El documento resume los principales paradigmas y teorías científicas que han guiado el desarrollo de la física, desde el paradigma newtoniano hasta las teorías actuales de cuerdas y gravedad cuántica. Explica conceptos clave como el principio de incertidumbre, la dualidad onda-partícula, y cómo la mecánica cuántica y la relatividad general son incompatibles. Finalmente, discute los desafíos y limitaciones de las "teorías del todo" para unificar todas las fuerzas y partículas

1. CUESTIONES
LOS PARADIGMAS
Demetrio Ccesa Rayme

2. El Paradigma Newtoniano en las
Ciencias
• El éxito del paradigma
newtoniano inspiró la
Revolución científica
moderna.
• Las demás ciencias naturales
empezaron a moverse a
buscar explicaciones “tipo
Newton” para todos los
fenómenos observables.
• Presupuestos filosóficos
básicos
– Materialismo
– Reduccionismo
– Empirismo
– Determinismo causal

3. Revoluciones del Siglo XX: Relatividad
General y Mecánica Cuántica
• Tras la influencia de Mach y
los éxitos empíricos
impresionantes de estas
teorías aún vigentes (aunque
incompatibles entre sí) se
crearon dos corrientes
filosóficas opuestas en la
Física fundamental:
– Positivismo lógico – las
teorías físicas no reflejan la
realidad. Solo son
herramientas
computacionales que no
deben hablar de entes que no
tengan correlación empírica.
– Realismo “reducido” – las
teorías matemáticas de la
Física deben buscar una
descripción completa y
satisfactoria de una realidad
externa, pero puede haber un
enorme número de teorías
equivalentes
(difeomórficamente
equivalentes).

4. Reduccionismo y Empirismo en
las ciencias humanas y sociales
• En oposición a estas visiones
epistemológicas en cuanto a
qué se refieren las teorías
científicas, en la psicología y
sociología modernas hay aún
más cuestionamientos serios al
empirismo, al rol de las
matemáticas y al reduccionismo
como herramientas
indispensables para crear
conocimiento científico válido.
• Varias escuelas de pensamiento
en las ciencias sociales creen
que los fenómenos de la
conciencia y el comportamiento
humano no se pueden reducir a
interacciones bioquímicas entre
neuronas. Según esta visión hay
realidades “mentales” que no se
pueden capturar con un
tratamiento lógico-matemático
basado solo en datos empíricos.

5. Criterio de falsabilidad de Karl
Popper
• Este es uno de los
criterios más utilizados
para distinguir qué es
una teoría científica y
cual debe ser la meta de
la Ciencia.
• Una teoría científica será
válida y estará “bien
formada” SI Y SOLO SI
hay una manera de
poder demostrar que es
falsa.
• La idea es que el método
científico funcione como
un “detector de mentiras”
que solo permita teorías
lógicas y plausibles de
acuerdo a criterios
estrictamente empíricos.

6. Reduccionismo en la Física:
¿Cuáles son las entidades
fundamentales?
• El mundo
subatómico de lo
material
– Teoría de Campos
Cuánticos
• El escenario donde
se desenvuelve la
realidad
– Teoría de
Relatividad
General: espacio,
tiempo y gravedad

7. El Modelo Estándar

8. Al igual que la materia, las fuerzas o interacciones entre las partículas son a su vez mediadas por “partículas de fuerza”

9. Postulados filosóficos
principales de la Teoría Cuántica
• Cada sistema material se
compone de una o más
“partículas” de materia
• Cada sistema se puede
describir totalmente por una
entidad matemática
conocida como “función de
onda” (vector en un espacio
de Hilbert)
• Las cantidades reales de
estos sistemas que
podemos medir se pueden
describir por entidades
matemáticas conocidas
como “operadores
hermíticos”

10. Partículas, sus propiedades y
la realidad probabilística
• Hay propiedades
intrínsecas
(autovectores) que
definen el tipo de una
partícula.
– Masa, espín,
cargas
• Todas las partículas de
un mismo tipo son
idénticas
• Los posibles resultados
de medir otras
propiedades dependen
de las interacciones con
su “ambiente externo”.
• Es imposible conocer la
trayectoria exacta de un
sistema o cuales serán
los resultados exactos
de esas medidas.

11. Principio de
Incertidumbre
• Principio de incertidumbre de
Heisenberg: es imposible
obtener valores simultáneos para
la posición y el movimiento de
una partícula.
• El problema de la medición:
Medir las propiedades de una
partícula requiere que ésta
interactúe con fuerzas
provenientes del aparato que
mide.
• El acto de medir cambia
irremediablemente lo que se
quiere medir.
• Antes de medir, un sistema
cuántico se halla en una
superposición de estados con
todas las propiedades posibles
en ese momento.

12. ¿Existe la materia si nadie la está
mirando?
• Un experimento en Física fundamental consiste en investigar las propiedades de algunas partículas entre dos puntos.
• Es imposible saber lo que ocurre entre esos dos puntos.
• La dualidad onda-partícula y los campos cuánticos.

13. Interacciones y diagramas de
Feynman
• Es posible que
aparezcan
partículas virtuales
de la nada, pues
no tener
absolutamente
nada en un punto
violaría el principio
de Incertidumbre.
• Teoría de
perturbaciones: el
resultado de una
medida se predice
incluyendo
TODAS las
posibilidades en ir
del estado inicial
al final

14. El problema de los resultados
infinitos: Renormalización
• Para poder calcular
probabilidades de una
medida la teoría asume dos
condiciones fundamentales:
– diagramas más complicados
son mucho más
improbables y contribuyen
menos al resultado final.
– Las partículas y las
interacciones entre éstas
son puntos geométricos de
tamaño infinitesimalmente
pequeños.
• Este esquema no va a
funcionar jamás si una de las
fuerzas es la gravedad.

15. Gravedad y
Relatividad General
• Según Einstein, la gravedad no es
una fuerza “material” como las
otras.
• La gravedad resulta de “deformar”
el espacio y el tiempo en el cual
se mueve la materia.
• Se puede tener gravedad en
espacios vacíos sin materia pues
ella es auto-generable.
• Donde está una partícula y
cuándo está ahí son conceptos
locales y relativos al observador.

16. La Mecánica Cuántica y la Relatividad
son incompatibles
• Una de las dos
(posiblemente ambas) es
“incorrecta”.
• Las partículas puntuales,
la incertidumbre y los
violentos
comportamientos a nivel
subatómico deformarían
el espacio infinitamente.
• La Mecánica Cuántica
resuelve para
interacciones en un punto
y en un tiempo dado en
un espaciotiempo plano.
• La Relatividad resuelve
para todo el espacio
curvo por todo el tiempo
dada una distribución
continua de materia.

17. Teoría de Supercuerdas
• Supuestos fundamentales:
– Solo existen en el Universo
dos entidades
fundamentales.
• Un espacio-tiempo de 10
dimensiones de las cuales
solo vemos 3 dimensiones
espaciales macroscópicas y
1 de tiempo.
• Un inmenso número de
pequeñas cuerdas que no
son puntuales sino líneas
unidimensionales (o
membranas extendidas).

18. Materia, energía y fuerzas
• Estas supercuerdas
respetan una simetría
matemática especial
entre bosones y
fermiones conocida
como super-simetría
(SUSY).
• Las supercuerdas son
del tamaño
fundamental conocido
como longitud de
Planck (10-35 metros).
• Las ecuaciones que
gobiernan los modos
de vibración de las
cuerdas reproducen la
distribución de masas,
cargas, y espines de
las “partículas” y
fuerzas del Modelo
Estándar.
• Los electrones,
quarks, fotones,
bosones W y Z, y
gluones no son
partículas diferentes
sino que son todas
supercuerdas vibrando
a diferentes
frecuencias.
• Hay una vibración
asociada al gravitón
que reproduce una
Teoría General de la
Relatividad
renormalizable.

19. Problemas de la Teoría
• No es única. Hay al
menos 5 variedades de
teorías de
supercuerdas. Hay al
menos otras dos
teorías alternas de
gravedad cuántica.
• Es tan complicada y
abstracta que aún ni se
saben cual serían las
ecuaciones exactas
que gobiernen las
funciones de onda de
las cuerdas.
• Tiene demasiada
riqueza predictiva. No
solo predice las
“partículas” del Modelo
Estándar sino que
podría tener muchas
otras que no se ven, y
que por tanto hay que
“prohibir” sin ninguna
justificación teórica.
• Es imposible realizar
experimentos a
escala de Planck para
verificar consecuencias
distintas del Modelo
Estándar. La teoría no
es falsable
empíricamente.

20. Igual pasa en la Cosmología
moderna
• La observación de
supernovas 1A que
demuestra una
expansión acelerada
del Universo es
incompatible con la
Relatividad General si
solo existe lo que se
puede confirmar
empíricamente
(¿energía oscura?).
• Es imposible
determinar las causas
del Big Bang, ni por
qué los parámetros
que definen la
expansión son esos y
no otros.

21. El futuro de las “Teorías de
Todo”
• Teoría M:
unificando las
teorías de
supercuerdas
• El Big Bang y los
agujeros negros:
ejemplos de
gravedad
cuántica
• El principio
antrópico: la
existencia de
organismos
vivos y las leyes
del Universo

22. ¿Y si se confirmase la Teoría M
englobando QM y GR?
• ¿Podría ser
considerada
Ciencia?
• ¿Habría que
reevaluar el
requisito
aparentemente
indispensable de
contrastación
empírica?
• ¿Cuánto tiempo
debe pasar sin
falsación empírica
ninguna para
proclamar el “final
de la Física”?