Trinoceronte

Asimetría Creativa

La busqueda de simetrías en el mundo es uno de los objetivos racionales y a veces irracionales de la mente humana.  Muy en nuestro interior existe la convicción de que los objetos o los fenómenos simétricos son la regla y no la excepción en la naturaleza y que hay que buscarlos o escogerlos a como de lugar.  Esta búsqueda esta intimamente relacionada con nuestra apreciación de la belleza, la perfección matemática del mundo o la regularidad de las leyes que creemos rigen el comportamiento de todo.  La ciencia moderna, sin embargo, ha terminado mostrándonos que el mundo fascinante y rico que vemos, es realmente producto de asimetrías emergentes, una fealdad inevitable sin la que no podría existir nada de lo que conocemos.  Los invito a reconocer lo «feo» de la naturaleza y a rendirle tributo por su impresionante capacidad creativa.

«Es la fealdad (asimetría) y no la belleza (simetría) lo que da a la naturaleza su atractivo»
Abril 27 de 2014
http://bit.ly/trino-asimetrias

En el arte la asimetría es motivo también de exploración y fuente de obras extrañamente ricas.

A pesar de tener la mayor de las veces un origen «irracional», metafísico si se quiere, la busqueda de simetrías nos lleva casi siempre a resultados exitosos.  Buscamos reproducirnos con personas que tengan rostros simétricos como una prueba de su calidad genética.  Al hacerlo garantizamos que nuestros genes se conserven en descendientes que pueden sobrevivir y estén equipados con sus propias copias de buenos genes.  La simetría hace que construyamos edificios y objetos de una belleza eterna.  Las simetrías nos han llevado a descubrir partículas elementales con las que solo podríamos soñar.  Las simetrías construyeron el edificio de la física moderna y parece que van a ser fundamentales en la construcción de la física del futuro ¡Larga vida para las simetrías!

Entendemos por simetría aquí la propiedad que hace que un cuerpo o un fenómeno sea exactamente el mismo o lo parezca ante distintas transformaciones.  Así por ejemplo, al mirarnos en un espejo nuestra apariencia no cambia mucho.  Nuestro lado izquierdo y el derecho son muy similares de modo que su inversion especular no nos hace otras personas. Otro tipo de simetría es la que existe en el Universo a gran escala: no importa en que Galaxia vivieras, descubrirías las mismas leyes de la expansión y evolución del Universo que descubrimos a principios del siglo XX desde la Vía Láctea.  No hay ninguna galaxia especial en el universo y al mismo tiempo todas lo son.  Cada segmento de algunos gusano es idéntico para una bacteria.  Sería difícil para la bacteria identificar en que segmento esta mirando qué estructura encuentra a su alrededor.  Si ves las aspas de un ventilador o una bandera que se mece en el viento en una película que fluye hacia adelante en el tiempo y en otra que fluye hacia atrás no reconocerías cuál es cuál.  Todos estos son ejemplos de simetrías bastante conocidas.

Pero hay asimetrías espontáneas en el mundo, asimetrías que surgen incluso a partir de la intervención de reglas intrínsecamente simétricas (asimetrías emergentes).  Estas asimetría son esencialmente las que le han dado forma al universo y a nuestro mundo inmediato y que en últimas hacen de él algo que vale la pena estudiar.  En otras palabras nuestro Universo parece regirse por principios simétricos pero es la asimetría emergente en algunos fenómenos lo que lo hace tan interesante.  Esas asimetrías además son responsables de que el mundo sea lo que es.  Si no fuera por ellas viviríamos en un simétrico pero muy triste Universo.

Les propongo que hagamos aquí un breve inventario de las asimetrías emergentes, la fealdad inevitable, si me lo permiten llamar de esa manera, que hacen de nuestro mundo un lugar exótico y bello para vivir.

¿Espacio o tiempo?: esa es la cuestión

Responder a la pregunta de qué es el tiempo parece ser uno de los rompecabezas mas difíciles que nos ha tocado resolver como especie inteligente.   Podríamos decir, sin temor a equivocarnos, que casi ningún filósofo entendió realmente lo que era hasta la invención de las maquinas que funcionan con calor en la revolución industrial.  Fue solo hasta que dependimos de la conversión del calor en trabajo que nos empezamos a dar cuenta que existía una diferencia fundamental, imposible de obviar, entre el pasado y el futuro.   Después de este origen tan mundano, la idea de que el «flujo del tiempo» es implacable se convirtió en una de las leyes mas importantes de la física.  Hoy se la conoce con el poco romántico nombre de «segunda ley de la termodinâmica» pero deberíamos llamarla en su lugar «la asimetría más fascinante del Universo».

¿Habría algo bello en el mundo si todos los instantes del tiempo fueran iguales? El tiempo es el responsable de la íntima distinción entre lo vivo y lo no vivo.  Sin tiempo sería lo mismo tener estrellas a no tenerlas.  Todas las invenciones y actos creativos serían simple ruído en un simétrico fluir de eventos.  El tiempo y su implacable fluir es sin duda alguna el artifice del Universo.

Hasta allí todo estaría bien si no fuera por un increíble descubrimiento que hizo Einstein en 1905.  No se puede pensar en el tiempo sin pensar simultáneamente en el espacio.  Ambos coexisten en un matrimonio indisoluble.  Hablar de la duración de un fenómeno es inútil e incompleto sin hablar de su extensión en el espacio.  Creer que las cualidades espaciales existen independientente de las temporales es tan absurdo como creer que el tamaño de la sombra de un edificio es una propiedad independiente e intrínseca suya.

Pero el espacio, a diferencia del tiempo es bidireccional.  Se puede ir hacia adelante o hacia atrás en cualquiera de las 3 dimensiones del espacio.  No se puede hacer lo mismo en el tiempo.  Cualquier punto del espacio puede ser visitado cuantas veces se quiera pero no pasa lo mismo con su hermano gemelo, el tiempo.  Solo tuvimos una oportunidad de estar aquel 10 de junio de 1610, el día en el que Galileo miro por primera vez el cielo con una versión personal de un catalejo.  Solo nuestra imaginación nos puede llevar de nuevo hasta allá.

Pero ¿por qué es así? ¿por qué una de las 4 dimensiones en las que podemos movernos es tan distinta? Nadie lo sabe a ciencia cierta todavía pero creo que es una intuición generalizada entre muchos físicos el hecho de que intrínsecamente no es así.  Es decir, existe una simetría intrínseca entre el espacio y el tiempo de modo que la «fea» diferencia entre las 3 dimensiones espaciales y la cuarta dimensión es solo cuestión de emergencia.

A alguna escala espacial o temporal que desconocemos (seguramente muy pequeña o microscópica), las 4 dimensiones son indistinguibles.  No hay presente, ni pasado, ni futuro.  A esa escala desconocida, todos los puntos son un eterno aquí y un inmenso ahora.  ¿Pero por qué no lo vemos de esa manera en nuestra vida cotidiana? Entre esa escala y la nuestra, parece ocurrir un milagro (o un desastre desde el punto de vista de la simetría) en el que la identidad, la diferencia aparente entre el tiempo y el espacio emerge.  Algo se daña en el mundo cuando crece y por eso se vuelve temporal.  La «flecha del tiempo» como la llaman otros resulta de alguna manera de la interacción de todas las partes de un mundo muy complejo.  El tiempo y el espacio se divorcian en algún punto entre el reino de lo muy pequeño y de lo muy grande.

El tiempo a nuestra escala, no es entonces una característica intrínseca del Universo sino una asimetría emergente, un milagro inesperado.  De la misma manera que al enfriar un poco de agua la interacción de cuatrillones de moléculas independientes se convierte en un orden emergente, el hielo, el tiempo resultaría de algo así como la «cristalización» de un espacio de cuatro dimensiones atemporal y eterno.  Mas increíble aún resulta pensar que tal vez en otros universos no exista el tiempo.  O tal vez en algunos de ellos el tiempo tenga dos o tres dimensiones a su favor.  Nadie lo sabe todavía.

Masa o Luz

Una tercera parte de las partículas que forman la materia convencional en nuestro Universo, deberían moverse ligeras, exactamente a la misma velocidad que la luz.  Nos referimos, naturalmente a los electrones.  Siendo posiblemente las partículas elementales más mundanas del Universo, los electrones tienen todas las características requeridas para ser ligeras como los fotones, las partículas de luz.  Los electrones, como los fotones, son fundamentalmente elementales, es decir no están compuestas de otras, y aunque son atraídas por otras partículas lo hacen con una intensidad relativamente tan pequeña que les impide formar paquetes compactos como los que forman sus primos, los quarks.

Pero los electrones, que deberían ser infinitamente ligeros, no lo son completamente.  Al menos durante esta etapa de la vida del Universo.  Mientras que al nacer un fotón, lo hace inmediatamente a la velocidad de la luz, cuando un electrón hace su aparición en el mundo necesita de un buen impulso para alcanzar incluso velocidades mundanas.  

La relación entre el impulso que hay que darle a una partícula y la velocidad que alcanza esta relacionada con lo que los físicos conocen como la masa de la partícula.   En el caso de los electrones la masa alcanza un valor de 500,000 unidades (en el sistema usado por los físicos de partículas para medir la masa).  Los neutrinos, partículas exóticas producidas en la desintegración nuclear, por su lado, tienen menos de 1 unidad de masa y por la misma razón vuelan casi a la velocidad de la luz sin mucho esfuerzo.  Un protón, que esta compuesto de quarks que interactúan con mucha energía entre ellos, tiene una masa de casi mil millones de unidades.  En este caso sin embargo esa enorme masa se debe a la energía que une a los quarks que también se resiste a ser movida.

El hecho que los electrones tengan una masa, define de manera fundamental su interacción con protones y neutrones para formar los átomos.  Sin electrones masivos los átomos serían entidades fragiles que tendrían vidas tan breves como algunas de las partículas inestables que apenas conocemos.  En su lugar, los átomos que hacen a nuestro planeta y a nuestros cuerpos por igual, están hechos de electrones con masa, es decir, son duraderos.  Algunos átomos en mi cuerpo (posiblemente los mas importantes) han existido por ejemplo en su configuración actual por lo menos desde hace 6 o 7 mil millones de años.

Pero ¿qué hace que dos partículas que deberían ser igual de ligeras (por simetría, el electrón y el fotón), sean tan diferentes? ¿quién es el culpable de esta asimetría?

De nuevo se trata de una propiedad emergente, una propiedad inesperada del mundo.  

En condiciones «normales» (condiciones simétricas) tal y como las que existieron en el Universo primitivo o en las colisiones energéticas en el LHC, el espacio vacío esta lleno y al mismo tiempo desprovisto de cualquier partícula o campo.  Pero a la temperatura y densidad del universo presente, un campo de fuerza «milagroso» existe aún en el vacío mas profundo.  La razón por la que este campo existe hace parte de la «fealdad emergente» del mundo.  Los físicos llaman técnicamente al fenómeno «rompimiento espontáneo de la simetría».  

Al campo que surge en estas condiciones se lo conoce hoy como el «campo de Higgs» en honor a uno de sus primeros proponentes.  Pues bien, el electrón a diferencia del fotón siente el campo de Higgs y es por eso que en una carrera donde a los dos se les da el mismo impulso, siempre gana el fotón, que no encuentra ninguna resistencia a moverse.

Así pues, una asimetría emergente del vacío, la existencia del campo de Higgs, es la responsable que los electrones se frenen y de que existan los átomos de los neurotransmisoras que me han mantenido escribiendo este texto  ¡Larga vida a esa asimetría!

Falso Vacío

Una asimetría similar a la que hace que el Campo de Higgs y no otros campos, existan en el vacío relativamente frío de nuestro Universo, fue precisamente la causante de que hubiera en primer lugar un mundo macroscópico y rico como aquel que nos engendró en primer lugar.

Según nuestra mejor «adivinanza» acerca de cómo nació el Universo, todo comenzó en una pequeña porción de espacio en la que el vacío era altamente simétrico.  En esas condiciones el Universo estaba lleno de una forma extraña de energía repulsiva.   La existencia de esta forma de energía infló aquella diminuta porción de espacio hasta que adoptó dimensiones colosales, astronómicas.  Este evento que llamamos hoy la inflación cosmológica marco el inició de nuestra rincón del multiverso (para leer más sobre este tema les recomiendo mi entrada los Biceps de la Inflación)

Pero si ese estado simétrico y repulsivo se hubiera mantenido por siempre (como creemos que se mantiene en otros lugares del Multiverso) no habría ocurrido nada mas.  Sin embargo, por razones también hoy desconocidas, una asimetría emergió en ese espacio. El cambio, hizo inestable la antes indestructible y repulsiva (en todo sentido) forma de energía que había iniciado la expansión.  De repente toda esa energía repulsiva se desintegro creando cantidades astronómicas de materia y energía más convencional que lo llenaron todo.  Fue tan violento el fenómeno que la temperatura y densidad de nuestro Universo se hizo tan grande como jamás vimos después.  A este momento de la historia del Universo la llamamos el Big-Bang.

Según este relato, que recientemente recibió una inesperada confirmación observacional, el Big-Bang fue el producto y no el principio, de una asimetría emergente, de una forma exótica de fealdad creativa.  Si por la simetría intrínseca de las leyes de la física fuera, nuestro universo sencillamente no existiría.

Materia o Antimateria

Vivimos en un Universo hecho de luz.  Por cada electrón o quark en nuestro cuerpo existen en algun lugar del Universo un millardo de partículas de luz (fotones).  Si un visitante de otro Universo tuviera la oportunidad de mirar adentro del nuestro tendría todo el derecho a decir que este es un Universo de luz.

Pero no del todo.  La luz no es capaz de formar planetas, crear organismos vivos o escribir blogs.  La luz es fantástica pero lo que hace a nuestro universo un lugar rico e interesante es la materia, es decir esas otras formas de energía que si tienen masa y se frenan hasta crear entidades como protones, átomos y Galaxias.

Según un principio de simetría Universal el Universo debería estar hecho de un número exactamente igual de partículas de materia y antimateria.   Es bueno aclarar aquí que el nombre antimateria puede prestarse para confusiones.  La antimateria en realidad es tan convencional como la materia, solo que es extremadamente excasa.  Además siente una aversión «visceral» por la materia.  Cuando un positrón, por ejemplo atrae inocentemente a un electrón, el encuentro casual se convierte en el fin de su existencia (la de ambos)  En una fracción minúscula de tiempo la energía contenida en el electrón y el positrón es convertida en la energía de dos fotones.  La conversión es 100% eficiente y los desafortunados electrón y positrón dejan de existir.

Pero si la simetría materia-antimateria es tan real ¿por qué no vemos en el cielo galaxias de antimateria? pero mas importante aún ¿por qué no se ha destruído todavía toda la materia y la antimateria que debió crearse en el Big-Bang?  De hacerlo este universo solo estaría hecho de luz, la resultante de esta masiva aniquilación.   Pero eso es exactamente por donde comenzo esta historia: casi todo el universo esta hecho de luz lo que es una huella precisamente de este poderoso evento de autodestrucción cosmológica.  Pero aún así todavía hay materia y por montones.  ¿Será que la expansión nos aisló de otras partes del mundo llenas de una cantidad similar de antimateria? Muy difícil.

Toda la evidencia parece indicar que cuando el Universo tenía algo menos de 1 microsegundo una asimetría emergió en el devenir de las interacciones que hizo que existiera un poco mas de materia que de antimateria.  No sabemos todavía cuál es exactamente el origen de esa asimetría (y posiblemente no lo sepamos, esa es una característica fundamental de los fenómenos emergentes) pero así fue.  Nuestro Universo no es bello y por su fealdad existe la materia que hace galaxias, estrellas y planetas por igual.

La lista continuaría…

Espero que estos pocos pero cruciales ejemplos sirvan para demostrar mi tesis inicial, aquella según la cual el mundo es lo que es gracias a ciertas asimetrías que emergen de la compleja interacción entre partes que se rigen en principio por leyes regulares y simétricas.  Vivimos en un universo milagro.  No el milagro sobrenatural y perfecto, sino el milagro de la imperfección y la asimetría.