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¿Puede el bosón de Higgs salvarnos de la amenaza de los cerebros de Boltzmann?

Área: Física — sábado, 7 de septiembre de 2013

Un campo de Higgs metaestable destruiría el Universo, pero a la vez nos salvaría con ello de la presencia de cerebros de Boltzmann.

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Los físicos teóricos son gente un poco especial y, a veces, el objeto de sus estudios puede estar desligado del mundo cotidiano, tanto en el espacio como en el tiempo. La comprobación experimental de sus teorías es muchas veces muy complicada, por no decir imposible. Esto hace que la falsabilidad de las mismas tenga sus dificultades.
Conceptos como “la verdad” platónica en Física Teórica son inalcanzable en la mayoría de los casos. Nos tenemos que conformar con “una verdad provisional” que se nos ofrece en un momento dado sabiendo que será sustituida por otra en el futuro si sigue habiendo humanos que hagan ciencia. En realidad no se sabe si las teorías y leyes físicas se inventan o se descubren.
Cuando ya creíamos que el destino del Universo era una pacífica y suave expansión por los siglos de los siglos, vienen unas observaciones a sacarnos del error y que nos dicen que hay algo a lo que hemos llamado energía oscura que acelera dicha expansión. Esto fue descubierto a mediados de los años noventa del pasado siglo y aún se desconoce si naturaleza.
El caso es que la energía oscura hará que el universo se expanda cada vez más rápido hasta que las galaxias desparezcan del horizonte observacional a mayor velocidad que la luz. Lo que para “nuestros descendientes” quede de lo que ahora vemos será un universo isla denominado Lactómeda (producto da la fusión de nuestra galaxia con la galaxia de Andrómeda) en un universo de De Sitter. Un universo de De Sitter es una de las soluciones clásicas de la Relatividad General que está dominado por la energía del vacío. Veremos más adelante que esto tiene ciertas implicaciones interesantes.
Por otro lado Boltzmann propuso en su día que, debido a las propiedades de las fluctuaciones termodinámicas, puede aparecer cualquier cosa si se espera tiempo suficiente. Incluso podrían aparecer de forma espontánea sistemas cerebrales autoconscientes que no necesiten de un cuerpo para pensar. Obviamente, al igual que el gato de Shrödinger, se trataba de señalar una situación paradójica en la que la asunción de ciertas premisas lleva a una situación absurda.
Puede parecer una tontería, pero Boltzmann propuso que nuestro particular mundo bajo en entropía y nosotros mismos pueden ser considerados fluctuaciones en el seno de un universo con mayor entropía. Para un universo lo suficientemente grande es inevitable que haya una multitud de cerebros de Boltzmann flotando por ahí.
Obviamente el origen de la organización que nos rodea se debe a los mecanismos evolutivos de la selección natural, que no se basan en una única fluctuación estadística, sino en multitud de ellas que son filtradas de un modo eficaz hasta logran crear un cerebro humano.
Pero esta idea de Boltzmann fue resucitada hace una década cuando los físicos se dieron cuenta de que el modelo de Universo aceptado ahora, producto de la expansión acelerada, tiende a crear cerebros de Boltzmann, pues proporciona espacio y tiempo ilimitados para ello. En una fase de De Sitter eterna se dará una temperatura finita en el espacio vacío con sus correspondientes fluctuaciones térmicas que puedan dar lugar a estos cerebros incorpóreos, incluso con memoria de un pasado. Bueno, de hecho podría aparecer cualquier cosa: una copia de la Mona Lisa, la enciclopedia británica, una copia del David de Miguel Ángel, copias del lector de este artículo, etc. Incluso podría aparecer cosas muy repugnantes: empresaurios españoles, políticos corruptos, sobres con dinero, la ciudad de Madrid organizando los JJOO, etc. Aparecería cualquier cosa compatible con las leyes físicas, compatibles o no con las leyes éticas.
Podemos pensar que en un universo en expansión acelerada esto no puede darse porque este está cada vez más diluido y no queda materia que pueda reorganizarse al azar en cualquier cosa. Pero no hace falta que quede materia ordinaria. En un universo de este tipo se crea un horizonte cosmológico similar al horizonte de sucesos de un agujero negro que tendría una radiación Hawking asociada que proporcionaría una temperatura finita. Es decir, un universo en expansión acelerada se comporta como un recinto relleno de gas y si esperamos el suficiente tiempo aparecerán los cerebritos mencionados a partir de átomos que consideraríamos normales. La mayor parte de ese universo estaría en un estado de equilibrio de alta entropía, pero localmente podrían aparecer cosas como copias de gente con memoria de su pasado y con una buena idea de cómo es el mundo exterior, pero estarían equivocados. Una de esas copias podría ser de usted, amigo lector.
Estas entidades autoconscientes aparecerían espontáneamente en el vacío gracias a las fluctuaciones y, según los cálculos sería algo inevitable. Incluso al final el número de estas entidades sería superior al número de cerebros (con cuerpo) tradicionales, lo que ya no haría de nosotros observadores típicos del Universo.
El problema serio de este escenario es que es cognitivamente inestable, pues como uno de esos observadores futuros no puedes simultáneamente creer que algo es verdad, pues tienes buenas razones para creer que es verdad, porque predice que todas esas razones que puedas creer que son tan buenas simplemente han aparecido en tu cabeza como fluctuaciones al azar.
Ese universo tan extraño parece inaceptable para los físicos y, por eso, algunos de ellos estudian mecanismos que puedan evitarlo. La manera más fácil y sencilla es que el Universo desaparezca antes de que empiecen a materializarse estos cerebros por aquí y por allá.
Una manera de acabar con el Universo antes de que aparezcan cerebros de Boltzmann ha sido propuesta recientemente por Sean Carroll (California Institute of Technology) y sus colaboradores. Según los físicos implicados la masa encontrada para el bosón de Higgs podría indicar que su campo asociado serían metaestables y este que puede caer a un estado de menor energía al cabo de un tiempo. La transición se daría por efecto túnel con cierta probabilidad asociada que viene dada por la Mecánica Cuántica.
Eso significa que, después de un tiempo, este mecanismo de transición permitiría la aparición de una burbuja con leyes físicas distintas que crecería hasta destruir el Universo al completo. De este modo se evitaría la paradoja de los cerebros. Pero para que ello se dé es necesario que la burbuja crezca a una velocidad mayor que la propia expansión del Universo, algo para lo que incluso la velocidad de la luz puede ser insuficiente. Si esta velocidad no es suficiente entonces quedaría lugar (espacio en expansión) para la aparición de cerebros de Boltzmann.
Los cálculos de estos físicos están basados tanto en la masa del Higgs (125 GeV) como en la del quark top (178 GeV) y el resultado depende de la precisión con la que se midan ambas masas. La precisión actual no permite aún asegurar que el campo de Higgs termine con el Universo antes de que aparezcan los cerebros de Boltzmann. Pero, si es así, en otros 10.000 millones de años el Universo tal y como lo conocemos podría desaparecer, eliminando con ello, en una suerte de censura cósmica, la posibilidad de aparición de los famosos cerebros.
El estudio puede parecer un chiste, pero está basado en la Física conocida que damos por buena en muchos otros escenarios.
El LHC funcionará en 2015 a una mayor energía de la que ha venido usando hasta ahora y permitirá, entre otras cosas, saber mejor la masa del quark top. También se está pensando en la construcción del Colisionador Lineal Internacional, acelerador que haría colisionar electrones contra positrones. Este acelerador estaría concebido como una factoría de Higgs y permitiría medir las propiedades de esta partícula con mucha precisión. De momento hay dos proyectos compitiendo para su construcción que alcanzarían energías máximas muy distintas.
Los datos obtenidos permitirán saber algo más sobre la estabilidad del Higgs, sobre la posible transición de su vacío a un estado de menor energía y la posible percolación rápida de una burbuja de este nuevo estado hacia el resto del Universo.
Tampoco nunca estaremos seguros del pasado de la realidad existente y si algún día la podremos conocer si eso es posible. Puede que no seamos más que análogos cerebros de Boltzmann producto de otro universo previo. O puede que el Universo haya pasado por diversas estados de vacío del campo de Higgs en diversas transiciones y nos toca vivir esta de ahora.
El caso es que quizás lo más importante para un físico teórico es divertirse con su trabajo. Si no fuera por eso la Física no avanzaría.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4183

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Blog de Sean Carroll.
Otro artículo sobre la metaestabilidad del vacío.
Ilustración: fotograma de la serie Futurama.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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14 Comentarios

  1. jesús zamora:

    Lo de los cerebros de Boltzmann es autocontradictorio: si fuera verdad que fuese infinitamente más probable que seamos uno de esos cerebros que los seres que creemos ser, no habría ninguna razón para pensar que las teorías físicas en las que se basa la posibilidad de que seamos un cerebro de Boltzmann sean correctas (pues nuestro supuesto conocimiento del universo carecería de base racional).

  2. Dr. Thriller:

    La basura cultural es que tiene una persistencia… digna de investigación xD.

    En el pasado, hemos construido nuestros mitos de la creación (recurrentes) una y otra vez. Una y otra vez han sido falsos, tal y como apunta el artículo, dado que se basaban en un conocimiento incompleto (y por ello, erróneo) de la realidad. Y hablo naturalmente de mitos basados en el conocimiento científico, y les llamo mitos porque creo que es lo que son, a pesar de haber sido presentados en su momento como evidencias de la ciencia. No hay ningún motivo para pensar que no estamos exactamente en el mismo escenario, cometiendo exactamente el mismo error de siempre, con la misma soberbia habitual.

    Y yo he llegado a la conclusión de que esto, es acientífico. Sí, sí, ya sé que encaja todo (en mi opinión, no, no encaja nada), pero es que el flogisto encajaba de putísima madre -totalmente en serio: era una hipótesis científica que respondía a los conocimientos y las observaciones-, y lo del éter lo dejamos correr.

  3. Pocosé:

    Estimado Dr. Triller
    A día de hoy creo que en ciencia podemos fácilmente discernir entre teorías, hipótesis y especulaciones.
    Teniendo estas especulaciones una gran amplitud, desde la cuasihipótesis, al mero divertimento matemático-teórico. Entiendo que el problema esta en situar el limite entre hipótesis y especulación. No me parece un problema que nos deba quitar el sueño. Ahora bien discutir sobre ese limite allí donde no esté claro, sanísimo, al menos así lo entiendo yo.
    Saludos

  4. NeoFronteras:

    La Física teórica está en la frontera de la ciencia. Muchas de sus propuestas no pueden comprobarse experimentalmente y por eso proliferan. Esto es una riqueza intelectual, pero la inmensa mayoría, o casi todas, no tienen posibilidades de éxito.
    Este tipo de ideas o conceptos (como el de los cerebros incorpóreos estos) son herramientas teóricas que permiten avanzar a la disciplina o analizar mejor una teoría o un conjunto de ellas. Son métodos para comprobar la autoconsistencia de nuestras teorías. No son ni pretenden ser “la verdad”. A veces incluso se usan figuras divertidas como gatos y cerebros para hacer más agradable la discusión.
    Entre la comunidad científica hay muchas opiniones y estas son muy variadas. El problema es cuando el común de los mortales lee este tipo de cosas y las asume como “la verdad” (sí, un punto de vista un tanto platónista). Otro problema es ver la ciencia siempre como algo ontológico, cuando la mayoría de las veces es gnoseológico.
    La realidad es que no tenemos ni idea de cómo puede ser el futuro del Universo. La energía oscura cambió todos los esquemas que teníamos sobre él y cualquier otro nuevo descubrimiento puede hacer lo mismo otra vez, probablemente un número ilimitado de veces. No deja de ser chistoso que en los últimos 15 años hemos cambiado nuestras predicciones sobre el Universo para los próximos 50.000 millones de años.

  5. Dr. Thriller:

    Poco, lo dice Neo mucho más claro que yo. Las teorías cosmológicas son muy difíciles de falsar, porque la escala nos supera. No podemos tratar cosas de las que obviamente ignoramos mucho pensando que lo que sabemos basta y sobra, cuando ni siquiera podemos estar seguros de lo que sabemos.

    Vamos a ver, realmente no hay nada de malo en ello (todo lo contrario). El problema es la *actitud* que tomamos al respecto. No creo que deba tratarse de la misma manera una verdad científica consolidada que difícilmente puede cambiar (si es que llega a hacerlo), que hipótesis que hablan más de nuestra ignorancia (y la forma cómo la rellenamos) que de la realidad. Es un problema sociológico, porque aplicamos mal el método, perdemos así la “garantía”, y luego protestamos. No es problema del método, es que nosotros decidimos cuándo lo suspendemos y cuándo no. Insisto: no tiene a priori nada de malo (ni de bueno, me refiero a suspender las garantías ahora), mientras no perdamos la perspectiva de dónde estamos en todo momento.

    Si mañana resulta que el Big Bang es todo una cagada, la mayoría de la comunidad científica lo acogerá más con maravilla que con otra cosa. Pero el papel de la ciencia en nuestra sociedad está muy deturpado, y el conocimiento general de esta muy enturbiado, por múltiples motivos. A mí me preocupa el papel social de la ciencia, porque si la ciencia helenística se fue al guano fue, entre otras cosas, porque la sociedad no sabía encajarla adecuadamente (sí, estoy siendo poco riguroso, pero no tengo otro ejemplo popular más a mano, aunque los hay, en este país y recientes sin ir más lejos).

    Es muy difícil hacer entender a la gente que cosas como el LHC son de lo más importante que ha hecho la Humanidad en los últimos 100 años (es que de todo el repertorio de lo que hace la susodicha, la verdad, queda el listón a la altura de la película de suciedad del piso, por ser justo), que aunque nuestra interpretación o entendimiento de lo que tenemos sea errónea (incluso risiblemente errónea), esos datos y esas pruebas son invalorables, no tienen precio, y acabarán retornando mil por uno, aunque ninguno de nosotros lleguemos a verlo. Ese es otro problema, que no pensamos en los que vienen detrás, hemos perdido también esa perspectiva.

    Tienes toda la razón cuando dices que no es un problema de la ciencia en sí (quitando las naturales relaciones de las personas entre ellas, xD), pero la ciencia es una actividad incluso plenamente cultural, y no puede existir aislada de la sociedad que la genera.

  6. lluís:

    Boltzmann y la evolución de su famosa función H nos dice varias cosas. Afirma que si se parte de un valor muy alto de esa función, debe haber una muy alta probabilidad de que el sistema(digamos el Universo) evoluciones hacia estados con un valor menor de la función H, hasta que se llegue a un valor de equilibrio, durante intervalos enormes de tiempo, hasta que apareciera una flutuación aleatoria de gran tamaño ( y por tanto muy poco probable),pero que podría llevar de nuevo al sistema,a un valor muy alto de la función H o sea muy alejado del estado de quilibrio.De nuevo el sistema tendería al equilibrio en un intervalo de tiempo larguísimo (a la vista de esta función desde luego parecería que como dice este interesante artículo hay espacio y tiempo suficiente para que aparezcan los dichos cerebritos).
    La curva de la función H (una especie de campana picuda)muestra también que la distinción entre “pasado” y futuro” se hace,además muy borrosa (igual ya estuvieron por aquí esos cerebritos de Boltzamann),puesto que la curva presenta el mismo aspecto tanto si se la recorre de izquierda a derecha como de derecha a izquierda,por tanto no habría distinción ente “remontarse al pasado” o “avanzar hacia el futuro,puesto que se llegaría a un estado de equilibrio y de uniformidad absoluta, con lo cual no hay manera de disstinguir entre pasado y futuro. Boltzmman argumentó sobre la posiblidad de que en diferentes regiones del Universo, y en distintos momentos pudieran darse fluctuaciones que alejaran esas regiones del equilibrio y que mientras en un nuestra región de universo la entropía estuviera aumentando, en otras regiones de universo la entropía estaría disminuyendo,por tanto en esas regiones donde la dismunución de la entropía se diera resultaría que el tiempo fluiría en dirección inversa a la nuestra. Pensando en todo esto, no parece tan “chiste” la idea de los “cerebros de Boltzmann.( Inlcuso podrían haber existido ya,al menos teóricamente).
    Aunque, con los pies en el suelo, ¿Alguien sabe como casar la entropía con la expansión del universo?.¿Como afecta la curvatura del espacio a la variación de la entropía?.

  7. Chapu:

    Mi opinión como aficionado pero lego en la materia:

    No deja de sorprenderme que en estos divertimentos teóricos (e incluso en discusiones más serias), las materias que se abordan sean tan maleables y se puedan manipular tanto: “Ese universo tan extraño parece inaceptable para los físicos y, por eso, algunos de ellos estudian mecanismos que puedan evitarlo.” Como si el destino de todo un universo se pudiera evitar estudiando otra salida teórica. Es una forma de trabajar que a primera vista es anticientífica. Se supone que uno observa el universo, se elabora una hipótesis de cómo puede funcionar esto o lo otro, esas hipótesis se someten a experimentación y después obtenemos una refutación o no, además de unas conclusiones. En física teórica parece que se trabaja justo al revés.

    Por cierto, Leonard Susskind, con su hipótesis del “paisaje cósmico” también postula que TODO puede suceder, incluso millones de copias de cada uno de nosotros. Francamente, me parece una multiplicación de entidades pasmosa.

  8. tomás:

    Amigo Pocosé: El principio de tu 3 es lo mejor que he leído de este artículo y sus comentarios. Pero le falta una división: son, como dices “teorías, hipótesis y especulaciones”. Has olvidado “tonterías” que, como dice Neo, son “…figuras divertidas como gatos y cerebros para hacer más agradable la discusión”.
    Abrazos con risa floja.

  9. Miguel Ángel:

    Totalmente de acuerdo con ese escepticismo que destilan vuestros comentarios. Es una actitud cautelosa que me parece saludable y acorde al espíritu científico, aunque ya sabemos que para que avance la Ciencia también se necesita algo de imaginación.

    También me parece oportuna la matización que ha hecho Neo al decir que la Ciencia debe entenderse, LA MAYORÍA DE LAS VECES, bajo un prisma gnoseológico. Y digo “matización” porque leyendo lo que ha comentado en la noticia “¿Son las Matemáticas realmente efectivas?” parecía que se quedaba únicamente con ese prisma, rechazando el aspecto ontológico por completo. Tengo intención de extenderme algo más sobre este punto, pero no aquí, sino en la noticia de las Matemáticas.

    Al hilo de lo que dice Dr.Thriller en el 2º párrafo de su 5, creo que es lógico que las hipótesis y especulaciones que nos pueden parecer más extrañas proliferen precisamente allí donde la Ciencia encuentra sus límites. En cambio, no tenemos hipótesis extrañas sobre el tablero para explicar la mecánica clásica o la Anatomía macroscópica porque aceptamos que ya tenemos una buena explicación para ellas.

  10. Miguel Ángel:

    Querido Neo:

    Me sumo a las preguntas que plantea Lluís al final de su 6. Ese problema de la entropía se hace extensible a las teorías del rebote como la que defiende actualmente Penrose. Un asunto sin solucionar sobre el que valoraría cualquier comentario que usted nos pueda regalar si lo considera oportuno y tiene un poco de tiempo.
    También decirle a Lluís que me ha gustado mucho cómo ha explicado la función H. Por un momento me ha parecido hasta factible que haya otro Lluís en uno de esos universos y que trabaje de profesor de Física.

    Abrazos.

  11. lluís:

    Gracias por todo Miguel Angel.Puede ser que haya en universo paralelo otro lluís que trabaje como profesor de Física,pero creo que puedo asegurar que ese tipo me ha plagiado.
    Saludos,Miguel Ángel.

  12. NeoFronteras:

    Bueno, hay definiciones de entropía para agujeros negros a partir del trabajo de Hawking. Incluso hay resultados que ligan esta entropía a los microestados del espacio en la teoría cuántica de lazos. Pero en RG no hay una definición para la entropía a partir de la curvatura.

    En Cosmología la entropía es siempre un problema, pues el Big Bang se produjo sobre un estado de baja entropía y la entropía no ha hecho más que crecer desde entonces. En los modelos con rebote o renacimiento deben se de apañar algún sistema para reducir esa entropía y no está claro que alguno lo consiga, incluido el de Penrose. Es un problema abierto.

    Por otro lado, la entropía y la expansión cosmológica son las que nos indican la flecha del tiempo. No hay otros indicadores que recuerde.

  13. tomás:

    Querido Neo: A mi modo de ver, incremento de la entropía y expansión del Universo son absolutamente inseparables, es decir, algo así como una misma cosa, aunque haya otros casos de aumento de entropía de más “a mano”. Lo que quiero decir es que no es posible una expansión sin aumento de entropía. Por tanto, decir que ambas marcan la flecha del tiempo es una redundancia. No es que cada una la marque; siempre la marcarán ambas como inseparables que son. No sé si me explico.
    Un abrazo,

  14. Miguel Ángel:

    Muy amable Neo, me quedo con su frase “en Cosmología la entropía siempre es un problema”, un excelente resumen.

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