viernes, 13 de enero de 2012

"Yo nunca me equivoco"


Hace muchos años mi amigo Luis Miguel Lombana, actor y director escénico, montó una versión muy chistosa de una ópera cómica que compuso Mozart a los 12 años. La ópera se titula Bastián y Bastiana, y es posible que nunca se haya interpretado en vida del compositor. Uno de los personajes es un mago charlatán llamado Don Colás, que en la versión de Luis Miguel decía una frase que se me quedó grabada: “Yo nunca me equivoco, especialmente cuando estoy seguro de que estoy seguro”.

Suena a lo que podría decir uno de esos próceres que pueblan la historia de la ciencia mal contada. Galileo, Newton, Einstein, Stephen Hawking —y los científicos en general— se nos muestran como genios infalibles cuyas palabras y pensamientos no pueden contener errores… un poquito como el propio Mozart, de quien se dice que componía de un tirón, sin borrones ni enmendaduras, como si tomara dictado de los ángeles. Así pues, parecería que en el mundo hay gente común y corriente, por un lado, y genios que todo lo saben o lo adivinan, por el otro. En esta visión sobresimplificada de la creatividad extraordinaria los genios son una especie de monstruo con el cerebro conectado a la mente de Dios, o al sistema operativo del universo (versión 1.0 sin actualizaciones desde hace 13,700 millones de años).

Si fuera cierto que los científicos geniales de la historia son infalibles cual papas renacentistas, entonces habría bastado uno de ellos para decírnoslo todo y, por supuesto, esos monstruos jamás dudarían ni se equivocarían; pero no es así, y por eso vemos caducar hoy las teorías de ayer y esperamos que las del futuro superen a las del presente. Los diamantes pueden ser para siempre, pero las ideas científicas no.

Desde luego, hay de errores a errores. No es lo mismo tener una idea que sirve durante cierto tiempo y luego se desecha por obsoleta, como el modelo astronómico de los antiguos griegos, que pergeñar un esperpento intelectual, como el atribuir los fósiles a la malicia divina en vez de considerarlos evidencia de formas de vida del pasado ya extintas. Entre estos extremos hay una gama de maneras de errar en las que cualquiera puede caer. Los científicos no son magos como Don Colás. He aquí algunos ejemplos:

Galileo apuntó su telescopio a Saturno y vio una forma oblonga. Como hacía poco había descubierto que Júpiter tiene cuatro satélites girándole alrededor, Galileo naturalmente interpretó la extraña forma telescópica de Saturno como dos grandes satélites dispuestos a uno y otro lado del planeta. Más tarde escribió un libro completo para demostrar que los cometas son fenómenos atmosféricos, no objetos astronómicos.

Isaac Newton inventó una técnica matemática para describir el cambio y la usó para explicar todos los movimientos con los que uno se puede topar en la vida cotidiana y más allá, en el espacio. Pieza fundamental de este aparato teórico era su ley de la gravitación universal que dice, en esencia, que todas las cosas con masa se atraen. Luego se dio cuenta de que, en ese caso, las estrellas deberían estar cayendo todas unas hacia las otras. Como no era así, Newton no tuvo más remedio que invocar la voluntad divina: las estrellas se atraían, sí, pero Dios las mantenía separadas. En las últimas décadas de su vida, Newton se dedicó a interpretar la Biblia y entre otras cosas calculó que la Creación ocurrió hace unos 6000 años.

En la obra de teatro Copenhague, del dramaturgo británico Michael Frayn, el físico Werner Heisenberg le dice a su antiguo mentor, Niels Bohr, “tú eras el papa de la física”. En otra escena, Bohr cuenta de una reunión internacional de físicos donde se esperaba que Albert Einstein diera su opinión acerca de la nueva teoría cuántica. Bohr narra que esperó esa reunión con ansia y dice: “Si yo era el papa, Einstein era Dios”. Es sólo una forma colorida de expresarse, claro. Para los físicos no hay papas ni dioses —nadie es infalible, por encumbrado que esté—, pese a lo cual, Einstein goza de una consideración especial: tuvo razón tantas veces y de manera tan espectacular, que hasta los físicos le conceden poderes extraordinarios. Quizá por eso nos gusta tanto poder decir “Einstein se equivocó” con sonrisa socarrona y un guiño malicioso.

Voy a contarles algunos posibles errores de Einstein, pero no me gustaría que suene a que quiero presumir de osado ni de blasfemo. En la ciencia siempre ha sido fundamental equivocarse, ¿cómo podríamos generar explicaciones de una cosa tan complicada como el universo si no disparamos en todas las direcciones posibles, la mayoría de las cuales no darán en el blanco? Así pues, la figura de Einstein no queda desacreditada por haber cometido errores porque errar es lo más común en la ciencia; dicho lo cual, pasemos a la sustancia.

1)   La constante cosmológica. Cuando Einstein publicó en 1915 su nueva teoría de la gravedad, llamada teoría general de la relatividad, se vio en un apuro parecido al que inquietó a Newton: sus matemáticas indicaban que el universo debería estar expandiéndose o contrayéndose, no podía ser estático. Como eso no era lo que mostraban las observaciones astronómicas, Einstein pensó que se había equivocado y se sintió obligado a introducir en su bonito modelo una fuerza de repulsión gravitacional de la que no había ningún indicio. La nueva e incómoda fuerza quedaba caracterizada por un término matemático que Einstein llamó “constante cosmológica”. Quince años más tarde, y con nuevas observaciones hechas por Edwin Hubble, resultó que el universo sí se está expandiendo. Einstein soltó un suspiro de alivio y retiró la constante cosmológica, llamándola “el error más grave de mi vida”. Pero la vida está llena de ironías, y en 1998 otras observaciones astronómicas mostraron que el universo no sólo se expande, sino que la expansión se está acelerando, lo que exige que exista una fuerza de repulsión muy parecida a la constante cosmológica. Así pues, Einstein se equivocó al pensar que estaba equivocado. ¿Contamos esto como un error, o será que dos equivocaciones seguidas se pueden anular y Einstein tuvo razón?

2)   La teoría unificada. Einstein, como Newton, también dedicó sus últimas décadas a perseguir quimeras. Desde los años 20 hasta su muerte, en 1955, estuvo tratando de construir una teoría para unificar las descripciones, hasta entonces independientes, de los fenómenos electromagnéticos, la gravedad y la mecánica cuántica. A diferencia de Newton, Einstein no se apoyó en las Sagradas Escrituras sino en la física, pero tampoco consiguió nada. La ciencia es una amante sin corazón.

3)   La velocidad de la luz. El más reciente error posible de Einstein tiene que ver con un artículo de septiembre del año pasado, que discutí en Imagen en la ciencia. Un grupo de investigación de un laboratorio italiano anunció en ese artículo haber encontrado partículas que viajan más rápido que la luz, lo que contradice un resultado muy importante de la teoría especial de la relatividad de Einstein, según el cual nada debería poder propagarse más rápido que la luz en el vacío. La comunidad física ha puesto el resultado en tela de juicio y el consenso hasta hoy es que debe haber algún error en el experimento. A las pocas semanas, una parte del equipo de investigación se retractó y el artículo no se publicó formalmente, pero si llegara a comprobarse (y ya hay quien se está ocupando de repetirlo), entonces habría que modificar la teoría especial de la relatividad y podríamos decir con toda confianza “Einstein se equivocó” —lo cual puede tener valor como noticia para la prensa amarillista, pero para los científicos no será nada del otro jueves.

viernes, 6 de enero de 2012

Top models


Máquina expendedora de pizzas. ¿Pueden deducir cómo está hecha por dentro observando sólo su funcionamiento externo?

Presentamos lo último en tecnología: la máquina expendedora de pizzas. Uno selecciona las características de la pizza que quiere y pone dinero en la máquina. Al cabo de unos minutos, la máquina saca la pizza deseada. ¿Cómo funciona esta maravilla? He aquí una explicación: dentro de la máquina hay unos enanitos cocineros con todos los ingredientes y un horno; cuando ponemos dinero en la máquina, los enanos preparan la pizza y la sacan por la ranura expendedora.

Esta explicación del funcionamiento interno de la máquina es lo que los científicos llaman un modelo: una representación de una realidad más o menos inaccesible, como el interior de la máquina de pizzas. Esta representación debe explicar el comportamiento de lo que se modela; por ejemplo, el modelo de los enanos cocineros explica bastante bien lo que hemos visto hasta ahora del funcionamiento de este aparato, pero un buen modelo no sólo explica; también debe permitir predecir lo que hará la máquina en distintas circunstancias. Si sus predicciones se cumplen, entonces damos por bueno el modelo hasta que ocurra cualquiera de estas dos cosas:
  1. Una predicción del modelo no se cumple, o
  2. La máquina hace algo que el modelo no puede explicar
Por ejemplo, el modelo de los enanos predice que de vez en cuando veremos salir de la máquina un enanito que va al baño, o a comer (quizá está harto de tanta pizza). Si observamos la máquina durante muchos días y no se producen estos acontecimientos, tal vez perdamos confianza en nuestro modelo. O bien podríamos modificarlo; irlo adaptando a las nuevas observaciones: quizá la máquina cuenta con sanitarios para enanos y éstos sólo comen pizza; en ese caso no tendrían que salir nunca y el modelo seguiría funcionando, hasta nuevo aviso.

He aquí otro modelo que también explica lo que hace la máquina de pizzas: en el interior hay un mecanismo automático que aplana la masa, aplica los ingredientes, hornea la pizza y la saca por una ranura. Podríamos ser más precisos, pero de momento esto basta como modelo alternativo. Un mecanismo no se cansa, ni come ni va al baño, lo que explicaría que no veamos salir a nadie de la máquina de pizzas. Quizá este modelo es mejor que el de los enanos. ¿Cómo decidirlo?

Modelos del universo
Durante mucho tiempo el universo fue para nosotros como la máquina de pizzas (y quizá lo sigue siendo): vemos puntos en el cielo y estos puntos se mueven de diversas maneras (ver en estas páginas La bóveda celeste): llamamos estrellas a los puntos que giran todos juntos como si estuvieran pintados en una pelota de cristal.



Movimiento de la bóveda celeste. Las estrellas se mueven todas juntas, como si estuvieran engarzadas en una esfera, y dan una vuelta completa en 24 horas. Hoy sabemos que este movimiento aparente se debe al movimiento de rotación de la Tierra. Los destellos rápidos que se ven en este video hecho con exposición cuadro por cuadro son aviones.

Los planetas, además del movimiento del conjunto, se desplazan entre las estrellas fijas a lo largo de los días.

http://youtu.be/cSU5VwIQTNI

He aquí el modelo que perfeccionó Claudio Tolomeo, astrónomo griego que vivió en el siglo II d.C.:

La Tierra se encuentra fija en el centro del universo. Alrededor de ella giran todos los astros en este orden: luna, Mercurio, Venus, sol, Marte, Júpiter, Saturno y las estrellas fijas. La luna y el sol giran en una órbita simple, mientras que Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno están pegados a unas ruedas que van girando al tiempo que orbitan la Tierra. La combinación de esos dos movimientos produce los rizos que vemos que hacen los planetas en el cielo.
El modelo de Tolomeo explicaba bastante bien los movimientos de los planetas. Permitía predecir aproximadamente en qué parte del cielo se iban a encontrar en una fecha determinada, así como predecir eclipses lunares y solares con bastante precisión. Cuando los astrónomos inventaron instrumentos más precisos, se dieron cuenta de que las predicciones del modelo de Tolomeo eran insuficientes. Poco a poco, y con mucho trabajo, idearon otro modelo que se ajustaba mejor a las nuevas observaciones. Ese modelo está basado en el trabajo de Nicolás Copérnico. En el modelo copernicano es el sol el que se encuentra en el centro y todo lo demás gira a su alrededor. Las estrellas fijas no giran; las vemos girar por el movimiento de rotación de la Tierra. El modelo copernicano explicaba los movimientos del cielo igual de bien que el de Tolomeo, pero en el modelo de Copérnico la esfera de las estrellas no tiene que girar, lo que lo hace un poco más creíble. Con el tiempo, el modelo de Copérnico se impuso y a lo largo de los siglos se ha ido modificando para adaptarse a los nuevos conocimientos que hemos ido adquiriendo.

Manipular la realidad
Usamos modelos cuando no tenemos acceso directo al fenómeno que queremos entender. Los astrónomos antiguos sólo tenían, para guiarse, los movimientos de la bóveda celeste. Sobre esos movimientos elaboraban sus hipótesis.

Un globo terráqueo representa la superficie curva de la Tierra. He aquí un modelo de los contornos de los continentes elaborado por Gerardus Mercator en el siglo XVI.

Un globo más moderno. Hoy en día tenemos información más precisa acerca de los contornos de los continentes (además de mejores instrumentos y técnicas de medición, hoy tenemos también fotos tomadas desde el espacio). Los modelos pueden adaptarse a los conocimientos nuevos.

Los modelos nos sirven no sólo para entender, sino para manipular la realidad. Hoy en día los modelos también pueden convertirse en simulaciones por computadora. Los videos de los movimientos planetarios que vimos más arriba son ejemplos de simulaciones basadas en el sistema de Tolomeo y en el sistema de Copérnico. Con estas manipulaciones podemos explorar las predicciones del modelo e idear maneras de probar si se cumplen.

Observen que un modelo puede funcionar bien sin ser “verdadero”. En el modelo planetario de Tolomeo los planetas se movían montados sobre esferas de cristal y ruedas que se asemejaban al mecanismo de un reloj mecánico. Hoy sabemos que esas ruedas no existen, pero el modelo tolemaico dio resultados pasablemente buenos durante muchos siglos (hasta que la precisión de los instrumentos reveló sus limitaciones). Asimismo, el modelo de los enanos cocineros explica bien por lo menos algunos aspectos del comportamiento de la máquina de pizzas. En las ciencias un modelo se usa hasta que los nuevos conocimientos revelan un comportamiento incompatible con la explicación que da el modelo. Las naves espaciales que hemos enviado a otros planetas no atravesaron esferas de cristal. Otra razón para cambiar de modelo puede ser la simplicidad: entre dos modelos que explican igual de bien un fenómeno conviene elegir el más sencillo.

Los modelos son como barandales a los que nos aferramos, o bien como el entramado de alambres por el que trepa la enredadera del conocimiento científico.