves estrelles i galàxies, estava ple de radiació d’unes microones procedents del Big Bang. El mapatge d’aquesta radiació els ha permès crear una primera imatge del cosmos, tal com era només 380.000 anys després que comencés el temps.

En principi, tota la història podria estar continguda dintre dels subtils rínxols i volutes de l’energia primordial. A la pràctica, és impossible interpretar prou bé el pas del temps en aquestes microones i detectar-hi l’apogeu i decadència dels dinosaures, l’aurora de l’era atòmica o l’aparició d’un signe d’interrogació al cel milers de milions d’anys després. Gairebé 14.000 milions d’anys d’incertesa quàntica, accidents i deixalles còsmiques s’interposen entre aquella època i l’actual.

Els físics han identificat a l’últim recompte uns 17 tipus de partícules elementals que constitueixen l’univers físic i que interaccionen entre si com a mínim de quatre maneres: mitjançant la gravetat, l’electromagnetisme i les anomenades forces nuclears fortes i dèbils.

L’aposta còsmica de la ciència occidental és demostrar que amb aquestes quatre forces –i potser d’altres encara pendents de descobrir–, que actuen en un gran conjunt d’àtoms i els seus components, n’hi ha prou per explicar les estrelles, els arcs de Sant Martí, les flors, a nosaltres mateixos i, en definitiva, l’existència de l’univers en el seu conjunt. Tenim, doncs, al davant tota una muntanya intel·lectual i filosòfica.

Galàxies animals

Com diu Pontzen, el fet és que, tot i la nostra fe en el materialisme, potser mai sabrem si ho hem aconseguit: “Els nostres orígens estan escrits al cel i tot just estem aprenent a llegir-los”.

En el seu últim llibre, The universe in a box: simulations and the quest to code the cosmos, Pontzen cita el jurament proposat per Emanuel Derman, un físic de partícules que es va convertir en analista quantitatiu de Goldman Sachs i ara és professor a Colúmbia: “Als que utilitzin els meus models no els donaré falses garanties sobre la seva precisió. A tots els que els facin servir els explicitaré les conjectures i omissions”.

Pontzen afirma al seu correu electrònic: “Crec que de vegades també és una bona màxima per a la física, sobretot en àmbits tan complexos com les simulacions cosmològiques”.

De moment, afegeix, ens podem consolar amb la idea que l’univers està dintre de la llei: “En última instància, les galàxies s’assemblen més als animals que no a les màquines: són més o menys comprensibles i gratificants d’estudiar, però només en part previsibles. Acceptar això exigeix un canvi de perspectiva, però enriqueix la nostra visió de l’univers”.