Una nueva teoría afirma que un sistema computacional oculto bajo las leyes naturales rige el funcionamiento del universo. El nuevo paradigma, además de afectar a la física porque modifica el concepto de fenómeno físico, también tiene implicaciones para las matemáticas y las ciencias cognitivas. Para desarrollarlo se necesita una investigación de físicos e informáticos.
Tres investigadores de la Universidad de Salamanca proponen, en un artículo publicado en la revista Universe, editada por el Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI), un nuevo paradigma de la física fundamental.
Plantean que el universo es un sistema computacional (independientemente de si es o no una simulación), lo que convierte a la informática teórica en el marco matemático necesario para adentrase en la descripción del mundo.
Eso significa, según explica en la siguiente entrevista el autor principal Sergio Miguel Tomé, que la potencia computacional y la jerarquía de complejidades computacionales son dos propiedades físicas que forman parte de la descripción de los fenómenos del universo.
La computación, argumenta Miguel Tomé, deja de ser así una propiedad matemática para descubrirse como una propiedad física inherente en las leyes naturales.
Se hace necesario, según Miguel Tomé, investigar este nuevo paradigma porque dentro de él existirá una teoría fundamental de la física capaz de ayudarnos a entender mejor las leyes naturales.
Este paradigma demanda una investigación multidisciplinar, tal como ocurrió cuando surgieron las ciencias cognitivas, porque entre física e informática teórica no existe la costumbre de colaborar salvo en contadas ocasiones.
En tu trabajo, habláis de un nuevo principio físico, llamado principio de computabilidad. ¿En qué consiste?
El principio de computabilidad establece que el universo es un sistema computacional y que por lo tanto tiene asociada irremediablemente una potencia computacional y una jerarquía de complejidades computacionales. Así, los valores de esas propiedades deben ser tenidas en cuenta a la hora de describir el universo y los fenómenos físicos, porque sin ellas la descripción de estos fenómenos sería incompleta.
¿A qué se refiere exactamente el término de sistema computacional que viene en el principio que has enunciado?
En pocas palabras, un modelo computacional es una estructura matemática que tiene un estado y que ese estado cambia acorde a unas reglas. El término solo tiene como objetivo indicar que el universo es descrito por algún modelo computacional, pero no referencia un modelo computacional en concreto. Usualmente solo se piensa en que un modelo computacional es la máquina de Turing o la arquitectura de registros (que es el modelo computacional de los ordenadores comerciales), pero existen una gran cantidad de modelos computacionales y con características muy diferentes entre ellos: por ejemplo, hay modelos computacionales con dominios que no son discretos, o modelos de computación probabilista. Estudiando los trabajos de investigadores en física fundamental, me he dado cuenta de que físicos muy relevantes han estado planteando que antes o después habrá que mirar qué hay debajo de las leyes de la física. Lo que plantea el principio de computabilidad es que lo que hay debajo de las leyes fundamentales es un sistema computacional que pertenece a algún modelo computacional, ¿Cuál es ese modelo computacional? No lo sabemos, es un reto que se tendrá que abordar antes o después.
¿Y qué es la potencia computacional? ¿Y la jerarquía de clases de complejidad?
La potencia computacional trata de la capacidad máxima para hacer cálculos que tiene un modelo computacional, sin tener en cuenta limitaciones de recursos, ya sean de memoria o tiempo. La jerarquía de clases de complejidades clasifica problemas matemáticos en función de cómo de difíciles son de resolver esos problemas para un modelo computacional, de acuerdo con la cantidad de recursos que requiere ese mismo modelo computacional para resolverlos.
También habláis de dos nuevas constantes físicas fundamentales, ¿cuáles son y qué significan?
El principio de computacionalidad afirma que el universo es un sistema computacional, sea cual sea el modelo computacional al que pertenece el universo, y por lo tanto el valor que tenga el universo de potencia computacional, y la jerarquía de complejidades computacionales que tenga asociada el universo, serían esas nuevas constantes. Así, independientemente del tipo de modelo computacional que sea, nuestro universo tiene una potencia computacional concreta, y una jerarquía de complejidades computacionales asociada, y esos dos valores deberían formar parte de la descripción de nuestro universo. Por lo tanto, el conocer esos valores es un nuevo reto que surge del principio de computacionalidad para la física.
¿Cómo podrían integrarse esas nuevas constantes en el marco de la física actual?
Lo primero que hay que decir es que a ciencia cierta no conocemos esos valores, y que hallar esos valores surge como un nuevo reto de la física. Hay quienes defienden que el límite del poder computacional de nuestro universo es el límite marcado por la máquina de Turing y hay quienes piensan que es mayor. Dicho esto, el nuevo punto de vista que emerge del principio de computacionalidad es que, cuando se formula una teoría física, ya no sería importante únicamente que la teoría pueda predecir correctamente la evolución de los sistemas físicos que describe, sino también sería importante que la potencia computacional que se deriva de esa teoría, y la jerarquía de clases de complejidad concuerden con el valor que asignamos al universo para esas propiedades, ya que esos valores serían parte de la descripción que hace esa teoría del universo, y por lo tanto debe de haber una consistencia entre todos ellos.
Por ejemplo, imaginemos que determinamos que la constante de poder computacional de nuestro universo es el límite de Turing. Pero alguien formula una teoría para un fenómeno físico que cuando se estudia computacionalmente muestra que se podría resolver el problema de la parada y por lo tanto superaría el límite de Turing. Al no estar los valores en concordancia, entonces hay dos opciones: o la teoría no es una descripción completa del fenómeno, o el valor asignado a la constante es incorrecto.
La computación cuántica ¿entra en el nuevo esquema que proponéis? ¿Cómo encaja con vuestra propuesta?
La tecnología para la computación cuántica se desarrolla en base a modelos computacionales que tienen asociados una jerarquía de complejidades computacionales diferente de la que tienen los modelos computacionales equivalentes a una máquina de Turing. De hecho, ese es el motivo por el que se está investigando para desarrollar una computadora cuántica, para poder resolver problemas en un tiempo razonable que no son posibles de resolver con los modelos computacionales equivalentes a la máquina de Turing. Por lo tanto, la investigación en computación cuántica nos ayudaría a conocer cuál es la jerarquía de clases computacionales asociada al universo.
Según vuestra tesis, el universo no es una simulación como se ha entendido hasta ahora, sino un sistema computacional. ¿Cuál es la diferencia? ¿Habláis de un nuevo Mátrix?
Lo primero hay que decir sobre esta cuestión para que nadie se lleve a error es que no hablamos de ningún nuevo Matrix. Uno de los grandes problemas al hablar de que el universo es un sistema computacional, es que se ha confundido la afirmación de que el universo es un computador con la de que somos una simulación, y una de las cosas que hacemos en el artículo que hemos publicado es trazar una clara distinción entre las dos afirmaciones, ya que dicen cosas distintas.
Cuando decimos que el universo es un sistema computacional, estamos hablando de que la estructura matemática para describir el universo sería un modelo computacional y que los parámetros que estudia la informática teórica en los modelos computacionales, son relevantes para describir nuestro universo. Incluso, en el artículo se explica cómo la afirmación de que el universo es un sistema computacional es una afirmación científica, mientras que la afirmación de que somos una simulación no es una afirmación científica porque no podemos platear un experimento para ponerla aprueba.
También hablas de una nueva relación entre la informática y la física fundamental. ¿A qué os referís?
En el momento en el que aceptas la validez del principio de computacionalidad, la informática teórica se convierte en el marco matemático para adentrase en la descripción del universo. La combinación del principio de computacionalidad con el marco matemático de la informática teórica da lugar a lo que llamamos Marco Computacionalista (MC). El MC plantea un cambio de paradigma en la física, pero no es el cambio de paradigma al uso, en el que los conceptos del paradigma que se sustituyen se desechan. El cambio de paradigma que plantea el MC es extender el paradigma actual incorporando la potencia computacional y la jerarquía de complejidades computacionales como dos propiedades físicas que forman parte de la descripción de fenómenos físicos y el universo.
¿Qué consecuencias tiene este nuevo paradigma?
La principal es que la computación deja de ser una propiedad matemática para ser una propiedad física que tiene una gran relevancia en la descripción de los fenómenos físicos y del universo. También propone que sería necesario buscar el modelo computacional que estaría debajo de las leyes de la física, ya que ese modelo sería una teoría fundamental de la física que nos ayudaría a entender mejor las leyes naturales. Pero las consecuencias del nuevo paradigma no son solo en la física, ya que por ejemplo permite conectar a las ciencias cognitivas con la física. Además, da una solución a la cuestión de la irrazonable efectividad de las matemáticas en las ciencias naturales expuesta por el premio nobel Eugene Wigner.
También proponéis un acercamiento de la ciencia computacional a la física, para desarrollar un nuevo espacio científico. ¿qué propuestas hacéis al respecto y cómo se implementarían?
Nosotros creemos, por todo lo que se argumenta en el artículo, que sería interesante que los teóricos de las ciencias de la computación ayudaran a desarrollar modelos computacionales que sirvieran como teorías para la física fundamental. Pero pese a lo lógico que parece la idea de que la informática teórica ayude a desarrollar teorías de física fundamental, y de que los físicos se sirvan de la informática teórica por todas las razones que hemos argumentado en el artículo, la realidad es que hay pocas personas en el mundo que tengan un amplio conocimiento en ambas disciplinas.
Y si no hay personas que tengan conocimientos de ambos campos, o en su defecto de equipos multidisciplinares de ambos campos, la investigación en este ámbito avanzara muy lentamente. Por ello, la solución sería crear convocatorias de proyectos que requiriera de especialistas de ambas disciplinas. Esto no sería la primera vez que sucede, ya que, en el nacimiento de las ciencias cognitivas, tanto en instituciones públicas como privadas se crearon programas específicos para que grupos multidisciplinares investigaran la cognición.
¿Cuál es el origen de toda esta investigación que habéis presentado en vuestro artículo? ¿Y cómo ha sido el proceso hasta que has llegado a formular el principio de computacionalidad?
El artículo parte de un capítulo de mi tesis doctoral. En ese capítulo estudiaba cómo los conceptos de computación e información habían sido adoptados dentro de la física, analizaba 5 argumentos en contra de la afirmación de que el universo es una computadora y una propuesta que se había hecho para resolver el dilema de Hempel en base a la teoría de la computación. Todo ese trabajo de estudio y análisis me hizo llegar a darme cuenta de que muchas veces se malinterpretaban ciertos enunciados de la informática teórica al usarlos en física.
Al terminar mi tesis doctoral, pensé que ese trabajo que había hecho, analizando cómo los físicos usaban conceptos de la informática teórica en sus trabajos, sería interesante que los físicos pudieran leerlo en un artículo y empecé a trabajar en crear un artículo en el que explicar el concepto de computación a físicos.
En mi mente pensaba que me llevaría menos trabajo preparar el artículo porque había realizado bastante trabajo para mi tesis doctoral, pero eso cambió porque, pensando sobre el contenido del artículo, de repente me di cuenta de que había algo más profundo que nadie había dicho, y eso que nadie había dicho era el principio de computacionalidad.
El principio de computacionalidad era algo fantástico, pero también me di cuenta de que con el material que tenía hasta ese momento, no era suficiente para defender el principio de computacionalidad: había muchas preguntas que responder sobre el principio de computacionalidad y que tuviera una base sólida que permitiera ser considerado seriamente por la comunidad científica. Así que me puse a revisar más bibliografía, mucha más bibliografía, y parecía que nunca se terminaba y avanzaba muy lentamente escribiendo el artículo, pero de repente llegó el COVID y el confinamiento de 3 meses en nuestras casas.
Yo intenté ponerle buena cara al mal tiempo, y me dije, voy a intentar aprovechar toda esta horrible situación para sacar tiempo para el artículo. Aquellos meses encerrados en casa me sirvieron para encontrar una cantidad de tiempo que hubiera sido muy difícil de tener en mi vida normal para pensar y leer. Después de aquello aún quedaba trabajo por hacer, pero me permitió que tuviera un documento base sobre el que ir puliendo e incorporando cuestiones.
Al final han sido más de 4 años de trabajo, pero me siento muy orgulloso porque he reunido muchas piezas distintas para completar el puzle, y ahora que el puzle está terminado, este nos muestra una visión más profunda del universo que nos rodea y así podemos entenderlo mejor.
Referencia
Fundamental Physics and Computation: The Computer-Theoretic Framework. Sergio Miguel-Tomé, Ángel L. Sánchez-Lázaro y Luis Alonso-Romero. Universe 2022, 8(1), 40. DOI:https://doi.org/10.3390/universe8010040
