Libro N° 9666. El Quark Y El Jaguar. Gell-Mann, Murray.
© Libro N° 9666. El Quark Y El Jaguar. Gell-Mann, Murray. Emancipación. Marzo
5 de 2022.
Título original: © El Quark Y El Jaguar. Murray Gell-Mann
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Original: © El Quark Y El Jaguar. Murray Gell-Mann
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© Edición, reedición y Colección Biblioteca Emancipación: Guillermo Molina
Miranda
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EL QUARK Y EL JAGUAR
Murray Gell-Mann
El Quark Y El Jaguar
Murray Gell-Mann
CONTENIDO
Prefacio
Parte I: Lo simple y lo complejo
1. Prólogo
2. Luz temprana
3. Información y complejidad
4. Aleatoriedad
5. Un niño aprendiendo a hablar
6. Bacterias que desarrollan resistencia a los
fármacos
7. La empresa científica
8. El poder de la teoría
9. ¿Qué es lo fundamental?
Parte II: El universo cuántico
10. Simplicidad y aleatoriedad en el universo
cuántico
11. Una visión contemporánea de la mecánica
cuántica: La mecánica cuántica y la aproximación clásica
12. Mecánica cuántica y verborrea
13. Quarks y todo lo demás: El modelo estándar
14. La teoría de supercuerdas: ¿La unificación por
fin?
15. Las flechas del tiempo: Tiempo hacia adelante y
hacia atrás.
Parte III: Selección y adaptación
16. La selección en la evolución biológica y otros
ámbitos
17. Del aprendizaje al pensamiento creativo
18. Superstición y escepticismo
19. Esquemas adaptativos y no adaptativos
20. Máquinas que aprenden y simulan aprendizaje
Parte IV: Diversidad y sostenibilidad
21. Diversidades en peligro
22. Transiciones hacia un mundo más sostenible
23. Postfacio
Para Marcia
Es bueno para nosotros, el caos y el color, quiero
decir.
Marcia Southwick, Why the River Disappears
Prefacio
El quark y el jaguar no es una autobiografía,
aunque de hecho contiene recuerdos de mi infancia y anécdotas sobre colegas
científicos. Tampoco trata de mi trabajo en el campo de los quarks, pese a que
gran parte del libro está dedicada a reflexiones sobre las leyes fundamentales
de la física, incluido el comportamiento de dichas partículas. Espero escribir
algún día una autobiografía científica, pero el propósito en este volumen es
presentar al lector mi propia visión sobre una síntesis que está emergiendo en
los límites de la investigación acerca de la naturaleza del mundo que nos
rodea: el estudio de lo simple y lo complejo. Este estudio está empezando a
reunir, con una nueva perspectiva, material procedente de muy diversos campos
de las ciencias físicas, biológicas y del comportamiento, e incluso de las
artes y humanidades. El enfoque que conlleva facilita el descubrimiento de
conexiones, en ocasiones entre hechos o ideas que a simple vista parecen muy
alejados entre sí. Más aún, está empezando a dar respuesta a algunas de las
preguntas que muchos de nosotros, científicos o no, continuamos haciéndonos
sobre el verdadero significado de lo simple y lo complejo.
Este libro está dividido en cuatro partes. En la
primera, comienzo refiriendo algunas experiencias personales que me condujeron
a escribirlo. Dando largos paseos por las selvas tropicales, estudiando los
pájaros y planeando actividades conservacionistas, comenzó a tomar cuerpo en mí
la idea de compartir con los lectores mi creciente conciencia de los vínculos
entre las leyes fundamentales de la física y el mundo que vemos a nuestro
alrededor. Durante toda mi vida me ha apasionado explorar el reino de los seres
vivos, aunque mi dedicación profesional ha estado principalmente orientada
hacia la investigación de las leyes fundamentales. Estas leyes, subyacentes a
toda ciencia (en un sentido que se discutirá en las páginas que siguen), a
menudo parecen completamente ajenas a la experiencia, incluyendo gran parte de
la propia de otras ciencias distintas de la física. Al reflexionar sobre
cuestiones relacionadas con lo simple y lo complejo percibimos conexiones que
nos permiten establecer vínculos entre todos los fenómenos de la naturaleza,
desde los más sencillos a los más complicados.
Cuando mi esposa me leyó el poema de Arthur Sze
donde menciona el quark y el jaguar, me chocó de inmediato lo bien que ambas
imágenes se ajustaban a lo que yo quería tratar. Los quarks son los ladrillos
básicos que componen toda la materia. Todo objeto que vemos está constituido de
quarks y electrones. Incluso el jaguar, ese antiguo símbolo de fuerza y
ferocidad, es un manojo de quarks y electrones, ¡pero qué manojo! Exhibe una
enorme complejidad, resultado de miles de millones de años de evolución biológica.
Sin embargo, ¿qué significa exactamente la complejidad en este contexto, y cómo
surgió? Esta es la clase de cuestiones que este libro trata de responder.
El resto de la primera parte está dedicado a las
relaciones entre conceptos diversos de simplicidad y complejidad, así como a
los sistemas complejos adaptativos —aquellos que aprenden o evolucionan del
mismo modo que lo hacen los seres vivos—. Un niño que aprende su lengua
materna, una bacteria que desarrolla resistencia a los antibióticos y la
empresa científica humana son ejemplos de sistema complejo adaptativo que se
discuten. También se discute el papel de la teoría en la ciencia, así como el
problema de cuáles son las ciencias más fundamentales, junto con la cuestión
relacionada de lo que se entiende por reduccionismo.
La segunda parte trata de las leyes fundamentales
de la física, aquellas que gobiernan el cosmos y las partículas elementales a
partir de las cuales se compone toda la materia del universo. Aparecen aquí por
derecho propio los quarks, así como las supercuerdas, que ofrecen por primera
vez en la historia una seria posibilidad de teoría unificada de todas las
partículas e interacciones de la naturaleza. La teoría de las partículas
elementales es tan abstracta que mucha gente encuentra difícil seguirla incluso
cuando, como aquí, se la explica sin recurrir a las matemáticas. Para algunos
lectores quizá sea aconsejable saltarse estas secciones, especialmente los
capítulos 11 (sobre la interpretación moderna de la mecánica cuántica) y 13
(sobre el modelo estándar de las partículas elementales, quarks incluidos). La
no lectura de estos capítulos, o incluso de toda la segunda parte, no impide el
seguimiento de las partes restantes. Resulta irónico que una parte del libro
consagrada a explicar por qué las teorías físicas fundamentales son simples,
pueda resultar, sin embargo, demasiado difícil para muchos lectores. ¡Mea
culpa! Esta segunda parte concluye con un capítulo sobre la flecha o flechas
del tiempo, y culmina con un comentario acerca de por qué siguen apareciendo
más y más estructuras complejas, ya sean sistemas complejos adaptativos, como
la evolución biológica, ya sean sistemas no adaptativos, como las galaxias.
La tercera parte recoge las presiones selectivas
que actúan sobre los sistemas complejos adaptativos, especialmente en la
evolución biológica, el pensamiento creativo humano, el pensamiento crítico y
supersticioso y algunos aspectos (incluidos los económicos) del comportamiento
de las sociedades humanas. Se introducen las nociones, imprecisas aunque
convenientes, de adaptación y relieve adaptativo. En el capítulo 20 describo
brevemente el uso de los ordenadores como sistemas complejos adaptativos, por ejemplo
para desarrollar estrategias en ciertos juegos o para proporcionar simulaciones
simplificadas de sistemas complejos adaptativos naturales.
La última parte difiere bastante del resto, pues se
centra más en asuntos de política y legislación. El capítulo 21 prosigue la
discusión precedente sobre la diversidad de la vida en la Tierra como
representación de la información destilada a lo largo de cuatro mil millones de
años de evolución biológica, así como la diversidad cultural del hombre
representa lo mismo en relación con las decenas de miles de años de evolución
cultural del Homo sapiens sapiens. En este capítulo argumento
que merece la pena dedicar un gran esfuerzo a preservar tanto la diversidad
biológica como la cultural, y señalo algunos de los desafíos, problemas y
paradojas implicados. Pero no es posible considerar todos estos aspectos por
separado. En la actualidad, la red de interrelaciones que conecta el género
humano consigo mismo y con el resto de la biosfera es tan compleja que todos
los aspectos se influyen mutuamente en grado extremo. Alguien debería estudiar
el sistema en su totalidad, aunque sea toscamente, porque la suma de los estudios
parciales de un sistema complejo no lineal no puede dar idea del comportamiento
del todo. El capítulo 22 describe algunos de los esfuerzos que empiezan a
desarrollarse para llevar a cabo un estudio tal de los problemas mundiales que
incluya todos los aspectos relevantes, y no sólo los medioambientales,
demográficos o económicos, sino también los sociales, políticos, militares,
diplomáticos e ideológicos. El objeto de este estudio no es especular sobre el
futuro, sino tratar de identificar, entre las múltiples alternativas de futuro
razonablemente probables que se le plantean al género humano y al resto de la
biosfera, cuáles son aquellas que podrían conducir a una mayor sostenibilidad.
La palabra sostenibilidad se emplea aquí en un sentido amplio, que no sólo
implica evitar las catástrofes medioambientales, sino también las guerras
devastadoras, la propagación de las tiranías permanentes y otros males mayores.
El lector encontrará en este volumen muchas
referencias al Instituto de Santa Fe, en cuya fundación colaboré y en el cual
trabajo ahora después de retirarme del Instituto Tecnológico de California. En
este último soy en la actualidad profesor emérito tras haber enseñado allí
durante más de treinta y ocho años. Una buena parte de la investigación que hoy
se lleva a cabo sobre la simplicidad, la complejidad y los sistemas complejos
adaptativos la efectúan miembros del Instituto o, para ser más exactos, de la familia
del Instituto.
Resulta apropiada la palabra familia, porque el
Instituto de Santa Fe es una organización bastante poco rígida. El presidente,
Edward Knapp, está asistido por dos vicepresidentes y una plantilla de personal
administrativo compuesta por una docena de trabajadores de gran dedicación.
Solamente hay tres catedráticos, yo entre ellos, todos con cinco años de
antigüedad. Cualquiera puede ser visitante, con una estancia entre un día y un
año. Los visitantes vienen de todas partes del mundo, algunos de ellos con cierta
frecuencia. El Instituto organiza numerosos cursillos, que duran desde unos
pocos días hasta semanas. Además, se han establecido varias redes de
investigación sobre diversos temas interdisciplinarios. Los miembros de estas
redes se comunican entre sí por teléfono, correo electrónico, fax y
ocasionalmente por correo ordinario, y se reúnen periódicamente en Santa Fe o
en otro lugar. Hay expertos en decenas de especialidades, todos interesados en
colaborar por encima de las fronteras disciplinarias. Cada uno de ellos trabaja
en su propia institución, donde lleva a cabo satisfactoriamente sus
investigaciones, pero todos valoran su afiliación a Santa Fe porque les permite
establecer contactos que de otra manera resultarían menos fáciles. Las
instituciones de procedencia pueden ser grandes laboratorios industriales,
universidades o laboratorios nacionales (especialmente el de Los Alamos, que ha
suministrado al Instituto tantos miembros brillantes y activos).
Quienes se dedican a estudiar sistemas complejos
adaptativos comienzan ya a encontrar algunos principios generales subyacentes
en este tipo de sistemas; la búsqueda de estos principios requiere intensas
discusiones y colaboraciones entre especialistas de muchas áreas. Por
descontado, el estudio meticuloso e inspirado de cada especialidad sigue siendo
tan vital como siempre, pero la integración de las diferentes especialidades es
también una necesidad urgente. El puñado de expertos y científicos especialistas
que se están convirtiendo en estudiosos de la simplicidad y la complejidad, o
de los sistemas complejos adaptativos en general, ha realizado ya importantes
contribuciones científicas.
El éxito de esta transición se halla asociado a
menudo con cierto estilo de pensamiento. Nietzsche introdujo la distinción
entre «apolíneos», aquéllos que dan preferencia a la lógica, la aproximación
analítica y el peso desapasionado de la evidencia, y «dionisíacos», aquéllos
más inclinados a la intuición, la síntesis y la pasión. Estos rasgos se suelen
correlacionar de forma burda con el uso preferente de los hemisferios
cerebrales izquierdo y derecho, respectivamente. Algunos de nosotros parecemos
pertenecer a otra categoría: los «odiséicos», que combinan las dos
predilecciones en su búsqueda de conexiones entre las ideas. La gente así suele
sentirse sola en las instituciones convencionales, pero encuentran un ambiente
particularmente agradable en el Instituto de Santa Fe.
Las especialidades representadas en el centro
incluyen las matemáticas, la informática, la física, la química, la biología de
poblaciones, la ecología, la biología evolutiva, la biología del desarrollo, la
inmunología, la arqueología, la lingüística, las ciencias políticas, la
economía y la historia. El Instituto también convoca seminarios y publica
memorias científicas sobre temas tan dispares como la propagación de la
epidemia del SIDA, las oleadas migratorias de los pueblos prehistóricos del
sudoeste de los Estados Unidos, las estrategias de recolección de las colonias
de hormigas, cómo se puede ganar dinero aprovechando aspectos no aleatorios de
las fluctuaciones de precios en los mercados financieros, qué les sucede a las
comunidades ecológicas cuando desaparecen especies importantes, cómo programar
ordenadores para simular la evolución biológica y cómo gobierna la mecánica
cuántica el mundo familiar que vemos a nuestro alrededor.
El Instituto de Santa Fe colabora también con otras
organizaciones en el intento, descrito en el capítulo 22, de modelar las vías a
través de las cuales la sociedad humana de nuestro planeta puede evolucionar
hacia esquemas más sostenibles de interacción consigo misma y con el resto de
la biosfera. Aquí resulta especialmente necesario superar la idea dominante en
los círculos académicos y burocráticos de que sólo merece la pena dedicarse
seriamente a investigaciones altamente detalladas en el seno de una especialidad.
Hay que valorar las contribuciones igualmente fundamentales de aquellos que se
atreven a dar lo que yo llamo «un vistazo a la totalidad».
Aunque el Instituto de Santa Fe es uno de los
poquísimos centros científicos del mundo dedicados exclusivamente al estudio de
lo simple y lo complejo en una gran variedad de campos, no es de ninguna manera
el único lugar —ni siquiera el principal— donde se llevan a cabo
investigaciones importantes sobre estos temas. Muchos de los proyectos
específicos del Instituto tienen paralelos en otras partes del mundo y, en
muchos casos, la investigación relevante comenzó anteriormente en otras
instituciones, a menudo antes de que este centro fuera fundado en 1984. En
algunos casos, esas instituciones son la base de operaciones de miembros clave
de la familia del Instituto.
En este punto debería disculparme por lo que debe
parecer una especie de campaña publicitaria, especialmente porque la naturaleza
de la relación entre el Instituto y otras organizaciones científicas y docentes
ha aparecido algo distorsionada en ciertos libros publicados por autores
científicos en los últimos años. La glorificación del Santa Fe a expensas de
otros lugares ha indignado a muchos de nuestros colegas, especialmente en
Europa. Pido excusas por adelantado si mi libro diera una impresión igualmente
equivocada. La única razón de mi insistencia en Santa Fe es que estoy
familiarizado con buena parte del trabajo que se lleva a cabo aquí, o con el
que realizan los estudiantes y científicos que nos visitan, y conozco más bien
poco de la investigación que se desarrolla en otros lugares.
En cualquier caso, citaré (sin ningún orden
particular) algunas de las instituciones punteras donde se realizan, o se han
estado realizando durante muchos años, investigaciones relevantes sobre
aspectos relacionados con la simplicidad, la complejidad y los sistemas
complejos adaptativos. Naturalmente, al hacer esto corro el riesgo de exacerbar
la ira de los científicos y estudiosos pertenecientes a los centros que no he
incluido en esta lista parcial: La École Nórmale Superieure de París; el
Instituto Max Planck de Química Biofísica en Göttingen, cuyo director es
Manfred Eigen; el Instituto de Química Teórica de Viena, antes dirigido por
Peter Schuster, actualmente embarcado en la fundación de un nuevo instituto en
Jena; la Universidad de Michigan, donde Arthur Burks, Robert Axelrod, Michael
Cohen y John Holland forman el «grupo BACH», un equipo interdisciplinario que
durante mucho tiempo ha trabajado en problemas relacionados con sistemas
complejos, todos ellos conectados en algún grado con el Instituto de Santa Fe,
especialmente John Holland, miembro, al igual que yo, del consejo científico;
la Universidad de Stuttgart, donde Hermann Haken y sus colaboradores se dedican
desde hace tiempo al estudio de los sistemas complejos en las ciencias físicas
bajo la denominación de «sinergética»; la Universidad Libre de Bruselas, donde
se han llevado a cabo importantes aportaciones durante muchos años; la
Universidad de Utrech; el Departamento de Ciencias Puras y Aplicadas de la
Universidad de Tokio; el ATR, cerca de Kyoto, adonde se ha ido Thomas Ray,
antes en la Universidad de Delaware; los centros para el estudio de sistemas no
lineales en varios campus de la Universidad de California, entre ellos los de
Santa Cruz, Berkeley y Davis; la Universidad de Arizona; el Centro para la
Investigación de Sistemas Complejos, del Instituto Beckman, adscrito a la
Universidad de Illinois en Urbana; el programa de computación y redes
neuronales del Instituto Beckman, adscrito al Instituto Tecnológico de
California; la Universidad Chalmers, en Goteburgo; el NORDITA, en Copenhague;
el Instituto Internacional para el Análisis Aplicado de Sistemas, en Viena, y
el Instituto para el Intercambio Científico, en Turín.
Algunos amigos y colegas, cuyo trabajo respeto
profundamente, han tenido la amabilidad de revisar todo el manuscrito en varias
fases de su elaboración. Estoy muy agradecido por su ayuda, que me ha resultado
inmensamente valiosa, aunque, debido a las premuras de tiempo, sólo he podido
aprovechar una fracción de sus excelentes sugerencias. Ellos son Charles
Bennet, John Casti, George Johnson, Rick Lipkin, Seth Lloyd, Cornac McCarthy,
Harold Morowitz y Cari Sagan. Además, un puñado de distinguidos expertos en diversos
campos me ha regalado su tiempo accediendo a revisar pasajes particulares del
manuscrito; quiero mencionar a Brian Arthur, James Brown, James Crutchfield,
Marcus Feldman, John Fitzpatrick, Walter Gilbert, James Hartle, Joseph
Kirschvink, Christopher Langton, Benoit Mandelbrot, Charles A. Munn III, Thomas
Ray, J. William Schopf, John Schwarz y Roger Shepard. Naturalmente, los errores
que puedan persistir son de mi única responsabilidad, y no son atribuibles a
ninguna de estas personas sabias y amables.
Cualquiera que me conozca sabe de mi aversión a los
errores, que se manifiesta, por ejemplo, en mi incesante corrección de palabras
francesas, italianas y españolas en los menús de los restaurantes americanos.
Cuando descubro una inexactitud en un libro escrito por cualquier otro, me
invade la decepción y me pregunto si en verdad podré aprender algo de un autor
que ha demostrado estar equivocado como mínimo en un punto. Cuando los errores
me conciernen a mí o a mi trabajo, me pongo furioso. Así pues, el lector de
este volumen se podrá hacer fácilmente una idea de la turbación que estoy
padeciendo al imaginarme decenas de errores graves descubiertos por mis amigos
y colegas tras la publicación, y señalados, con soma o pena, a este autor tan
perfeccionista. Además, no dejo de pensar en el personaje imaginario que me
describió Robert Fox (un autor especializado en el problema de la población):
un vigilante de faro noruego que no tenía otra cosa que hacer en las largas
noches de invierno que leer nuestros libros en busca de errores.
Quisiera expresar mi especial gratitud a mi diestra
y fiel asistente, Diane Lams, por toda la ayuda que me ha prestado en el
proceso de acabado y edición del libro, por resolver mis asuntos de forma tan
competente, lo que me permitió dedicar el suficiente tiempo y energía al
proyecto y, en especial, por sobrellevar el mal carácter que muestro
frecuentemente a la vista de plazos límite.
Los editores, W.H. Freeman and Company, han sido
muy comprensivos con mis dificultades a la hora de cumplir plazos, y me
proporcionaron un maravilloso jefe de edición, Jerry Lyons (ahora en
Springer-Verlag), con quien ha sido una delicia trabajar. Quisiera agradecerle
no sólo sus esfuerzos, sino también su buen humor y afabilidad, y los muy
buenos momentos que Marcia y yo hemos pasado con él y su maravillosa esposa,
Lucky. Mi gratitud se extiende también a Sara Yoo, quien trabajó
incansablemente distribuyendo copias y revisiones a editores impacientes de
todo el mundo. Liesl Gibson merece mi agradecimiento por su cortés y muy
eficiente asistencia con las exigencias de última hora en la preparación del
manuscrito.
Es un placer reconocer la hospitalidad de las
cuatro instituciones a las que he estado ligado mientras escribía este libro:
Caltech[1], el
Instituto de Santa Fe, el Centro Aspen de Física y el Laboratorio Nacional de
Los Alamos. Quisiera mostrar mi agradecimiento a la Fundación Alfred P. Sloan y
a las agencias gubernamentales estadounidenses que han financiado mi
investigación en los últimos años: el Departamento de Energía y la Oficina de
Investigación Científica de la Fuerza Aérea. (A algunos lectores les puede
sorprender el hecho de que estas agencias financien investigaciones que, como
la mía, no están clasificadas como militares ni tienen conexión con las armas.
La ayuda otorgada a la ciencia pura por estas organizaciones es una buena
prueba de su clarividencia.) También agradezco profundamente la donación de
Jeffrey Epstein al Instituto de Santa Fe para apoyar mi trabajo.
En Los Alamos me trataron muy amablemente el
director del laboratorio. Sig Hecker, el director de la división teórica,
Richard Slansky, y el secretario de la división. Stevie Wilds. En el Instituto
de Santa Fe, cada miembro de la administración y del personal ha sido de lo más
servicial. En Caltech, el presidente, el rector y los miembros entrantes y
salientes de la división de física, matemáticas y astronomía, han sido todos
ellos muy amables, así como John Schwarz y esa maravillosa dama que ha sido la
secretaria del grupo de teoría de partículas elementales durante más de veinte
años. Hclen Tuck. En el Centro Aspen de Física todo ha orbitado desde su
fundación hace más de treinta años en torno a Sally Mencimer, y quisiera
agradecerle también a ella sus muchas amabilidades.
Escribir nunca me ha resultado fácil, probablemente
debido a que siendo niño mi padre criticaba con vehemencia cualquier cosa que
yo redactase. El que yo fuese capaz de completar este proyecto hay que
debérselo a mi amada esposa Marcia, que me inspiró y espoleó para perseverar en
el trabajo. Su contribución fue indispensable también en otros aspectos. Como
poetisa y profesora de inglés, fue capaz de curar mis peores hábitos
lingüísticos, aunque desafortunadamente aún restan muchas imperfecciones de
estilo que por supuesto, no hay que achacarle. Me persuadió para trabajar con
un ordenador, del cual me he convertido en un adicto: ahora me parece extraño
haber pensado alguna vez en pasar sin uno. Además, tratándose ella de una
persona con poco bagaje científico o matemático, pero con un profundo interés
en ambas disciplinas, ha sido el banco de pruebas ideal para este libro.
En mi labor de profesor y conferenciante, a menudo
me han aconsejado elegir a alguien de la audiencia y dirigir la charla a esa
persona en particular, tratando incluso de establecer contacto visual repetido
con ella. En cierto sentido, eso es lo que he hecho aquí. Este libro está
destinado a Marcia que me indicó incansablemente los sitios donde las
explicaciones eran insuficientes o las discusiones excesivamente abstractas. He
cambiado partes del manuscrito una y otra vez hasta que ella las comprendió y
dio el visto bueno. Como en muchos otros aspectos, disponer de más tiempo me
hubiera ayudado. Todavía hay, lamentablemente, ciertos pasajes en los que ella
hubiese deseado una mayor claridad.
Mientras daba los toques finales que me permitían
los plazos límite, me di cuenta de que nunca en mi vida había trabajado tan
intensamente. La investigación en física teórica es completamente distinta.
Naturalmente, un físico teórico piensa y ejerce muchísimo en horas
intempestivas, sea o no consciente de ello. Pero unas pocas horas de reflexión
o de cálculo, cada día o cada pocos días, más una buena cantidad de discusiones
con colegas y estudiantes, junto con el tiempo dedicado al trabajo explícito en
el escritorio o en la pizarra, suelen ser suficientes. Escribir, por el
contrario, significa invertir un buen número de horas frente al teclado
prácticamente cada día. Para una persona fundamentalmente perezosa como yo,
ello ha representado una auténtica conmoción.
Lo más apasionante de haber escrito un libro como
éste es la conciencia de que el propio proyecto era en sí mismo un sistema
complejo adaptativo. En cada fase de su composición, tenía un modelo mental (o
esquema) para el conjunto, un resumen conciso de lo que pretendía ser. Para
producir un capítulo o una parte, este resumen tenía que revestirse de gran
cantidad de detalles. Después, mi editor, mis amigos y colegas, y finalmente
Marcia y yo mismo, examinábamos lo escrito, y los comentarios y críticas resultantes
no sólo afectaban al texto de aquel capítulo, sino al propio modelo mental,
propiciando a veces su sustitución por otro. Cuando se añadían detalles al
nuevo modelo para producir más texto, se repetía el mismo proceso. De esta
manera el concepto de la totalidad del trabajo continuaba evolucionando.
El resultado de este proceso evolutivo es el libro
que el lector está a punto de leer. Espero que consiga comunicar algunas de las
emociones que experimentamos los que nos dedicamos a pensar en la cadena de
relaciones que enlazan el quark con el jaguar y con los propios seres humanos.
Parte I
Lo simple y lo complejo
Prólogo
Un encuentro en la jungla
En primer lugar, tengo que decir que nunca he visto
un jaguar en libertad. Después de mucho caminar por las selvas tropicales y
navegar por los ríos de América Central y del Sur, nunca he vivido la
emocionante experiencia de encontrarme de repente ante el enorme y poderoso
felino moteado. No obstante, algunos de mis amigos me han contado cómo el
encuentro con un jaguar puede hacerle cambiar a uno la manera de ver del mundo.
Lo más cerca que he estado de conseguirlo fue en
las selvas de las tierras bajas orientales del Ecuador, cerca del río Ñapo, un
afluente del Amazonas, en el año 1985. En esta región se han asentado indios
montañeses de habla quechua, la lengua del antiguo imperio inca. Aquí han
aclarado pequeñas parcelas en medio de la jungla donde practican la agricultura
y han bautizado con sus propios nombres algunos de los accidentes naturales del
relieve amazónico.
Sobrevolando estas tierras, que se extienden miles
de kilómetros en todas las direcciones, los ríos parecen bandas sinuosas
serpenteando por la selva. A menudo los meandros se separan paulatinamente de
la corriente principal originando lo que los geólogos llaman meandros
abandonados, lagunas cuya única conexión con la corriente principal es un
delgado hilo de agua. Los hispanohablantes de la región las llaman cochas, término
quechua que se aplica también a los lagos elevados y al mar. Desde el aire
pueden observarse todos los estadios del proceso: los meandros originales, las
cochas recientes y, por último, la lenta desecación de las mismas, reclamadas
para el bosque por una secuencia de especies vegetales que constituye una
auténtica «sucesión ecológica». Finalmente se ven desde el aire como manchas de
color verde claro sobre el verde más oscuro de la selva circundante, manchas
que, al cabo de uno o varios siglos, acaban difuminándose.
El día que estuve a punto de ver un jaguar me
encontraba en un sendero cerca de Paña Cocha, que significa «lago de las
pirañas». En este lugar mis compañeros y yo habíamos pescado y cocinado otras
veces pirañas de hasta tres especies, todas ellas exquisitas. Estos peces no
son tan peligrosos como suele creerse. Es cierto que a veces atacan a la gente
y que, si un bañista resulta mordido por alguno de ellos, es mejor que abandone
el agua para que la sangre no atraiga a otros. Pero la verdad es que, cuando tropiezan
con nosotros, lo más probable es que sean ellos los que acaben siendo
devorados.
A una hora de camino del lago ahuyentamos un grupo
de pecarís y, de inmediato, percibimos la presencia de otro gran mamífero ante
nosotros. Había un intenso olor acre, muy diferente del de los cerdos salvajes,
y se oían los crujidos de una criatura grande y pesada atravesando la maleza.
Apenas pude entrever la punta de la cola antes de que desapareciera. El rey de
los animales, el emblema del poder de sumos sacerdotes y gobernantes, había
pasado de largo.
Pero no sería un jaguar, sino otro felino más
pequeño, el que iba a tener una importancia vital para mí al hacerme ver hasta
qué punto muchos de mis intereses en apariencia inconexos estaban en realidad
ligados. Ocurrió cuatro años después del incidente en Ecuador, mientras me
hallaba realizando estudios de campo sobre la flora y la fauna en otra área
selvática de la América tropical, lejos de los antiguos dominios de los incas.
En aquella región había florecido en el pasado otra gran civilización precolombina:
la de los mayas. Me encontraba al noroeste de Belice, cerca de las fronteras
guatemalteca y mejicana, en un lugar llamado Chan Chich, que significa «pequeño
pájaro» en el dialecto maya local.
Todavía hoy se habla la lengua maya en esta parte
de Centroamérica, y pueden encontrarse por doquier huellas de la civilización
maya clásica, las más notables de las cuales son las ruinas de ciudades
abandonadas. Una de las mayores es Tikal, con sus gigantescas pirámides y
templos, situada en el extremo nororiental de Guatemala, a poco más de cien
kilómetros de Chan Chich.
Las especulaciones sobre el derrumbamiento de la
civilización maya, ocurrido hace más de mil años, son abundantes, pero las
auténticas causas constituyen todavía hoy un misterio y una fuente de
controversias. ¿Se cansó el pueblo llano de trabajar en beneficio de nobles y
gobernantes? ¿Perdieron la fe en el elaborado sistema religioso que sostenía a
la élite en el poder y mantenía intacto el entramado social? ¿Les llevaron a la
catástrofe las guerras intestinas entre las múltiples ciudades-Estado? ¿Fracasaron
finalmente las notables técnicas agrícolas que mantenían a tan vastas
poblaciones en plena selva? Los arqueólogos continúan buscando respuesta a
éstas y otras preguntas, considerando al mismo tiempo la relación entre el
hundimiento definitivo de la civilización clásica en la selva y lo sucedido en
las regiones más áridas del Yucatán, donde la civilización clásica dio paso a
la civilización postclásica, de influencia tolteca.
Naturalmente, la visita a unas excavaciones tan
imponentes como las de Tikal es inolvidable, pero la jungla brinda otros
placeres a aquellos que ansían explorar terrenos menos conocidos. Uno de ellos
es el descubrimiento inesperado de alguna de las muchas ruinas no señaladas en
los mapas.
En la distancia, las ruinas parecen montículos
cubiertos de árboles y arbustos en medio de la jungla, pero al mirar más de
cerca se adivinan las antiguas construcciones cubiertas de musgo, helechos y
enredaderas. Escudriñando entre el follaje uno puede hacerse idea de la forma y
dimensiones del lugar, especialmente desde un punto elevado. Desde allí, por un
instante, puede uno aclarar con la imaginación la selva y restaurar un pequeño
enclave maya en todo su esplendor.
La selva que rodea Chan Chich no sólo es rica en
restos arqueológicos, sino también en fauna. Uno puede contemplar tapires
adultos irguiendo su corta trompa mientras vigilan a sus pequeñas crías de
pelaje manchado, y admirar el brillante plumaje del pavo ocelado, especialmente
el de los machos, con su llamativa cabeza azul cubierta de pequeñas verrugas
rojas. Por la noche, dirigiendo una linterna a lo alto de los árboles, se
pueden descubrir kinkajúes de grandes ojos agarrados a las ramas con sus colas prensiles.
Toda mi vida he sido un apasionado de la
ornitología, y me resulta especialmente placentero registrar las voces de los
pájaros ocultos en la selva y reproducir sus cantos o llamadas para atraerlos y
observarlos de cerca (aparte de grabarlos mejor). Un día de finales de
diciembre me hallaba paseando en busca de pájaros por un sendero solitario
cerca de Chan Chich.
En un principio mi paseo resultó infructuoso. No
pude ver ni grabar ninguna de las aves que buscaba y, tras más de una hora de
camino, ya no prestaba atención a los cantos de los pájaros ni a los
movimientos en el follaje. Mis pensamientos habían derivado hacia la disciplina
que ha ocupado buena parte de mi v ida profesional: la mecánica cuántica.
Durante la mayor parte de mi carrera como físico
teórico mis investigaciones han versado sobre partículas elementales, las
piezas básicas que constituyen toda la materia del universo. A diferencia de
los físicos de partículas experimentales, no tengo necesidad de tener al lado
un gigantesco acelerador o un laboratorio subterráneo para llevar a cabo mi
trabajo. No hago un uso directo de complejos detectores y no requiero, por
tanto, de la colaboración de un gran equipo de profesionales. Como mucho necesito
lápiz, papel y una papelera, y muchas veces ni siquiera eso. Dadme un sueño
reparador, un entorno sin distracciones y liberadme por un tiempo de
preocupaciones y obligaciones y podré trabajar. Ya sea en la ducha, o en un
vuelo nocturno, suspendido en la penumbra entre la vigilia y el sueño, o
paseando por un sendero solitario, mi trabajo puede acompañarme dondequiera que
vaya.
La mecánica cuántica no es en sí misma una teoría;
es más bien el marco en el que debe encajar toda teoría física moderna. Este
marco, como es bien sabido, implica el abandono del determinismo que
caracterizaba a la física «clásica», dado que la mecánica cuántica sólo
permite, por principio, el cálculo de probabilidades. Los físicos saben cómo
emplearla para predecir las probabilidades de los resultados posibles de un
experimento, y desde su descubrimiento en 1924 siempre ha funcionado a la
perfección dentro de los límites de la teoría y el experimento considerados en
cada caso. Sin embargo, pese a que su exactitud está fuera de toda duda, aún no
comprendemos en profundidad su significado, especialmente cuando se aplica a la
totalidad del universo. Durante más de treinta años, unos cuantos físicos
teóricos hemos intentado elaborar lo que yo llamo «la interpretación moderna»
de la mecánica cuántica, que permite aplicar esta disciplina al universo y
tratar también con sucesos particulares que impliquen objetos individuales, en
lugar de restringirse a experimentos repetibles sobre porciones de materia
fácilmente reproducibles. Mientras caminaba por la selva cerca de Chan Chich,
meditaba sobre el modo en que la mecánica cuántica puede emplearse, en
principio, para tratar con la individualidad, para describir qué pieza de fruta
se comerán los loros o las diversas formas en que un árbol en crecimiento puede
hacer añicos las piedras de un templo en ruinas.
El hilo de mis pensamientos se rompió cuando, a
unos cien metros de distancia, apareció ante mí una figura oscura. Me detuve y
levanté lentamente mis binoculares para verla con más detalle. Resultó ser un
jaguarondi, un felino de tamaño medio. Estaba parado en medio del camino, de
perfil y con la cabeza vuelta hacia mí, lo que me permitió observar el
característico cráneo aplastado, el cuerpo alargado y las cortas patas
delanteras —rasgos que le han valido también el nombre de «gato nutria»—. Su
longitud, aproximadamente un metro, y el color del pelaje —un gris oscuro
uniforme, casi negro— indicaban que se trataba de un ejemplar adulto de la
variedad oscura (hay otra variedad rojiza). Imagino que llevaba allí un buen
rato, con sus ojos parduscos fijos en mí mientras yo, absorto en los misterios
de la mecánica cuántica, me acercaba a él. Aunque es de suponer que estaba
preparado para huir ante el menor peligro, el animal parecía completamente
tranquilo. Nos observamos mutuamente, inmóviles los dos, durante lo que me
parecieron varios minutos. No se movió ni siquiera cuando me aproximé a sólo
unos treinta metros de distancia. Luego, satisfecha su curiosidad sobre mi
persona, el felino volvió la mirada hacia la jungla, bajó la cabeza y
desapareció lentamente entre los árboles.
Una visión como ésta es poco frecuente. El
jaguarondi es un animal tímido y, debido a la destrucción de sus hábitats
naturales en México, Centroamérica y América del Sur, su número ha decrecido en
los últimos años; en la actualidad figura en la Lista roja de animales
amenazados. Por otra parte, esta criatura es, por lo visto, incapaz de
reproducirse en cautividad. Mi experiencia con aquel jaguarondi en particular
entró en resonancia con mis ideas sobre la noción de individualidad, y me hizo
recordar otro encuentro anterior en la naturaleza.
Un día de 1956, siendo un muy joven profesor en
Caltech, mi primera esposa Margaret y yo, casados hacía muy poco, viajábamos en
nuestro descapotable de regreso a Pasadena desde la Universidad de California
en Berkeley, donde yo había impartido algunos seminarios de física teórica. En
aquellos días los profesores universitarios vestíamos de modo un poco más
formal que ahora —yo llevaba un traje de franela gris y Margaret una falda y un
suéter, con medias y zapatos de tacón alto—. Circulábamos por la carretera 99
(que aún no se había convertido en autopista) a la altura de Tejón Pass, entre
Bakersfíeld y Los Angeles. Siempre que pasábamos por aquella zona yo solía
mirar al cielo con la esperanza de ver un cóndor de California. Esta vez divisé
una silueta de gran tamaño volando a baja altura sobre nosotros, que
desapareció rápidamente tras una colina situada a nuestra derecha. Como no
estaba seguro de lo que era, resolví averiguarlo. Aparqué rápidamente al lado
de la carretera, cogí mis prismáticos, salí del coche y trepé por la colina,
hundiéndome a cada paso en la gruesa capa de fango rojo que cubría la mayor
parte del sendero. A mitad de camino miré atrás y vi a Margaret no lejos de mí,
con su elegante atuendo tan cubierto de barro como el mío. Alcanzamos juntos la
cima y, al mirar hacia abajo, vimos un terreno en el que yacía un ternero
muerto. Sobre él, en pleno festín, había once cóndores de California, casi la
totalidad de la población de la especie en aquella época. Estuvimos observando
un buen rato cómo comían, volaban un poco, se posaban de nuevo, paseaban
alrededor del cadáver y volvían a comer. Yo ya sabía de su enorme tamaño (unos
tres metros de envergadura), su cabeza pelada brillantemente coloreada y su
plumaje blanco y negro. Lo que me llamó la atención fue el hecho de que se
podían distinguir unos de otros por las plumas que les faltaban. Uno había
perdido un par de plumas remeras del ala izquierda, otro tenía una muesca en
forma de cuña en la cola, y ninguno tenía el plumaje intacto del todo. El efecto
era bastante chocante: cada ave era de hecho un individuo fácilmente
identificable, siendo sus señas de identidad el resultado directo de accidentes
históricos. Me pregunté si aquellas pérdidas de plumaje eran permanentes,
consecuencia de una vida larga y azarosa, o temporales, resultado simplemente
de la muda anual (más tarde supe que los cóndores renuevan por completo su
plumaje cada año). Aunque estamos acostumbrados a pensar en los seres humanos
(y en nuestro perro o nuestro gato) como individuos, la visión de aquellos
cóndores fácilmente reconocibles reforzó poderosamente mi apreciación de hasta
qué punto percibimos el mundo como compuesto de objetos individuales, animados
o no, cada uno con su historia particular.
Treinta años más tarde, en la selva
centroamericana, contemplando el lugar por donde había desaparecido el
jaguarondi, mientras rememoraba los desaliñados cóndores y recordaba que justo
antes había estado meditando sobre historia e individualidad en mecánica
cuántica, comprendí de repente que mis dos mundos, el de la física fundamental
y el de los cóndores, los jaguarondis y las ruinas mayas, se habían unido al
fin.
He vivido durante décadas entre dos pasiones
intelectuales, por una parte mi labor profesional, en la que trato de
comprender las leyes universales que gobiernan los constituyentes últimos de
toda la materia, y por otra parte mi vocación de estudiante aficionado de la
evolución de la vida y la cultura humana. Siempre tuve la impresión de que, de
alguna forma, ambas pasiones estaban íntimamente ligadas, pero durante mucho
tiempo fui incapaz de descubrir cómo (a excepción del tema común de la belleza
de la naturaleza).
Parece que haya un enorme vacío entre la física
fundamental y mis otros pasatiempos. En la física de partículas elementales
tratamos con entes como los fotones y los electrones, cada uno de los cuales se
comporta exactamente de la misma forma dondequiera que estén en el universo. De
hecho, todos los electrones son rigurosamente intercambiables, igual que los
fotones. Las partículas elementales no tienen individualidad.
Suele pensarse que las leyes de la física de
partículas son exactas, universales e inmutables (dejando de lado posibles
consideraciones cosmológicas), a pesar de que los físicos las abordamos a
través de aproximaciones sucesivas. Por contra, disciplinas tales como la
arqueología, la lingüística y la historia natural se ocupan de imperios,
lenguajes y especies individuales, y en una escala más reducida, de artefactos,
palabras y organismos individuales, incluyendo los propios seres humanos. En
estas disciplinas las leyes son aproximadas, y tratan de la historia y de la
evolución que experimentan las especies biológicas, los lenguajes humanos o las
culturas.
Ahora bien, las leyes mecanocuánticas fundamentales
de la física ciertamente dan lugar a la individualidad. La evolución física del
universo, regida por dichas leyes, ha producido objetos particulares
diseminados por todo el cosmos, como nuestro propio planeta, y después, a
través de procesos como la evolución biológica en la Tierra, las mismas leyes
han dado lugar a objetos particulares como el jaguarondi y los cóndores,
capaces de adaptarse y aprender, y, por último, objetos particulares como los
seres humanos, capaces de desarrollar el lenguaje y la civilización y de
descubrir esas mismas leyes físicas fundamentales.
Durante algunos años mi trabajo estuvo dedicado a
esta cadena de relaciones tanto como a las propias leyes fundamentales. Estuve
pensando, por ejemplo, en la distinción entre los sistemas complejos
adaptativos, que experimentan procesos como el aprendizaje y la evolución
biológica, y los sistemas que, como las galaxias o las estrellas, experimentan
otros tipos de evolución no adaptativa. Algunos ejemplos de sistemas complejos
adaptativos pueden ser un niño aprendiendo su lengua materna, una cepa de bacterias
volviéndose resistente a un determinado antibiótico, la comunidad científica
comprobando la validez de una nueva teoría, un artista desarrollando su
creatividad, una sociedad adoptando nuevas costumbres o nuevas supersticiones,
un ordenador programado para elaborar nuevas estrategias para ganar al ajedrez
o el género humano, buscando nuevas maneras de vivir en mayor armonía consigo
mismo y con el resto de organismos con los que comparte el planeta.
La investigación de estos sistemas y de sus
propiedades comunes, así como el trabajo sobre la interpretación moderna de la
mecánica cuántica y sobre el significado de la simplicidad y la complejidad,
había experimentado notables progresos. Para favorecer el estudio
interdisciplinario de estas materias, yo mismo había colaborado en la fundación
del Instituto de Santa Fe en Nuevo México.
Mi encuentro con el jaguarondi en Belice reforzó mi
conciencia de los progresos que mis colegas y yo habíamos hecho en la mejor
comprensión de las relaciones entre lo simple y lo complejo, entre lo universal
y lo individual, entre las leyes básicas de la naturaleza y los asuntos
individuales y mundanos que siempre me habían atraído.
Cuanto más aprendía acerca del carácter de esas
relaciones, con más vehemencia deseaba comunicárselo a otros. Por primera vez
en mi vida, sentí la necesidad de escribir un libro.
Capítulo 2
Luz temprana
El título de este libro está inspirado en un poema
de mi amigo Arthur Sze, un espléndido poeta chinoamericano que vive en Santa Fe
y que conocí a través de su esposa Ramona Sakiestewa, una tejedora hopi de gran
talento. Como lo expresa él, «el mundo del quark lo tiene todo para dar cuenta
de un jaguar caminando en círculo en la noche».
Los quarks son las partículas elementales que
constituyen el núcleo atómico. Soy uno de los dos teóricos que predijo su
existencia, y fui yo quien les puso nombre. En el título, el quark simboliza
las leyes físicas básicas y simples que gobiernan el universo y toda la materia
que éste contiene. Sé que para mucha gente el calificativo de «simple» no es
precisamente el que mejor define la física contemporánea, pero explicar cómo
debe entenderse esta simplicidad es uno de los objetivos de este libro.
El jaguar representa la complejidad del mundo que
nos rodea, especialmente tal como se manifiesta en los sistemas complejos
adaptativos. La imagen de Arthur del quark y el jaguar transmite perfectamente
mi idea de lo simple y lo complejo: de un lado, las leyes físicas subyacentes
de la materia y el universo, y del otro, el rico entramado del mundo que
percibimos directamente y del que formamos parte. Así como el quark es un
símbolo de las leyes físicas que, una vez descubiertas, aparecen diáfanas ante
el ojo analítico de la mente, el jaguar es, al menos para mí, una metáfora de
los esquivos sistemas complejos adaptativos que continúan eludiendo una visión
analítica clara, aunque su olor acre puede sentirse en la espesura. Ahora bien,
¿cómo surgió en mi niñez la fascinación por disciplinas como la historia
natural, y cómo y por qué decidí finalmente hacerme físico?
Un niño curioso
Una gran parte de mi formación temprana se la debo
a mi hermano Ben, nueve años mayor que yo. Fue él quien, cuando yo tenía tres
años, me enseñó a leer (en la tapa de una caja de galletas) y me inició en la
observación de aves y mamíferos, la botánica y el coleccionismo de insectos.
Vivíamos en Nueva York, la mayor parte del año en Manhattan, pero incluso allí
podía observarse la naturaleza. Pasábamos mucho tiempo en un bosquecillo de
coníferas justo al norte del zoo del Bronx, lo poco que quedaba de un antiguo
bosque que en el pasado debía abarcar toda el área urbana. Fragmentos de otros
hábitats pervivían en lugares como las lagunas de Van Cortland Park, la playa y
marismas de New Dorp, en Staten Island, e incluso Central Park, al lado de
casa, donde podían verse algunas aves interesantes, especialmente durante las
migraciones de primavera y otoño.
En estos lugares pude experimentar la diversidad de
la naturaleza y el modo fascinante en que ésta se organiza. Si uno camina por
la orilla de un pantano y ve un gorjeador o escucha su canto, sabe que lo más
probable es que descubra otro poco después. Si uno desentierra un fósil, es
probable que tropiece con otro parecido en las proximidades. Siendo ya físico
me devanaba los sesos intentando averiguar el papel de las leyes físicas
fundamentales en tales situaciones. La respuesta tiene que ver con el papel de
la historia en la mecánica cuántica, y la explicación última reside en el
estado primigenio del universo. Pero, dejando aparte cuestiones físicas tan
profundas, el tema, menos abstruso, de la especiación como fenómeno biológico
merece una consideración aparte.
La existencia de cosas tales como las especies no
es en absoluto trivial. No son, como se ha dicho a veces, artefactos de la
mente del biólogo. El gran ornitólogo y biogeógrafo Ernst Mayr suele contar
cómo, al principio de su carrera, identificó ciento veintisiete especies entre
las aves que nidificaban en un valle de Nueva Guinea. Los nativos del lugar
distinguían ciento veintiséis; la única discrepancia era que ellos no
diferenciaban entre dos especies del género Gerygone, muy
similares, que Ernst sí podía discernir gracias a su adiestramiento como
naturalista. Pero más importante todavía que el grado de concordancia entre
gentes de distinta procedencia es el hecho de que las mismas aves pueden
decirnos si pertenecen o no a la misma especie. Los animales de especies
distintas no suelen aparearse entre sí y, en los raros casos en que esto
sucede, los híbridos que resultan suelen ser estériles. De hecho, una de las
mejores definiciones de especie es aquélla que establece que entre miembros de
especies diferentes no existe, por los medios ordinarios, un intercambio
efectivo de genes.
En mis primeros paseos por la naturaleza me llamaba
la atención el hecho de que, ciertamente, las mariposas, aves y mamíferos que
veía podían asignarse netamente a alguna especie. En un paseo por el campo uno
puede ver gorriones canoros, gorriones de los pantanos, gorriones campestres y
gorriones gorgiblancos, pero no verá ningún gorrión que se halle entre dos de
estas categorías. Las disputas sobre si dos poblaciones pertenecen o no a la
misma especie suelen surgir cuando se trata de poblaciones separadas en el
espacio o bien en el tiempo, con al menos una de ellas representada en el
registro fósil. A Ben y a mí nos gustaba discutir sobre las relaciones
evolutivas entre las especies, que son como las ramas de un árbol evolutivo
cuya estructura queda representada por los agolpamientos posibles en géneros,
familias y órdenes. Cuanto más distante es el parentesco entre dos especies más
abajo hay que ir en el árbol para encontrar un antecesor común.
Ben y yo no pasábamos todo el tiempo al aire libre.
También visitábamos museos de arte, con especial predilección por los que
incluían abundante material arqueológico (como el Metropolitan Museum of Art) u
objetos de la Europa medieval (como el museo Cloisters). Leíamos libros de
historia y aprendimos a descifrar algunas inscripciones egipcias. Nos
entreteníamos estudiando la gramática latina, francesa y española, y caímos en
la cuenta de que muchas palabras del francés y el español (así como muchas de las
palabras que el inglés ha tomado prestadas) derivaban del latín. Las lecturas
acerca de la familia de las lenguas indoeuropeas nos enseñaron que muchas
palabras inglesas, latinas o griegas tenían un origen común, con leyes de
transformación regulares. Por ejemplo, la palabra «sal» (salí en
inglés) corresponde a sal en latín y a halos en
griego, mientras que la palabra «seis» (six en inglés)
corresponde a s'ex en latín y a hex en griego; la letra s inicial
del inglés y el latín deriva de un sonido griego indicado con la letra h y
consistente en una exhalación rápida. Aquí tenemos otro árbol evolutivo, esta
vez aplicable a las lenguas.
Los procesos históricos, los árboles evolutivos, la
diversidad organizada y la variabilidad individual se encontraban por doquier.
Nuestra exploración de la diversidad también nos hizo ver que en muchos casos
ésta se encontraba en peligro. Ben y yo fuimos conservacionistas precoces.
Contemplábamos cómo las escasas áreas alrededor de Nueva York que se mantenían
en un estado más o menos natural se iban reduciendo y los pantanos, por
ejemplo, eran desecados y urbanizados.
Ya en la década de los treinta habíamos adquirido
una aguda conciencia de la finitud del planeta, de la degeneración de las
comunidades vegetales y animales a causa de la actividad humana y de la
importancia del control demográfico, así como de la conservación del suelo, de
la protección de los bosques y cosas por el estilo. Naturalmente, la necesidad
de estas reformas aún no estaba ligada en mi pensamiento con la evolución, a
escala planetaria, de la sociedad humana hacia una sociedad más sostenible, aunque
así es como lo veo ahora. Aun así, ya entonces especulaba sobre el futuro de la
especie humana, especialmente estimulado por las novelas y cuentos de ciencia
ficción de H.G. Wells, que me encantaba leer.
También devoraba libros de cuentos y, junto con
Ben, leía antologías de poesía inglesa. De vez en cuando íbamos a algún
concierto, incluso a la ópera, pero éramos muy pobres y casi siempre teníamos
que contentamos con actividades que no costasen dinero. Hicimos algunas
tentativas de tocar el piano y de cantar arias y canciones de Gilbert y
Sullivan. Escuchábamos la radio buscando emisoras lejanas, tanto de onda larga
como corta, y cuando conseguíamos sintonizar una escribíamos para que nos
enviasen una tarjeta postal. Recuerdo vívidamente las de Australia, con
imágenes del pájaro cucaburra.
Ben y yo ansiábamos comprender el mundo y disfrutar
de él, sin establecer divisiones arbitrarias. No distinguíamos entre las
ciencias naturales, las ciencias sociales y del comportamiento, las humanidades
o las artes. De hecho, nunca he creído en la primacía de tales distinciones. Lo
que siempre me ha llamado la atención es la unidad de la cultura humana, donde
la ciencia ocupa una parte importante. Incluso la distinción entre naturaleza y
cultura humana es poco nítida, pues hay que recordar que también nosotros somos
parte de la naturaleza.
La especialización, aunque no deja de ser un rasgo
necesario de nuestra civilización, debe complementarse con la integración a
través del pensamiento interdisciplinario. Uno de los obstáculos que siguen
oponiéndose a dicha integración es la línea divisoria entre los que se sienten
cómodos con las matemáticas y los que no. Yo tuve la fortuna de poder ejercitar
el razonamiento cuantitativo desde una edad temprana.
Aunque a Ben también le interesaban la física y las
matemáticas, fue mi padre quien más me animó a estudiar ambas cosas. Inmigrante
austrohúngaro, a principios de siglo interrumpió sus estudios en la Universidad
de Viena para trasladarse a Estados Unidos y reunirse con sus padres, que
habían emigrado unos años antes a Nueva York y tenían problemas para salir
adelante. El primer trabajo de mi padre fue en un orfanato de Filadelfia, donde
aprendió a hablar inglés y a jugar al béisbol. Aunque su adopción de la lengua
inglesa fue tardía, la hablaba perfectamente, sin errores gramaticales ni
fonéticos. Sólo podía adivinarse que era extranjero precisamente porque nunca
cometía errores.
En los años veinte, después de ejercer unos cuantos
trabajos, abrió la Arthur Gell-Mann School of Languages, donde enseñaba a otros
inmigrantes a hablar un inglés impecable. También daba clases de alemán y
contrató profesores de francés, español, italiano y portugués. La escuela tuvo
cierto éxito, pero en 1929, el año en que nací yo, las cosas comenzaron a
cambiar. No sólo se produjo la quiebra de la bolsa, sino que entró en vigor una
severa ley de restricción de la inmigración. El número de alumnos potenciales
de mi padre disminuyó por culpa de la nueva legislación y los que había se
empobrecieron por culpa de la Depresión. Cuando yo tenía tres años, la escuela
tuvo que cerrar y mi padre tuvo que emplearse en un banco para mantenernos, y
crecí pensando en los viejos y buenos tiempos que no llegué a conocer.
Mi padre estaba interesado en las matemáticas, la
física y la astronomía, y cada día podía pasarse horas encerrado en su estudio
absorto en los libros sobre relatividad especial y general y sobre la expansión
del universo. Fue él quien despertó mi interés por las matemáticas, que con el
tiempo llegarían a apasionarme y admirarme por su coherencia y rigor.
En mi último año de bachillerato, a la hora de
rellenar la solicitud de ingreso en Yale, tenía que decidir qué estudios quería
cursar. Mi padre, con quien consulté la cuestión, no ocultó su desdén ante mi
intención de estudiar arqueología o lingüística, argumentando que me moriría de
hambre, y me propuso estudiar ingeniería, a lo que repliqué que, aparte de
pasar más hambre todavía, cualquier ingenio que yo diseñase probablemente
acabaría desmoronándose (más adelante, como resultado de un test de aptitud, se
me recomendó «¡cualquier cosa menos ingeniería!»). Así que, como solución de
compromiso, mi padre me propuso estudiar física.
Le dije que mis notas de física habían sido las
peores de todo el bachillerato y que era la única asignatura que me había ido
mal; que habíamos tenido que memorizar cosas como las siete máquinas simples:
la palanca, el tomo, el plano inclinado y cosas por el estilo; que habíamos
estudiado mecánica, calor, sonido, luz, electricidad y magnetismo, pero sin
ninguna conexión entre los temas.
Mi padre pasó entonces de los argumentos económicos
a los intelectuales y estéticos. Me aseguró que la física avanzada me
resultaría mucho más interesante y satisfactoria que la del bachillerato, y que
me apasionarían la relatividad y la mecánica cuántica. Decidí complacerlo a
sabiendas de que podría cambiar de carrera cuando llegase a New Haven. Pero una
vez allí desaparecieron las ganas de cambiar, y al cabo de poco tiempo ya
estaba enganchado y comenzaba a disfrutar de la física teórica. Mi padre tenía
razón en lo referente a la relatividad y la mecánica cuántica. A medida que las
estudiaba iba comprendiendo que la belleza de la naturaleza se manifestaba
tanto en la elegancia de sus principios como en el grito de un colimbo o en las
estelas bioluminiscentes que dejan las marsopas en la noche.
Sistemas complejos adaptativos
Un maravilloso ejemplo de esa simplicidad en los
principios de la naturaleza es la ley de la gravedad, y en concreto la teoría
de la gravitación formulada en la relatividad general de Einstein (aunque para
la mayoría de la gente esta teoría es cualquier cosa menos simple). En el curso
de la evolución física del universo, el fenómeno de la gravitación dio origen a
la agregación de la materia en galaxias y más tarde en estrellas y planetas,
entre ellos nuestra Tierra. Desde el mismo momento de su formación, tales
cuerpos ya manifestaban una cierta complejidad, diversidad e individualidad,
pero estas propiedades adquirieron un nuevo significado con la aparición de los
sistemas complejos adaptativos. En la Tierra este hecho estuvo ligado a los
procesos del origen de la vida y la evolución biológica, que han generado la
gran diversidad de especies existente. Nuestra propia especie, que al menos en
algunos aspectos es la más compleja de las que han evolucionado hasta ahora en
este planeta, ha llegado a descubrir gran parte de la simplicidad subyacente,
incluyendo la teoría de la gravitación misma.
La investigación en las ciencias de la complejidad,
tal como se desarrolla en el Instituto de Santa Fe y en cualquier parte del
mundo, no sólo intenta desentrañar el significado de lo simple y lo complejo,
sino también las semejanzas y diferencias entre los sistemas complejos
adaptativos implicados en procesos tan diversos como el origen de la vida, la
evolución biológica, la dinámica de los ecosistemas, el sistema inmunitario de
los mamíferos, el aprendizaje y los procesos mentales en los animales (incluido
el hombre), la evolución de las sociedades humanas, el comportamiento de los
inversores en los mercados financieros y el empleo de programas y/o equipos
informáticos diseñados para desarrollar estrategias o hacer predicciones
basadas en observaciones previas.
Lo que tienen en común todos estos procesos es la
existencia de un sistema complejo adaptativo que adquiere información acerca
tanto de su entorno como de la interacción entre el propio sistema y dicho
entorno, identificando regularidades, condensándolas en una especie de
«esquema» o modelo y actuando en el mundo real sobre la base de dicho esquema.
En cada caso hay diversos esquemas en competencia, y los resultados de la
acción en el mundo real influyen de modo retroactivo en dicha competencia.
En muchos aspectos, cada uno de nosotros funciona
como un sistema complejo adaptativo (de hecho, el término «esquema» se emplea
desde hace tiempo en psicología para referirse a una estructura conceptual de
la que el ser humano hace uso para comprender un conjunto de datos, para darle
sentido).
Imaginemos que estamos en una ciudad extraña a una
hora punta de la tarde intentando coger un taxi en una concurrida avenida que
parte del centro. Vemos que los taxis pasan de largo sin pararse, muchas veces
porque ya están ocupados, y nos percatamos de que en ese caso la luz del techo
está apagada. ¡Aja! Hay que fijarse en los taxis con la luz del techo
encendida. Entonces descubrimos que hay taxis que, a pesar de llevar esa luz
encendida y no llevar pasajeros, tampoco paran. Hay que modificar el esquema. Pronto
nos percatamos de que la luz del techo consta de una parte interna y una
externa en donde puede leerse «fuera de servicio». Lo que necesitamos es un
taxi que lleve encendida sólo la parte interna. Nuestra nueva idea se confirma
cuando a una manzana de distancia vemos dos taxis que, tras dejar a sus
pasajeros, encienden únicamente la luz interna del techo. Pero estos taxis son
inmediatamente ocupados por otros peatones. Unos cuantos más acaban su carrera
a poca distancia, pero también son ocupados enseguida. Aquí nos sentimos
impelidos a ampliar nuestra búsqueda de un esquema válido, hasta que observamos
que en sentido contrario pasan muchos taxis con sólo la luz interna encendida.
Cruzamos la avenida, paramos uno y subimos.
Como ilustración adicional, imaginemos que se nos
somete a un experimento psicológico en el que se nos muestra una larga
secuencia de imágenes de objetos familiares. Las imágenes representan cosas
diversas, y cada una puede aparecer varias veces. Cada cierto tiempo se nos
pide que adivinemos qué imágenes van a aparecer. Entonces construimos esquemas
mentales de la secuencia, inventando teorías sobre la estructura de ésta
basadas en las imágenes que hemos visto antes. Cualquiera de estos esquemas,
suplementado con la memoria de las últimas imágenes mostradas, nos permite
hacer predicciones. Lo normal es que estas predicciones comiencen siendo
erróneas, pero si la secuencia tiene una estructura fácil de captar, la
discrepancia entre predicción y observación hará que los esquemas erróneos sean
descartados en favor de otros mejores y pronto podremos prever con precisión
cuál será la próxima imagen.
Imaginemos ahora un experimento similar ejecutado
por un psicólogo sádico que nos muestra una secuencia sin estructura alguna.
Probablemente continuaríamos elaborando esquemas fallidos que sólo acertarán de
vez en cuando por puro azar. En este caso, los resultados en el mundo real no
proporcionan ninguna guía para la elección de otro esquema que no sea «esta es
una secuencia sin ton ni son». Pero a los seres humanos les cuesta aceptar una
conclusión así.
Cuando alguien planea una nueva aventura comercial,
mejora una receta o aprende un lenguaje, se está comportando como un sistema
complejo adaptativo. Cuando uno adiestra un perro, está observando las acciones
de un sistema complejo adaptativo y a la vez se está comportando como tal (si
ocurre más lo segundo que lo primero, como suele ser el caso, es posible que
sea el perro quien esté adiestrándole a uno). Cuando uno invierte en bolsa se
convierte, junto con los otros inversores, en un sistema complejo adaptativo
que forma parte de una entidad colectiva en evolución a través de los esfuerzos
de todos sus componentes para mejorar su posición o, por lo menos, para
sobrevivir económicamente. Tales entidades colectivas organizadas, del tipo de
una empresa o una tribu, constituyen sistemas complejos adaptativos en sí
mismas. La humanidad en conjunto no está aún demasiado bien organizada, pero en
un grado considerable ya funciona también como un sistema complejo adaptativo.
El aprendizaje en su sentido habitual no es el
único ejemplo de sistema complejo adaptativo. La evolución biológica
proporciona muchos otros. Mientras que los seres humanos adquieren conocimiento
principalmente a través del uso individual o colectivo de su cerebro, en los
otros animales la herencia genética es responsable de una fracción mucho mayor
de la información necesaria para la supervivencia; esta información, fruto de
millones de años de evolución, subyace en lo que, de modo bastante vago, suele
denominarse «instinto». Las mariposas monarca nacidas en diferentes lugares de
los Estados Unidos «saben» emigrar hasta las laderas cubiertas de coníferas de
los volcanes mejicanos, donde se concentran en gran número para pasar el
invierno. Isaac Asimov, el conocido ex bioquímico, divulgador científico y
escritor de ciencia ficción, me contó que en cierta ocasión mantuvo un debate
público con un físico teórico que negaba que un perro tuviese conocimiento de
las leyes del movimiento de Newton. Indignado, Isaac le preguntó si seguiría
pensando lo mismo después de ver a un perro atrapando al vuelo un plato de
plástico con la boca. Es obvio que la palabra «conocimiento» no tenía el mismo
significado para ambos. Para el físico sería el resultado de un aprendizaje en
el contexto cultural de la empresa científica humana; para Isaac sería el fruto
de la evolución biológica a través de la información inscrita en los genes,
suplementada con algo de aprendizaje basado en la experiencia.
También es la evolución biológica la que ha hecho
surgir en los organismos la capacidad de aprender, ya sea en los paramecios,
los perros o las personas. Asimismo, este proceso ha dado lugar a otras formas
de sistema complejo adaptativo. Un ejemplo es el sistema inmunitario de los
mamíferos, donde tienen lugar procesos muy similares a los de la evolución
biológica, pero a una escala temporal de horas o días en lugar de millones de
años. Tales procesos permiten identificar a tiempo los organismos invasores o
las células extrañas y producir la oportuna respuesta inmunitaria.
Los sistemas complejos adaptativos muestran una
tendencia general a generar otros sistemas de la misma categoría. La evolución
biológica, por ejemplo, puede conducir tanto a soluciones «instintivas» de los
problemas que debe afrontar un organismo como al desarrollo de una inteligencia
suficiente para resolver los mismos problemas mediante el aprendizaje. El
diagrama de la página siguiente ilustra las relaciones entre diversos sistemas
complejos adaptativos terrestres. Hace unos cuatro mil millones de años, determinadas
reacciones químicas que incluían algún mecanismo de reproducción y de
transmisión de las variaciones condujeron a la aparición de la primera forma de
vida y después a los diversos organismos que constituyen las comunidades
ecológicas. Más tarde la vida originó nuevos sistemas complejos adaptativos,
como el sistema inmunitario y los procesos de aprendizaje. En los seres humanos
el desarrollo de la capacidad para el lenguaje simbólico convirtió el
aprendizaje en una actividad cultural elaborada, y dentro de la cultura humana
han surgido nuevos sistemas complejos adaptativos: sociedades, organizaciones,
la economía o la ciencia, por citar unos cuantos. Ahora que la cultura humana
ha creado ordenadores rápidos y poderosos, tenemos la posibilidad de hacer que
actúen también como sistemas complejos adaptativos.
En el futuro la cultura humana puede dar lugar a
nuevos sistemas complejos adaptativos. Un ejemplo, que ha sido tratado por la
literatura de ciencia ficción, me llamó por primera vez la atención cuando, a
principios de los cincuenta, el gran físico húngaro-norteamericano Leo Szilárd,
ya retirado, nos invitó a un colega y a mí a asistir a un congreso
internacional sobre control de armas. M i colega, «Murph» Goldberger (que sería
presidente de Caltech y después director del Instituto de Estudios Avanzados de
Princeton), replicó que sólo podría asistir a la segunda mitad del congreso; yo
por mi parte respondí que sólo podría asistir a la primera mitad. Leo pensó un
momento y después nos dijo: «No, no puede ser; vuestras neuronas no están
interconectadas».
Es posible que algún día, para bien o para mal,
tales interconexiones puedan llevarse a cabo. Un ser humano podría conectarse a
un ordenador avanzado directamente (no a través de una consola o de la palabra)
y a través de ese ordenador podría conectarse a otras personas. Los
pensamientos y emociones podrían compartirse en su totalidad, no del modo
selectivo y engañoso que permite el lenguaje. (Según una máxima atribuida a
Voltaire, «los hombres... emplean el lenguaje sólo para disimular sus
pensamientos».) Mi amiga Shirley Hufstedler dice que estar unidos por cables es
algo que no recomendaría a una pareja a punto de casarse. Por mi parte no estoy
seguro de que este procedimiento sea recomendable en ningún caso (aunque, si
todo fuera bien, quizá podría aliviar algunos de los problemas humanos más
intratables). Pero ciertamente crearía una nueva forma de sistema complejo
adaptativo, un auténtico conglomerado de seres humanos.
Figura 1. Algunos sistemas complejos adaptativos del planeta Tierra
Los estudiosos de los sistemas complejos
adaptativos comienzan a familiarizarse con sus propiedades generales y también
con sus peculiaridades. Aunque difieren grandemente en sus características
físicas, todos procesan información de algún modo. Este rasgo común es
seguramente el mejor punto de partida para explorar su funcionamiento.
Capítulo 3
Información y complejidad
El estudio de cualquier sistema complejo adaptativo
se concentra en la información, que llega al sistema en forma de un flujo de
datos (por ejemplo, una secuencia de imágenes, mostradas a un sujeto en un
experimento psicológico). Examinamos la manera en que el sistema percibe
regularidades que extrae del flujo de datos separándolas de lo que es
incidental o arbitrario y condensándolas en un esquema sujeto a variación (en
el supuesto anterior, el sujeto crea y modifica continuamente leyes hipotéticas
que se supone que gobiernan las regularidades encontradas en la secuencia de
imágenes). Observamos cómo cada uno de los esquemas resultantes se combina
entonces con información adicional, de la clase de la información incidental
dejada de lado en la abstracción de regularidades a partir del flujo de datos,
para generar un resultado aplicable al mundo real: la descripción de un sistema
observado, la predicción de algún suceso o la prescripción del comportamiento
del propio sistema complejo adaptativo. (En el experimento psicológico, el
sujeto puede combinar un posible esquema basado en las imágenes anteriores con
unas cuantas de las siguientes para hacer una predicción de las imágenes que
saldrán a continuación. En este caso, como suele pasar, la información adicional
procede de una porción posterior del mismo flujo de datos del que el esquema
fue abstraído.) Finalmente, vemos qué efectos tiene dicha descripción,
predicción o comportamiento en el mundo real; tales efectos son retroactivos,
ejerciendo «presiones selectivas» sobre los esquemas en competencia, algunos de
los cuales quedan desacreditados o descartados, mientras que otros sobreviven y
prosperan. (En el ejemplo, un esquema predictivo contradicho por las imágenes
subsiguientes presumiblemente será descartado por el sujeto, mientras que otro
cuyas predicciones son correctas será conservado. Aquí el esquema se pone a
prueba contrastándolo con una porción ulterior del mismo flujo de datos del que
nació y del que se obtuvo la información adicional para hacer predicciones.) El
funcionamiento de un sistema complejo adaptativo puede representarse en un
diagrama como el de esta página, donde se hace hincapié en el flujo de
información.
Figura 2. Funcionamiento de un sistema complejo adaptativo
Los sistemas complejos adaptativos se hallan
sujetos a las leyes de la naturaleza, que a su vez se fundamentan en las leyes
físicas de la materia y el universo. Por otra parte, la existencia de tales
sistemas sólo es posible en condiciones particulares.
Para examinar el universo y la estructura de la
materia podemos seguir la misma estrategia adoptada en el estudio de los
sistemas complejos adaptativos: concentrarse en la información. ¿Cuáles son las
regularidades y dónde entran la contingencia y la arbitrariedad?
Indeterminación cuántica y caótica
De acuerdo con la física decimonónica, el
conocimiento exacto de las leyes del movimiento y de la configuración del
universo en un momento dado permitiría, en principio, la predicción de la
historia completa de éste. Ahora sabemos que esto es absolutamente falso. El
universo es mecanocuántico, lo que implica que, aun conociendo su estado
inicial y las leyes fundamentales de la materia, sólo puede calcularse un
conjunto de probabilidades para las diferentes historias posibles. Por otra
parte, esta «indeterminación» cuántica va mucho más allá de lo que suele
creerse. Mucha gente conoce el principio de incertidumbre de Heisenberg, que
prohíbe, por ejemplo, conocer simultáneamente con exactitud la posición y el
momento de una partícula. Mientras que este principio ha sido ampliamente
divulgado (a veces de manera francamente errónea) apenas se habla de la
indeterminación adicional requerida por la mecánica cuántica. Más adelante
volveremos sobre este tema.
Aunque la aproximación clásica esté justificada y,
en consecuencia, pueda ignorarse la indeterminación mecanocuántica, todavía nos
queda el extendido fenómeno del caos, en el que la evolución de un proceso
dinámico no lineal es tan sensible a las condiciones iniciales que un cambio
minúsculo en la situación al principio del proceso se traduce en una gran
diferencia al final.
Algunas de las conclusiones contemporáneas sobre
determinismo y caos en mecánica clásica ya fueron anticipados en 1903 por el
matemático francés Henri Poincaré en su libro Ciencia y método (citamos
por Ivars Peterson en Newton’s Clock [El reloj de Newton]):
«Si conociéramos con precisión infinita las leyes
de la naturaleza y la situación inicial del universo, podríamos predecir
exactamente la situación de este mismo universo en un momento posterior. Pero
incluso aunque las leyes naturales no tuvieran ningún secreto para nosotros,
sólo podríamos conocer la situación inicial de modo aproximado. Todo lo que
necesitamos para poder decir que un fenómeno ha sido predicho y que está regido
por leyes es poder predecir la situación posterior con la misma aproximación que
la inicial. Pero esto no siempre es posible; puede ocurrir que las pequeñas
diferencias en las condiciones iniciales se hagan muy grandes en el resultado
final. Un pequeño error al principio producirá un error enorme al final. La
predicción se hace imposible y tenemos un fenómeno fortuito.»
Uno de los artículos que llamaron la atención sobre
el caos en los años sesenta fue publicado por el meteorólogo Edward N. Lorenz.
De hecho, la meteorología es una fuente de ejemplos familiares de caos. Aunque
las fotografías por satélite y el uso de potentes ordenadores han hecho que la
predicción del tiempo sea absolutamente fiable para muchos propósitos, los
partes meteorológicos todavía no pueden garantizarnos lo que mucha gente quiere
saber: si lloverá o no aquí y mañana. Tanto el lugar exacto
por donde pasará una tormenta como el momento en que descargará la lluvia
pueden ser arbitrariamente sensibles a los detalles de los vientos y de la
posición y estado físico de las nubes unos cuantos días o incluso unas horas
antes. La más ligera imprecisión en los datos meteorológicos hace que uno no
pueda fiarse de la previsión para mañana a la hora de planear una excursión.
Dado que nada puede medirse con una precisión
absoluta, el caos da origen a una indeterminación efectiva en el nivel clásico
que se superpone a la indeterminación cuántica. La interacción entre estas dos
clases de impredictibilidad es un aspecto fascinante y todavía poco estudiado
de la física contemporánea. El reto que supone comprender la relación entre la
impredictibilidad de carácter cuántico y la de carácter caótico ha llegado
incluso a llamar la atención de los editores de Los Angeles Times, tanto
que en 1987 le dedicaron al tema un editorial en el que se señalaba la
aparentemente paradójica incapacidad de los teóricos para encontrar la
indeterminación de carácter caótico que debería aparecer superpuesta a la de
carácter cuántico cuando se aplica la mecánica cuántica a sistemas que exhiben
caos en el dominio clásico.
Pero la cuestión comienza a aclararse gracias al
trabajo de diversos físicos teóricos, entre ellos Todd Brun, uno de mis
discípulos. Sus resultados parecen indicar que, para muchos propósitos, es útil
contemplar el caos como un mecanismo que amplifica a escala macroscópica la
indeterminación inherente a la mecánica cuántica.
En los últimos tiempos se ha publicado un montón de
artículos sobre caos escritos bastante a la ligera. Un término técnico,
aplicado en principio a un fenómeno de la mecánica no lineal, ha acabado
convirtiéndose en una especie de etiqueta para designar cualquier clase de
complejidad o incertidumbre, real o aparente. Si en alguna de mis conferencias
sobre, digamos, sistemas complejos adaptativos, menciono el fenómeno aunque
sólo sea una vez, y a veces ni eso, estoy seguro de que seré felicitado al
final por mi interesante charla sobre «caos».
El impacto de los descubrimientos científicos en la
literatura y la cultura popular tiende a traducirse en que ciertos elementos de
vocabulario, interpretados de modo vago o erróneo, suelen ser lo único que
sobrevive al viaje desde la publicación técnica a los libros y revistas
populares. Los dominios de aplicación o las distinciones importantes, y a veces
las propias ideas, tienden a perderse por el camino. Piénsese si no en los usos
populares de palabras como «ecología» o «salto cuántico», y ya no digamos de la
expresión New Age «campo de energía». Naturalmente, uno
siempre puede argumentar que palabras como «caos» o «energía» ya existían antes
de convertirse en términos técnicos, pero lo que resulta distorsionado en el
proceso de vulgarización es precisamente su significado técnico, no el
original.
Dada la eficacia creciente de las técnicas
literarias en la transformación de conceptos útiles en tópicos huecos, hay que
esmerarse si se quiere evitar que las diversas nociones de complejidad corran
la misma suerte. Más adelante las detallaremos y examinaremos el dominio de
aplicación de cada una de ellas.
Pero antes, ¿qué se entiende por «complejo» cuando
hablamos de «sistema complejo adaptativo» en el sentido aquí empleado? De
hecho, no hace falta que la palabra «complejo» tenga un significado preciso en
esta frase, que es puramente convencional. Su presencia implica la convicción
de que tales sistemas poseen un grado mínimo de complejidad convenientemente
definido.
La simplicidad hace referencia a la ausencia (o
casi) de complejidad. Etimológicamente, simplicidad significa «plegado una
vez», mientras que complejidad significa «todo trenzado» (nótese que tanto
«plic-» para pliegue como «plej-» para trenza derivan de la misma raíz
indoeuropea plek).
Diferentes formas de complejidad
¿Qué se entiende realmente por simplicidad y
complejidad? ¿En qué sentido es simple la gravitación einsteniana y complejo un
pez de colores? No son cuestiones sencillas —no es simple definir «simple»—.
Probablemente no existe un único concepto de complejidad que pueda captar
adecuadamente nuestras nociones intuitivas. Puede que se requieran varias
definiciones diferentes, algunas quizá todavía por concebir.
Una definición de complejidad surge de la ciencia
informática, y tiene que ver con el tiempo requerido por un ordenador para
resolver un problema determinado. Dado que este tiempo depende también de la
competencia del programador, el que se toma en consideración es el más corto
posible, lo que se conoce habitualmente como «complejidad computacional» del
problema.
Dicho tiempo mínimo depende aún de la elección del
ordenador. Esta «dependencia del contexto» surge una y otra vez en los intentos
de definición de complejidad. Pero los informáticos se interesan
particularmente en conjuntos de problemas que son similares excepto en
magnitud, y por lo tanto la cuestión principal es saber qué pasa con la
complejidad computacional cuando la magnitud del problema aumenta
ilimitadamente. ¿Cuál es la relación entre el tiempo mínimo y la magnitud del
problema cuando ésta tiende a infinito? La respuesta a esta cuestión puede que
sea independiente de los detalles del ordenador.
La complejidad computacional ha demostrado ser una
noción verdaderamente útil, pero no se corresponde demasiado con el sentido
habitual de la palabra «complejo», como cuando se dice que el argumento de un
relato o la estructura de una organización son altamente complejos. En este
contexto estamos más interesados en saber cuán largo sería el mensaje requerido
para describir determinadas propiedades del sistema en cuestión que en saber
cuánto se tardaría en resolver cierto problema con un ordenador.
En el seno de la ecología se ha debatido durante
décadas si los sistemas «complejos», como las selvas tropicales, tienen un
poder de recuperación mayor o menor que los sistemas comparativamente
«simples», como los bosques alpinos de robles y coníferas. Aquí el poder de
recuperación se refiere a la probabilidad de sobrevivir a (o incluso sacar
partido de) perturbaciones tales como cambios climáticos, incendios u otras
alteraciones del medio ambiente, hayan sido o no causadas por la actividad
humana. Parece ser que entre los ecólogos se va imponiendo el argumento de que,
hasta cierto punto, el ecosistema más complejo es el más resistente. ¿Pero qué
se entiende aquí por simple y complejo? La respuesta tiene que ver ciertamente
con la longitud de la descripción del bosque.
Una noción muy elemental de la complejidad de un
bosque podría obtenerse contando el número de especies de árboles (menos de una
docena en un bosque alpino típico de clima templado frente a cientos de ellas
en una selva tropical). También se podría contar el número de especies de aves
y mamíferos; otra vez saldrían ganando las selvas tropicales. Con los insectos
las diferencias serían aún mayores —piénsese en el número de especies de
insectos que debe de haber en la selva ecuatorial—. (Siempre se ha creído que
este número debía de ser muy grande, pero las estimaciones recientes sugieren
que es todavía más grande de lo que se pensaba. A partir de los estudios de
Terry Erwin, de la Smithsonian Institution, consistentes en recoger y
clasificar todos los insectos presentes en un solo árbol tropical, se ha visto
que el número de especies, muchas de ellas nuevas para la ciencia, es del orden
de diez veces mayor de lo que se suponía.)
También se pueden tomar en consideración las
interacciones entre organismos, del tipo depredador-presa, parásito-huésped,
polinizador-polinizado, etc.
Resolución
Ahora bien, ¿con qué detalle habría que hacer las
observaciones? ¿Habría que considerar los microorganismos, virus incluidos?
¿Habría que atender a las interacciones más sutiles además de las obvias? Está
claro que hay que detenerse en algún punto.
Por lo tanto, cuando se define una forma de
complejidad siempre es necesario acotar el grado de detalle en la descripción
del sistema, ignorando los detalles más finos. Los físicos llaman a esto
«resolución». Piénsese en una imagen fotográfica. Si se amplía algún pequeño
detalle de la misma se pondrán de manifiesto los gránulos individuales de la
película y se verá sólo un montón de puntos que componen una imagen tosca del
detalle observado. El título de la película de Antonioni Blow-Up se
refiere a esa ampliación. El granulado de la fotografía impone un límite en la
cantidad de información que puede proporcionar ésta. Si la película es de grano
muy grueso, lo más que puede obtenerse es una imagen de baja resolución que da
una impresión aproximada de lo fotografiado. Si un satélite espía fotografía un
«complejo» militar desconocido con anterioridad, la medida de complejidad que
se le asigne dependerá también del granulado de la película.
Una vez establecida la importancia de la
resolución, aún queda pendiente la cuestión de cómo definir la complejidad de
lo que se observa. ¿Qué caracteriza, por ejemplo, una red de comunicación
compleja entre un cierto número (digamos N) de personas? Esta cuestión podría
planteársele a un psicólogo o sociólogo que intente comparar lo bien o lo
rápido que es resuelto un problema por las N personas en diferentes condiciones
de comunicación. En un extremo (que llamaremos caso A) cada persona trabaja por
su cuenta y no existe ninguna comunicación. En el otro (que llamaremos caso F)
cada persona puede comunicarse con cualquier otra. El caso A es obviamente
simple, pero ¿es el caso F mucho más complejo o es de una simplicidad
comparable a la del caso A?
Para fijar el grado de detalle (resolución)
supongamos que cada persona recibe un tratamiento equivalente, sin distinción
de rasgos individuales, y es representada en un diagrama como un simple punto
en posición arbitraria, siendo todos los puntos intercambiables. La
comunicación entre dos personas cualesquiera es posible o imposible, sin
gradaciones, y cuando existe se representa como un segmento (no orientado) que
conecta dos puntos. El resultado es lo que los matemáticos llaman un «grafo no
orientado».
La longitud de la descripción
Con el nivel de detalle así especificado puede
explorarse el significado de la complejidad de un esquema de conexiones.
Consideremos primero un pequeño número de puntos, por ejemplo ocho (N = 8). Es
fácil entonces trazar parte de los esquemas que resultan, incluyendo algunos
triviales. Los diagramas de la Figura 3 representan algunos de los esquemas de
conexiones posibles entre ocho individuos. En A ningún punto está conectado con
otro. En B hay puntos conectados y puntos aislados. En C todos los puntos están
conectados, pero no aparecen todas las conexiones posibles. En D aparecen las
conexiones que faltan en C y están ausentes las otras; D es lo que podríamos
llamar el «complementario» de C y viceversa. Lo mismo podemos decir de E y B, y
también de F y A: en el esquema A no hay conexiones, mientras que en el F están
todas las posibles. ¿A qué esquemas hay que asignar mayor, o menor,
complejidad?
Figura 3. Algunos esquemas de conexiones posibles entre ocho puntos
Todo el mundo estará de acuerdo en que A, que no
tiene conexiones, es simple y que B, con algunas conexiones, es más complejo, o
menos simple, que A. Pero ¿qué ocurre con el resto? El caso F es
particularmente interesante. Inicialmente, uno podría pensar que se trata del
más complejo de todos, pues es donde hay más conexiones. Ahora bien, ¿es esto
razonable? ¿No resulta acaso igual de simple estar totalmente conectado que no
estarlo en absoluto? Quizá F deba situarse junto con A en la parte inferior de la
escala de complejidad.
Lo cual nos lleva de nuevo a la propuesta de
definir la complejidad de un sistema por medio de la longitud de su
descripción. La figura F resulta entonces tan simple como su complementaria A,
ya que la frase «todos los puntos conectados» es más o menos igual de larga que
la frase «ningún punto conectado». Por otra parte, la complejidad de E no es
muy diferente de la de su complementario B, ya que la adición del término
«complementario» no alarga significativamente la descripción. Lo mismo pasa con
D y C. En general, los esquemas complementarios tendrán una complejidad
semejante.
Los esquemas B y E son evidentemente más complejos
que A y F, y lo mismo pasa con C y D. La comparación de B y E con C y D es más
complicada. Según el criterio de la longitud de la descripción, podría parecer
que C y D son más complejos, pero el que esto sea cierto depende en alguna
medida del vocabulario disponible para efectuar la descripción.
Antes de seguir adelante, es interesante remarcar
que los mismos diagramas y la misma argumentación que hemos desarrollado en
relación con los esquemas de comunicación pueden aplicarse a otra situación de
gran trascendencia para la ciencia, la tecnología y el comercio actuales. La
informática moderna está haciendo rápidos progresos en la construcción y
utilización de ordenadores «paralelos», mucho más efectivos que las máquinas
convencionales en la resolución de ciertos problemas. En lugar de un único ordenador
gigante que trabaja continuamente en un problema hasta su conclusión, se
disponen numerosas unidades más pequeñas trabajando simultáneamente, con una
determinada red de conexiones entre ellas. Una vez más podemos preguntamos qué
significado tiene el que una red de comunicación sea más compleja que otra. De
hecho, fue precisamente un físico que trabajaba en el diseño de un ordenador
paralelo quien me planteó esta misma cuestión hace años, renovando así mi
interés en el problema de la definición de la complejidad.
Recordemos la posibilidad de contar el número de
especies, tener en cuenta las interacciones, etc., como opción para
caracterizar las comunidades ecológicas simples y complejas. Si se hiciera una
lista de, por ejemplo, los tipos de árboles presentes en una comunidad, la
longitud de esta parte de la descripción sería más o menos proporcional al
número de especies de árboles. También en este caso, por lo tanto, sería de
hecho la longitud de la descripción lo que se estaría empleando como medida.
Dependencia del contexto
Si la complejidad se define en términos de la
longitud de una descripción dada, entonces no es una propiedad intrínseca de la
cosa descrita. Es obvio que la longitud de la descripción depende también del
descriptor. (Me viene a la memoria el relato de James Thurber «The Glass in the
Field» [El cristal en el campo], en el que un jilguero cuenta a los otros
pájaros su colisión con una lámina de vidrio: «Volaba cruzando un prado cuando
de pronto el aire cristalizó sobre mí».) Cualquier definición de complejidad es
necesariamente dependiente del contexto, incluso subjetiva. El grado de detalle
con que se efectúa la descripción del sistema tiene ya algo de subjetivo
—también depende del observador o de los instrumentos de observación—. Así
pues, en realidad estamos discutiendo una o más definiciones de complejidad que
dependen de la descripción del sistema a cargo de otro sistema, presumiblemente
un sistema complejo adaptativo que podría ser un observador humano.
Para precisar la noción de longitud de una
descripción hay que eliminar la posibilidad de describir algo simplemente
señalándolo, pues es tan fácil señalar un sistema complejo como uno simple. La
descripción del sistema debe suponerse dirigida a un interlocutor lejano.
También es fácil dar un nombre como «Sam» o «Judy» a algo extremadamente
complicado, haciendo su descripción trivialmente corta. Hay que describir el
sistema mediante un lenguaje previamente convenido y que no incluya términos
especiales introducidos a propósito.
Aun así quedan muchas fuentes de arbitrariedad y
subjetividad. La longitud de la descripción dependerá del lenguaje empleado y
también del conocimiento o concepción del mundo que compartan los
interlocutores. La descripción de un rinoceronte, por ejemplo, puede acortarse
si ambos interlocutores ya saben lo que es un mamífero. La descripción de la
órbita de un asteroide es muy diferente si los interlocutores conocen la ley de
gravitación de Newton y su segunda ley del movimiento —también puede influir en
la longitud de la descripción el hecho de que ambas partes conozcan las órbitas
de M arte, Júpiter y la Tierra.
Concisión y complejidad bruta
Pero ¿qué pasa cuando la descripción se hace
innecesariamente larga? Es como la historia del maestro que puso como deber a
sus alumnos escribir una redacción de trescientas palabras. Uno de ellos, que
se había pasado todo el tiempo jugando, a última hora garabateó lo siguiente:
«Ayer tarde a los vecinos se les incendió la cocina y yo saqué la cabeza por la
ventana y grité: “¡Fuego! ¡Fuego! ¡Fuego!...”». Así hasta completar las
trescientas palabras exigidas. Sin embargo, de no haber sido por este requerimiento,
podría perfectamente haber escrito «... grité “¡fuego!” doscientas ochenta
veces» para comunicar lo mismo. Está claro que en nuestra definición de
complejidad debemos referimos siempre a la longitud del mensaje más corto
posible para describir el sistema.
Todos estos puntos pueden integrarse en una
definición de lo que podría llamarse «complejidad bruta»: la longitud del
mensaje más corto que describe un sistema, con una resolución dada, dirigido a
un interlocutor distante y haciendo uso de un lenguaje y un conocimiento del
mundo que ambas partes comparten (y saben que comparten) de antemano.
Algunas maneras familiares de describir un sistema
no dan como resultado nada parecido al mensaje más corto. Por ejemplo, si
describimos por separado las partes de un sistema (como las piezas de un coche
o las células de un ser humano) junto con el modo en que se ensamblan entre sí,
estamos ignorando muchas formas de comprimir el mensaje que harían uso de las
similaridades entre las partes. Casi todas las células del cuerpo humano, por
ejemplo, comparten los mismos genes, además de muchos otros rasgos comunes, y
las células de un tejido cualquiera son incluso más similares. La descripción
más corta debería tenerlo en cuenta.
Información algorítmica
Algunos expertos en teoría de la información hacen
uso de una magnitud muy parecida a la complejidad bruta, aunque de definición
más técnica y, naturalmente, relacionada con los ordenadores. Se parte de una
descripción con una resolución dada y expresada en un lenguaje determinado, que
es codificada en una cadena de ceros y unos por medio de algún procedimiento de
codificación estándar. Cada elección de un 1 o un 0 es un «bit» (contracción
de binary digit, «dígito binario» en inglés; binario porque
sólo hay dos elecciones posibles, mientras que en el sistema decimal normal hay
diez, los dígitos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9). Lo que se maneja es una cadena
de bits, o «mensaje codificado».
La magnitud definida recibe el nombre de
«complejidad algorítmica», «contenido de información algorítmica» o
«incertidumbre algorítmica». La palabra «algoritmo» se refiere a una regla para
calcular algo y también, por extensión, a un programa de ordenador. El
contenido de información algorítmica se refiere, como veremos, a la longitud de
un programa de ordenador.
El significado original de algoritmo es algo
diferente. Aunque suena parecido a «aritmética», que deriva del griego, en
realidad la «t» se introdujo por analogía, y quizá sería más correcto decir
«algorismo», que refleja mejor la etimología. La palabra deriva del nombre de
un matemático árabe del siglo IX, Mohamed ben Musa al Khuarizmi, que fue quien
introdujo el concepto de cero en la cultura occidental. El apellido indica que
su familia procedía de la provincia de Khorezm, al sur del mar de Aral, dentro
de la república ahora independiente de Uzbekistán. Escribió un tratado en cuyo
título aparece la frase al jabr («la transposición» en árabe),
de la que deriva la palabra «álgebra». Originalmente, la palabra «algorismo»
hacía referencia al sistema decimal de numeración, que se cree llegó a Europa
desde la India principalmente a través de la traducción al latín del «Algebra»
de al Khuarizmi.
El contenido de información algorítmica fue
introducido por tres autores, de modo independiente, en los años sesenta. Uno
fue el gran matemático ruso Andréi N. Kolmogórov. Otro fue el norteamericano
Gregory Chatin, que a la sazón contaba sólo quince años. El tercero fue otro
norteamericano, Ray Solomonoff. Todos suponen la existencia de un ordenador
ideal, de memoria infinita (o finita pero ampliable) y equipado con circuitos y
programas predeterminados. Después consideran un mensaje codificado particular
y los programas que hacen que el ordenador imprima el mensaje y después se
pare. La longitud del más corto de tales programas es el contenido de
información algorítmica del mensaje.
Hemos visto que existe una subjetividad o
arbitrariedad inherente a la definición de complejidad bruta, que surge de
fuentes como la resolución y el lenguaje empleado en la descripción del
sistema. En el contenido de información algorítmica se introducen nuevas
fuentes de arbitrariedad, a saber, el procedimiento de codificación particular
que convierte la descripción del sistema en una cadena de bits, y los circuitos
y programas particulares del ordenador.
Ninguna de estas fuentes de arbitrariedad incomoda
demasiado a los matemáticos, que suelen moverse dentro de límites en los que la
arbitrariedad finita se hace comparativamente insignificante. Acostumbran a
considerar series de cadenas de bits similares y de longitud creciente,
estudiando cómo se comporta el contenido de información algorítmica cuando la
longitud tiende a infinito (lo que recuerda el tratamiento de la complejidad
computacional de una serie de problemas similares a medida que el problema se hace
infinitamente grande).
Volvamos al ordenador paralelo ideal compuesto de
unidades, representadas por puntos, conectadas por enlaces de comunicación
representados por líneas. Aquí Kolmogórov, Chaitin y Solomonoff no se
interesarían demasiado por el contenido de información algorítmica de los
diversos esquemas de conexiones entre ocho puntos en concreto, sino que se
interrogarían sobre las conexiones entre N puntos cuando N tiende a infinito.
En estas condiciones, ciertas diferencias en el comportamiento del contenido de
información algorítmica (por ejemplo entre el esquema de conexiones más simple
y el más complejo) hacen insignificantes las diferencias atribuibles al
ordenador, el procedimiento de codificación e incluso el lenguaje de turno. Los
teóricos de la información se interesan en si un cierto contenido de
información algorítmica sigue aumentando a medida que N se aproxima a infinito
y, si lo hace, a qué ritmo. No se preocupan demasiado por las diferencias, en
comparación despreciables, en el contenido de información algorítmica
introducidas por las diversas fuentes de arbitrariedad en el aparato
descriptivo.
De todos estos estudios teóricos se puede extraer
una interesante conclusión. Aunque no nos restrinjamos a sistemas que se hacen
infinitamente grandes, es importante comprender que las discusiones sobre
simplicidad y complejidad adquieren más sentido a medida que las cadenas de
bits se hacen más largas. En el otro extremo, para una cadena de un solo bit,
es evidente que no tiene sentido hablar de simplicidad y complejidad.
Definición de información
Es momento de dejar clara la distinción entre
información algorítmica e información tal como la concibe, por ejemplo, Claude
Shannon, el fundador de la moderna teoría de la información. Básicamente, la
información tiene que ver con una selección entre diversas alternativas, y
puede expresarse de modo muy simple si dichas alternativas pueden reducirse a
una serie de elecciones entre alternativas binarias igualmente probables. Por
ejemplo, si sabemos que el resultado de lanzar una moneda ha sido cruz en vez de
cara, tenemos un bit de información. Si sabemos que el resultado de lanzar una
moneda tres veces ha sido cara, cruz y cara, tenemos tres bits de información.
El juego de las veinte preguntas proporciona una
bonita ilustración de las más diversas clases de información en la forma de
elecciones sucesivas entre alternativas binarias igualmente probables, o tan
cerca de la equiprobabilidad como el interrogador pueda conseguir. Se juega
entre dos personas, una de las cuales piensa algo que la otra tiene que
adivinar con veinte preguntas o menos, después de averiguar si es animal,
vegetal o mineral. Las cuestiones sólo pueden responderse con un «sí» o un
«no»; cada una es una alternativa binaria. Para el segundo jugador es ventajoso
que sus preguntas le permitan acercarse todo lo posible a una elección entre
alternativas igualmente probables. Sabiendo que la cosa es, por ejemplo, un
mineral, no sería aconsejable que el interrogador preguntara directamente si se
trata del diamante Esperanza. En vez de eso, podría preguntar algo así como
«¿es natural?» (en oposición a manufacturado o tratado por manos humanas). Aquí
la probabilidad de una respuesta afirmativa es más o menos igual a la de una
respuesta negativa. Si la respuesta es «no», la siguiente cuestión podría ser
«¿es un objeto concreto?» (en oposición a una clase de objetos). Cuando las
probabilidades de una respuesta positiva o negativa son iguales, cada pregunta rinde
un bit de información. Veinte bits de información corresponden a una elección
entre 1 048 576 alternativas equiprobables, el producto de la multiplicación de
20 factores de 2 (este producto es el número de cadenas de bits diferentes de
longitud 20).
Nótese que en el tratamiento del contenido de
información algorítmica las cadenas de bits se emplean de modo diferente que en
el de la información de Shannon. En el caso del contenido de información
algorítmica se considera una cadena de bits (preferiblemente larga) y se miden
sus regularidades internas mediante la longitud (en bits) del programa más
corto que hará que un ordenador estándar la imprima y después se pare. En
contraste, en el caso de la información uno puede considerar una elección entre
todas las diferentes cadenas de bits de una longitud dada. Si todas son
igualmente probables, su longitud es el número de bits de información.
Uno puede tratar también con un conjunto de cadenas
de bits, que pueden ser igualmente probables, cada una con un contenido de
información algorítmica particular. En ese caso es útil definir el promedio de
la cantidad de información y también el promedio del contenido de información
algorítmica, ambos determinados por el número de cadenas de bits.
Compresión y cadenas aleatorias
El contenido de información algorítmica tiene una
propiedad muy curiosa. Para discutirla tenemos que fijamos en primer lugar en
la «compresibilidad» relativa de diferentes mensajes. Para una cadena de bits
de cierta longitud (digamos una muy larga) podemos preguntamos cuándo la
complejidad algorítmica es baja y cuándo es alta. Si una cadena larga tiene la
forma 110110110110110110110 . 110110, puede ser producida por un programa muy
corto que imprima 110 un número determinado de veces. Esta cadena de bits tiene
un contenido de información algorítmica muy bajo aunque sea larga. Esto quiere
decir que es altamente compresible.
En contraste, puede demostrarse matemáticamente que
la mayoría de cadenas de bits de una cierta longitud son incompresibles. En
otras palabras, el programa más corto capaz de producirlas (y después detener
el ordenador) es aquel que dice IM PRIM IR seguido de la cadena misma. Las
cadenas de bits de esta clase tienen un contenido de información algorítmica
máximo para una longitud dada. No hay ninguna regla, ni algoritmo, ni teorema
que simplifique la descripción de la cadena y permita describirla con un mensaje
más corto. Se les llama «aleatorias» precisamente porque no contienen
regularidades que permitan comprimirlas. El hecho de que el contenido de
información algorítmica sea máximo para las cadenas aleatorias justifica la
denominación alternativa de incertidumbre algorítmica.
La no computabilidad de la información algorítmica
Una curiosa propiedad de la información algorítmica
es que no es computable. Aunque la mayoría de cadenas de bits es aleatoria, no
hay manera de conocer exactamente cuándo lo son. De hecho, en general no puede
asegurarse que el contenido de información algorítmica de una cadena dada no
sea menor de lo que pensamos. Esto se debe a que siempre puede haber un teorema
que nunca encontraremos o un algoritmo que nunca descubriremos que permitiría
comprimir la cadena de bits. De modo más preciso, no existe un procedimiento
para encontrar todos los teoremas que permitirían una ulterior compresión. Esto
fue demostrado hace unos años por Greg Chaitin, en un trabajo con
reminiscencias de un famoso resultado de Kurt Gödel.
Gödel fue un lógico matemático que, a principios de
la década de los treinta, dejó aturdidos a sus colegas con sus descubrimientos
sobre las limitaciones de los sistemas de axiomas en matemáticas. Hasta
entonces, los matemáticos creían posible formular un sistema de axiomas que
demostrase ser consistente y del que, en principio, pudiese derivarse la verdad
o falsedad de todas las proposiciones matemáticas. Gödel demostró que ninguna
de estas metas es alcanzable.
Estas conclusiones negativas suponen un progreso
monumental tanto en matemáticas como en la ciencia en general. Pueden
compararse con el descubrimiento de Albert Einstein de que no es posible
definir un tiempo o espacio absolutos, sino sólo un espacio-tiempo que sea
combinación de ambos. De hecho, Gödel y Einstein eran buenos amigos. A
principios de los cincuenta solía verlos paseando juntos en el Instituto de
Estudios Avanzados de Princeton, en New Jersey. Formaban una curiosa pareja.
Gödel era tan bajito que a su lado Einstein parecía alto. Nunca supe si
discutían sobre cuestiones profundas de matemáticas o de física (Gödel
trabajaba de vez en cuando en problemas de relatividad general) o del tiempo y
de sus problemas de salud.
De entre las conclusiones de Gödel, las más
relevantes para nuestra discusión son las relativas a la indecidibilidad: dado
un sistema de axiomas matemáticos, siempre habrá proposiciones indecidibles
sobre la base de tales axiomas. En otras palabras, hay proposiciones de las
que, en principio, no puede demostrarse su verdad o falsedad.
Las proposiciones indecidibles más celebradas son
aquellas que son independientes de los axiomas. Cuando se tiene una de tales
proposiciones, el conjunto inicial de axiomas puede ampliarse introduciéndola
como nuevo axioma, y lo mismo puede hacerse con la proposición contraria.
Pero hay otras proposiciones indecidibles de
carácter distinto. Supongamos, por ejemplo, una proposición indecidible
relativa a los enteros positivos de la forma «todo número par mayor que 2 tiene
la propiedad siguiente.». En principio, si hubiese alguna excepción a tal
proposición podríamos encontrarla, al cabo de un cierto tiempo, probando un
número par tras otro (4, 6, 8, 10.) hasta dar con uno que contradiga el
enunciado. Esto demostraría inmediatamente la falsedad de la proposición, pero
también contradiría su indecidibilidad, pues indecidible quiere decir
precisamente que no puede demostrarse si la proposición es verdadera o falsa.
Por lo tanto, no puede haber excepciones. La proposición es
«verdadera» en el sentido ordinario de la palabra.
Podemos concretar la cuestión considerando una
proposición que, tras siglos de esfuerzos, nunca ha sido demostrada, aunque no
se ha encontrado ninguna excepción que la refute. Se trata de la conjetura de
Goldbach, que establece que todo número par mayor que 2 resulta de la suma de
dos números primos (iguales o distintos). Un número primo es un número mayor
que 1 que no es divisible por ningún número excepto él mismo y 1. Los primeros
son 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31 y 37. Es fácil ver que cualquier
número par entre 4 y 62 puede expresarse al menos de una manera como suma de
dos elementos de esta lista. Con el empleo de ordenadores se ha podido
verificar esta propiedad hasta números pares increíblemente grandes. Sin
embargo, ningún ordenador puede demostrar la conjetura, que siempre podría
dejar de ser cierta para algún número aún más grande. Sólo una demostración
matemática rigurosa podría convertir la conjetura en un teorema cierto.
No hay razón para pensar que la conjetura de
Goldbach sea indecidible, pero supongamos que lo fuera. Entonces, aunque
indemostrable, sería verdadera, pues no podría haber ninguna excepción a ella.
La existencia de cualquier número par mayor que 2 que no fuera la suma de dos
primos refutaría la conjetura, lo que contradiría su indecidibilidad.
La existencia oculta de tales teoremas verdaderos
pero indemostrables significa, como Chaitin ha demostrado, que siempre puede
haber uno que permita comprimir un mensaje largo cuando pensamos que es
incompresible, o comprimirlo más cuando creemos haber encontrado el programa de
ordenador más corto que hará imprimir el mensaje y parar. Así pues, en general
no se puede estar seguro del contenido de información algorítmica; sólo puede
establecerse un límite superior, un valor que no puede excederse. Dado que el
valor real podría estar por debajo de este límite, el contenido de información
algorítmica no es computable.
La no computabilidad es una propiedad que puede
crear problemas, pero lo que en verdad impide que el contenido de información
algorítmica pueda emplearse para definir la complejidad es otra cosa.
El contenido de información algorítmica es útil
para la introducción de nociones como resolución, compresibilidad o cadena de
bits, así como la de longitud de una descripción generada por un sistema
observador, pero su nombre alternativo de incertidumbre algorítmica delata un
importante defecto. El contenido de información algorítmica es mayor para las
cadenas aleatorias. Es una medida de incertidumbre, que no es lo que suele
entenderse por complejidad, ni en sentido ordinario ni en sentido más científico.
Así pues, el contenido de información algorítmica no representa una complejidad
verdadera o efectiva.
En cualquier discusión sobre incertidumbre hay que
ser cuidadoso, pues el término no siempre significa exactamente lo mismo.
Reparé en este escollo por primera vez hace tiempo, en mis contactos con la
RAND Corporation.
Capítulo 4
Aleatoriedad
Cuando comencé a trabajar en Caltech en los años
cincuenta, pensé en buscar un trabajo de asesoramiento para poder pagar algunas
facturas. A los profesores de Caltech se les permitía ejercer de asesores un
día a la semana, de manera que indagué entre mis colegas para ver qué
posibilidades había. Dos de ellos me sugirieron la RAND Corporation, en Santa
Mónica, cerca del muelle y la famosa Muscle Beach.
La RAND Corporation comenzó su andadura poco
después de la segunda guerra mundial a raíz del proyecto RAND (acrónimo
de research and development, investigación y desarrollo en
inglés) de las fuerzas aéreas, con el objeto de asesorar a este cuerpo en
materias tales como el ajuste de las misiones (es decir, las tareas asignadas
al servicio) a la estrategia y el diseño de métodos racionales para su
cumplimiento. Al poco tiempo su papel se extendió hasta incluir el
asesoramiento sobre diversos asuntos gubernamentales, muchos de ellas
relacionados con la defensa estratégica. Sin perder importancia, el proyecto
RAND se limitó a suministrar una parte de los recursos financieros que
precisaba la organización, que acabó convirtiéndose en una corporación sin
ánimo de lucro, ramificada en múltiples conexiones con las actividades civiles.
La RAND da empleo a especialistas en muchas áreas, entre ellas las ciencias
políticas, la economía, la física, las matemáticas y la investigación
operativa.
El departamento de física, constituido en su mayor
parte por físicos teóricos, me contrató como asesor y comencé a tener algunos
ingresos extras realizando estudios no clasificados. T res profesores del
Caltech compartíamos coche y nos pasábamos todos los jueves en la RAND.
Los significados de «aleatorio»
Una de las cosas que mejor recuerdo de mis primeras
visitas a la RAND es un pequeño montón de memorias recientes que me fue
entregado para que pudiese familiarizarme con el trabajo que se estaba llevando
a cabo. Una de las memorias era la RAND Table of Random Numbers, algo
indudablemente útil, aunque de lectura poco emocionante (me dijeron, sin
embargo, que el subtítulo And 100 000 Normal Deviates indujo a
muchos bibliotecarios a guardarla en el estante de psicología patológica).
Lo que me pareció realmente interesante de aquella
memoria fue un papelito que cayó revoloteando al suelo de entre sus hojas. Lo
recogí y descubrí que era una fe de erratas. ¡Los matemáticos de la RAND daban
correcciones de algunos de sus números aleatorios! ¿Habían detectado errores
aleatorios en sus números aleatorios? Durante mucho tiempo contemplé esta
anécdota como una escena más de la comedia humana, pero más tarde,
reflexionando sobre ella, reparé en un hecho importante: la palabra «aleatorio»
tiene más de un significado, incluso entre matemáticos y científicos.
Tal como hemos estado empleándola, aplicada por
ejemplo a una única cadena de un millar de bits, aleatorio significa que la
cadena es incompresible. En otras palabras, es tan irregular que no puede
expresarse de manera más corta. No obstante, un segundo significado es que ha
sido generada por medio de un proceso aleatorio, es decir, por un proceso
azaroso semejante al acto de lanzar al aire una moneda, en el que se asignara
un 1 a las caras y un 0 a las cruces. Estos dos significados no son exactamente
iguales. Una secuencia de mil monedas lanzadas al aire podría producir
una secuencia de mil caras, representada por una cadena de bits formada por mil
unos, la cual distaría de ser una cadena de bits aleatoria. Por descontado, una
secuencia de mil caras no es en absoluto probable; de hecho, la posibilidad de obtenerla
es sólo de una entre un enorme número de trescientos dígitos. Dado que la
mayoría de las cadenas de bits son incompresibles (aleatorias), o prácticamente
incompresibles, una serie de mil monedas lanzadas al aire producirá con mucha
frecuencia una cadena de bits aleatoria, pero no siempre. Una
manera de evitar esta confusión consiste en referirse a los procesos azarosos
como «estocásticos» en lugar de aleatorios, reservando este último término de
modo preferente para las cadenas de bits incompresibles.
¿Qué significa entonces aleatorio en el contexto de
la tabla de números aleatorios de la RAND? ¿Cómo podría darse una fe de erratas
para una tabla de este tipo? Y, para empezar, ¿para qué sirve una tabla de
números aleatorios?
Una de las actividades del departamento de física
de la RAND entre 1956 y 1957 era un proyecto no clasificado con aplicaciones en
astrofísica que requería cálculos de física básica. Me encargué de él contando
con la ayuda de otro asesor, un viejo amigo llamado Keith Brueckner. Una parte
de los cálculos consistía en determinar de manera aproximada un par de sumas
muy difíciles. Uno de los físicos más interesantes de la RAND, Jess Marcum, se
ofreció a hacerla por medio del método de Monte Carlo, empleando la tabla de
números aleatorios.
Los números aleatorios y el método de Monte Cario
Este método resultaba muy apropiado para Jess,
porque era tan buen tahúr como físico. En su juventud había ganado un buen
dinero jugando al blackjack en los casinos. Su estrategia para ganar era el
«método del estudiante», consistente en apostar flojo en la mayoría de manos,
cuando las probabilidades estén ligeramente en contra, y apostar fuerte cuando
las probabilidades estén a favor, por ejemplo cuando todas las cartas de valor
10 (los dieces y las figuras) estén en una cierta parte del mazo. Este método sólo
resulta practicable cuando se juega con un único mazo de cartas; al poco, los
casinos ajustaron sus procedimientos (adaptándolos a los «estudiantes») y
comenzaron a emplear varios mazos a la vez. Jess se dedicó entonces a otros
menesteres.
Una vez pidió un permiso de varios meses a la RAND
para apostar en las carreras. Su método era hacer pronósticos sobre los
pronosticadores. No pretendía ser un experto en caballos, simplemente estudiaba
los folletos de las carreras para constatar cómo cuadraban los puntos que
otorgaban los pronosticadores con los resultados reales, y después seguía las
sugerencias de los pronosticadores que más acertaban. Añadió además otra
mejora: justo antes de la carrera, comprobaba en la tabla de apuestas si los
puntos referidos (que reflejaban las apuestas recibidas hasta ese momento) se
correspondían con los de los buenos pronosticadores. Si no era así, es que la
gente estaba siguiendo otros consejos, probablemente malos. Jess se abalanzaba
a la ventanilla y apostaba mucho dinero. Siguiendo este método consiguió ganar
regularmente en el hipódromo; sin embargo, al poco tiempo decidió que su
salario en la RAND le proporcionaba prácticamente lo mismo y con menos riesgo,
de modo que regresó a su trabajo. Así es como Jess acertó a estar disponible
para ayudarme.
El método de Monte Carlo de sumar se aplica cuando
el número de sumandos es realmente grande. Se tiene una ley (¡un algoritmo!)
para calcular la primera cantidad a partir del número 1, la segunda cantidad a
partir del número 2, y así sucesivamente; la ley es tal que el total varía de
forma regular de un número al siguiente, y el cálculo de cada cantidad a partir
del número correspondiente es largo y tedioso, por lo que nadie está dispuesto
a hacer más cálculos de este tipo que los estrictamente necesarios. (En la
actualidad, gracias a los rápidos y potentes ordenadores de que disponemos,
muchas de tales sumas pueden hacerse directamente, pero los ordenadores de hace
treinta y cinco años necesitaban de trucos como el método de Monte Carlo.)
Supongamos que tenemos que sumar 100 millones de
sumandos, después de calcular cada uno de ellos a partir del número entero
correspondiente, que, por supuesto, va de 1 a 100 millones. Para aplicar la
aproximación de Monte Carlo, se emplea una tabla de números aleatorios para
obtener, por ejemplo, 5000 números elegidos al azar entre 1 y 100 millones.
Todos los números tienen la misma probabilidad de ser elegidos. Calculamos
entonces los sumandos correspondientes a los 5000 números y los sumamos.
Tomándolos como una muestra representativa del conjunto de los 100 millones de
cantidades a sumar, obtenemos nuestra aproximación multiplicando el resultado
por 100 millones y dividiéndolo por 5000 (es decir, multiplicándolo por 20
000). De este modo, hemos aproximado un cálculo muy largo por otro mucho menor.
¿Aleatorio o pseudoaleatorio?
Una tabla de números aleatorios es un conjunto de
números enteros comprendidos entre 1 y un valor fijo grande en el que cada
número ha sido elegido por un proceso estocástico en el que todos los números
en el intervalo elegido tienen la misma probabilidad de aparecer. De hecho,
tales tablas no se suelen generar de este modo, sino que son en realidad tablas
de números pseudoaleatorios. Estos números los produce un ordenador mediante
alguna ley matemática definida, pero tan confusa que pueda suponerse que simula
un proceso azaroso (por ejemplo, podría emplearse una ley caótica, en el
sentido técnico del término). La lista de números resultante puede comprobarse
para determinar si satisface los criterios estadísticos que una tabla producida
por un proceso estocástico auténtico satisfaría en la mayoría de casos. En el
caso de la tabla de la RAND, ¿eran los números realmente pseudoaleatorios?
¿Reveló una comprobación de última hora que uno de tales criterios no se
satisfacía lo suficiente? ¿Fue por eso por lo que se adjuntaba la fe de
erratas? Pues bien, la respuesta a todas estas preguntas es «no». Después de
todo, es posible generar una tabla de números aleatorios por
medio de un proceso verdaderamente estocástico, como, por ejemplo, un fenómeno
mecanocuántico. En efecto, la tabla de la RAND fue generada estocásticamente
por medio del ruido producido en un tubo de vacío. Más aún, la fe de erratas se
refería a los 100 000 números con distribución normal, y no a la propia tabla
de números aleatorios. El misterio que resultó tan instructivo no era, después
de todo, ningún misterio. No obstante, los métodos estocásticos requieren una
gran cantidad de trabajo, y resulta más práctico dejar que un ordenador genere
una secuencia siguiendo una ley determinista y asegurarse después de que las
indeseables regularidades introducidas sean relativamente inofensivas en las
situaciones en que va a utilizarse la tabla. Hay que tener en cuenta, no
obstante, que puede resultar peligroso el empleo de secuencias pseudoaleatorias
como si fuesen verdaderamente aleatorias.
Hace poco leí que una tabla de números
pseudoaleatorios empleada en muchos laboratorios había resultado ser seriamente
no aleatoria. Como consecuencia, ciertos cálculos efectuados con esos números
estaban muy equivocados. Este incidente nos demuestra que las secuencias de
números provenientes de procesos deterministas caóticos o cuasicaóticos pueden
contener muchas regularidades.
El caos determinista en los mercados financieros
En ocasiones, secuencias que parecían estocásticas
resultan ser en realidad parcialmente pseudoaleatorias. Por ejemplo, muchos
economistas neoclásicos han predicado durante años que, en los mercados
financieros, las fluctuaciones de precios en torno a los valores establecidos
por los principios de mercado eran un «paseo aleatorio», es decir, un cierto
tipo de proceso estocástico. Al mismo tiempo, es posible obtener asesoramiento
financiero por parte de asesores bursátiles, que estudian concienzudamente en las
gráficas las variaciones de los precios en función del tiempo y pretenden
derivar de ellas predicciones sobre si los precios subirán o bajarán en un
futuro próximo. Una vez leí un artículo de un economista que mostraba su ira
ante la idea de que alguien pretendiese utilizar tal método para desafiar la fe
de los economistas en que las fluctuaciones no son más que un proceso
aleatorio.
En la actualidad ha quedado probado que la idea del
carácter azaroso de las fluctuaciones financieras es errónea. De hecho, son en
parte un proceso pseudoaleatorio, como el caos determinista; en principio
contienen suficientes regularidades para que pueda ganarse dinero
aprovechándolas. Ello no significa que uno pueda hacer fortuna con todas las
panaceas financieras que ofrecen los asesores bursátiles; muchos de sus
consejos no valen probablemente para nada. No obstante, la idea de que las
fluctuaciones de precios son algo más que un proceso estocástico no es tan
descabellada como creía el irritado economista del artículo. (Doyne Farmer y
Norman Packard, dos físicos miembros de la familia del Instituto de Santa Fe,
han abandonado su trabajo como investigadores para fundar una empresa de
inversiones. Emplean técnicas derivadas de la teoría del caos determinista y
los sistemas cuasicaóticos para descubrir las regularidades presentes en las
fluctuaciones mercantiles e invertir de acuerdo con ellas. Comenzaron practicando
sobre el papel unos cuantos meses, y más tarde invirtieron dinero procedente de
un préstamo bancario. Hasta hoy, las cosas les han ido bastante bien.)
Resumamos los tres usos técnicos de la
palabra aleatorio con los que nos hemos encontrado:
1. Una cadena aleatoria de bits es una cadena tal que
no existe ninguna regla para comprimir su descripción.
2. Un proceso aleatorio es un proceso azaroso o
estocástico. Si lo empleamos para generar una cadena de bits de cierta
longitud, producirá a menudo secuencias aleatorias completamente
incompresibles; sin embargo, ocasionalmente producirá cadenas con unas pocas
regularidades que puedan comprimirse algo, y muy raras veces producirá
secuencias muy regulares, altamente compresibles y en absoluto aleatorias.
3. Una tabla de números aleatorios está generada
normalmente por un proceso pseudoaleatorio —un proceso informático determinista
que no es realmente un proceso estocástico, pero que es lo suficientemente
confuso (por ejemplo, caótico) como para simular bastante bien un proceso
realmente estocástico en la mayoría de aplicaciones, satisfaciendo algunos de
los criterios estadísticos que cumpliría un proceso estocástico—. Cuando se
emplean procesos pseudoaleatorios para producir cadenas de bits, las secuencias
generadas se parecen mucho a los resultados obtenidos por un proceso azaroso.
Shakespeare y los monos escritores
Ya estamos preparados para comprender por qué la
incertidumbre algorítmica (o contenido de información algorítmica) no se ajusta
plenamente a nuestra idea intuitiva de complejidad. Consideremos el conocido
ejemplo de los monos escritores, que golpean las teclas de sus máquinas de
escribir de manera estocástica, con la misma probabilidad de teclear cualquier
símbolo o un espacio en blanco cada vez. Me cuesta creer que algún mono de
verdad se comporte nunca de esta manera, pero esto no importa aquí. Lo que nos
preguntamos es cuál será la probabilidad de que, en un determinado período de
tiempo, consiguiesen teclear las obras completas de Shakespeare (o, si se
prefiere, todos los libros del Museo Británico, lo que ahora se llama la
Biblioteca Británica). Naturalmente, si cierto número de monos teclease un
número suficientemente grande de páginas, habría una probabilidad distinta de
cero de que en la totalidad del texto escrito estuviese contenido un pasaje con
las obras completas de Shakespeare (pongamos la edición Folio). Sin embargo,
esta probabilidad sería inimaginablemente pequeña. Si todos los monos del mundo
tecleasen sin descanso ocho horas al día durante diez mil años, la probabilidad
de que compusiesen de modo conexo la edición Folio de las obras de Shakespeare
seguiría siendo completamente despreciable.
En un cuento de Russell Maloney titulado
«Inflexible Logic» (Lógica inflexible), aparecido en la revista The New
Yorker hace algunos años, seis chimpancés comienzan a teclear
sistemáticamente, sin dudas ni errores, los libros del Museo Británico, uno
detrás de otro. Los pobres monos tienen un final desdichado: un científico los
mata para preservar sus concepciones sobre las leyes de la probabilidad. El
último chimpancé, agonizante, «se dejó caer ante su máquina de escribir.
Penosamente, con su mano izquierda, sacó la última página terminada del Florio de
Montaigne. Buscó a tientas un folio en blanco, lo puso en el carro y tecleó con
un dedo: “LA CABAÑA DEL TÍO TOM, por Harriet Beecher Stowe, Capít...”. Luego,
él también murió».
Consideremos un mono escritor, no del tipo descrito
por Maloney, que escriba un texto de longitud igual a la edición Folio, y
comparemos un producto típicamente simiesco con las obras de
Shakespeare. ¿Cuál tiene un mayor contenido de
información algorítmica? Obviamente, la obra del mono. A través de un proceso
azaroso (el segundo significado que dimos a la palabra aleatorio), es muy
probable que el mono componga una cadena aleatoria o cuasialeatoria de símbolos
(en el primer sentido de aleatorio). Si de alguna manera codificásemos el
trabajo del mono en una cadena de bits, sería muy probable que tal secuencia
exhibiese una incertidumbre algorítmica máxima, o prácticamente máxima, para una
cadena de su longitud. Las obras de Shakespeare no son tan aleatorias. Las
reglas de la gramática inglesa, la ortografía (pese al uso descuidado que
Shakespeare hacía de un método ya de por sí poco sistemático), la necesidad de
componer oraciones con sentido lógico y muchos otros factores, contribuyen a la
regularidad en los textos de Shakespeare, haciendo que éstos posean un
contenido de información algorítmica (o incertidumbre algorítmica) mucho menor
que cualquier pasaje razonablemente probable de la misma longitud tecleado por
un mono. Y esto es cierto para cualquier autor de habla inglesa: ¡todavía no
hemos tenido en cuenta la genialidad de Shakespeare!
Complejidad efectiva
Resulta evidente que el contenido de información
algorítmica o incertidumbre algorítmica, aunque a veces reciba el nombre de
complejidad algorítmica, no se corresponde en la mayoría de situaciones con lo
que entendemos por complejidad. Para definir la complejidad efectiva precisamos
algo distinto de una magnitud que se hace máxima en las cadenas aleatorias. De
hecho, son los aspectos no aleatorios de un sistema o una cadena los que
contribuyen a su complejidad efectiva; ésta puede caracterizarse de modo aproximado
por la longitud de una descripción concisa de las regularidades de dicho
sistema o cadena. La complejidad bruta y el contenido de información
algorítmica no se corresponden con lo que entendemos habitualmente por
complejidad, porque se refieren a la longitud de una descripción concisa de la
totalidad del sistema o cadena —incluyendo sus características aleatorias—, y
no únicamente de sus regularidades.
Para discutir con mayor profundidad el concepto de
complejidad efectiva es esencial examinar detalladamente la naturaleza de los
sistemas complejos adaptativos. Veremos que el aprendizaje y la evolución
requieren, entre otras cosas, la capacidad de distinguir lo aleatorio de lo
regular. De esta forma, la complejidad efectiva de un sistema está relacionada
con la descripción de sus regularidades por parte de otro sistema complejo
adaptativo que lo esté observando.
Capítulo 5
Un niño aprendiendo a hablar
Cuando mi hija estaba aprendiendo a hablar, una de
sus primeras frases era «Daddy go car-car», que recitaba cada
mañana cuando me iba a trabajar. Que la frase aludiera a mí me producía una
gran satisfacción, y me encantaba que ella estuviese realmente hablando, aunque
su inglés todavía necesitara algo de práctica. Hasta hace poco no caí en la
cuenta de que ciertos rasgos de la gramática inglesa estaban ya presentes en
aquella frase. Pensemos, por ejemplo, en el orden de las palabras. En inglés el
sujeto se antepone al verbo (lo que no ocurre en otras lenguas como, por
ejemplo, el galés, el hawaiano y el malgache). El sujeto y el verbo estaban
correctamente colocados, igual que la expresión «car-car». En
la sentencia gramatical inglesa «[Dady] [is going away] [in
his car]» el orden de los tres elementos es exactamente el mismo que
en la aproximación del bebé.
Naturalmente, a medida que mi hija crecía su
gramática mejoraba y en unos pocos años ya hablaba correctamente. Cualquier
niño normal al cuidado de una persona que hable un lenguaje particular y lo
emplee regularmente para dirigirse a él, aprenderá a hablar de modo
gramaticalmente correcto ese mismo lenguaje al cabo de algunos años (aunque más
de un norteamericano pensará que esto no es aplicable a muchos estudiantes de
enseñanza secundaria). De hecho, la mayoría de niños son capaces de aprender
dos y hasta tres lenguas, especialmente cuando el niño es cuidado habitualmente
por más de una persona y cada una de ellas le habla regularmente en un lenguaje
distinto. El aprendizaje se produce aunque la exposición del niño a un lenguaje
particular sea a través de un solo hablante. Pero ¿cómo se las arregla el niño
para saber, de entre las maneras posibles de construir un enunciado en un
lenguaje dado, cuáles son gramaticales y cuáles no?
Imaginemos que haya sólo cincuenta mil enunciados
posibles y que un niño ensaye sistemáticamente cincuenta enunciados nuevos cada
día durante mil días, indicándole su madre pacientemente «bien» o «mal» en cada
caso. Asumiendo este absurdo planteamiento y una memoria perfecta por parte del
niño, éste necesitará un mínimo de tres años para conocer exactamente cuáles de
entre los cincuenta mil enunciados posibles son gramaticales.
Un informático diría que este niño ficticio se ha
construido un «listado» mental que incluiría todos los enunciados candidatos
junto con la etiqueta «gramatical» o «no gramatical». Pero cincuenta mil
enunciados es demasiado poco; está claro que los niños reales tienen que
aprender de otra manera.
En cualquier lenguaje humano hay un número
ilimitado de enunciados posibles, los cuales pueden contener un número
arbitrariamente grande de oraciones que a su vez incluyen palabras y
expresiones modificadoras. La longitud de un enunciado está limitada sólo por
el tiempo disponible y por la paciencia y memoria del hablante y del oyente.
Por otro lado, el vocabulario que se maneja suele incluir muchos miles de
palabras. No hay modo de que un niño escuche o recite todos los enunciados
posibles y elabore con ellos un listado. Es más, una vez completado el proceso
real de aprendizaje, un niño puede decir si un enunciado nunca oído con
anterioridad es gramatical o no.
Los niños tienen que elaborar, sin tener plena
conciencia de ello, un conjunto provisional de reglas acerca de lo que es
gramatical y lo que no. Después, a medida que continúan escuchando enunciados
gramaticalmente correctos y ensayan ocasionalmente enunciados que les son
corregidos, van modificando el conjunto de reglas, de nuevo sin tener
necesariamente plena conciencia de ello. En inglés, por ejemplo, resulta fácil
para un niño aprender la construcción regular o «débil» del pasado de un verbo
añadiendo -ed o -d al presente. Más tarde,
cuando se encuentra con irregularidades como sing y sang (presente
y pasado del verbo «cantar», un verbo «fuerte»), el niño modifica el conjunto
de reglas para incluir esta excepción. Pero esto puede llevarle a pronunciar,
por ejemplo, bring y brang en vez de bring y brought (presente
y pasado del verbo «traer»), un error que, una vez corregido, conducirá a una
nueva modificación de las reglas. De este modo, a través del mejoramiento
progresivo del conjunto de reglas internas, en la mente del niño va tomando
forma una gramática.
Está claro que, mientras aprende a hablar, el niño
hace uso de información gramatical que va adquiriendo año tras año a partir de
ejemplos de enunciados gramaticales y no gramaticales. Pero, en vez de
construir una lista, el niño comprime de alguna manera esta experiencia en un
conjunto de reglas, una gramática interna que se ajusta incluso a enunciados
nuevos no escuchados con anterioridad.
Ahora bien, la información obtenida del mundo
exterior, por ejemplo de unos padres que hablan la lengua en cuestión, ¿es
suficiente para construir tal gramática interna? Para Noam Chomsky y su escuela
la respuesta es no: el niño tiene que estar equipado ya desde el nacimiento con
una gran cantidad de información aplicable a la gramática de cualquier lengua
natural humana. La única fuente plausible de dicha información es una tendencia
innata, fruto de la evolución biológica, a hablar lenguas con ciertos rasgos
gramaticales generales compartidos por todas las lenguas humanas naturales. La
gramática de cada lengua particular contiene también rasgos adicionales no
programados biológicamente. Muchos de ellos varían de una lengua a otra, pero
otros probablemente son tan universales como los innatos. Son estos rasgos
adicionales los que el niño tiene que aprender.
La gramática como esquema parcial
Naturalmente, el que un enunciado sea gramatical no
significa que tenga que ajustarse a los hechos. Cualquier hispanohablante sabe
que es gramaticalmente correcto decir «el cielo es verde con rayas rojas y
amarillas», aunque tal cosa es improbable, por lo menos en la Tierra. Pero hay
muchos otros criterios aparte de la mera veracidad que condicionan la elección
de los enunciados gramaticales que uno pronuncia en cada ocasión.
Al construir una gramática interna, el niño separa
efectivamente los rasgos gramaticales de todos los otros factores, en parte
estocásticos, que conducen a los enunciados particulares que escucha. Sólo de
este modo es posible la compresión en un conjunto de reglas gramaticales
manejable.
El niño exhibe así la primera característica de un
sistema complejo adaptativo. Ha comprimido ciertas regularidades identificadas
en un cuerpo de experiencia dentro de un esquema que incluye reglas que
gobiernan dicha experiencia, pero omite las circunstancias especiales en que
las reglas deben aplicarse.
La gramática, sin embargo, no abarca todas las
regularidades presentes en una lengua. También hay que considerar las reglas de
los sonidos (lo que los lingüistas llaman la «fonética» de un lenguaje), las de
la semántica (relativas a lo que tiene sentido y lo que no) y otras. El esquema
gramatical, por lo tanto, no incluye todas las reglas del habla, y la gramática
no es lo único que se echa en falta cuando se prescinde arbitrariamente de
algún rasgo de la sucesión de datos lingüísticos. De todos modos, la adquisición
infantil de una gramática es un ejemplo excelente de la construcción de un
esquema, en este caso un esquema parcial.
El proceso de aprendizaje gramatical también pone
de manifiesto las otras propiedades del funcionamiento de los sistemas
complejos adaptativos. Un esquema está sujeto a variación. Para poner a prueba
las diferentes variantes en el mundo real es necesario incorporar detalles
adicionales como los que se dejaron de lado en la creación del esquema. De este
modo se vuelve a encontrar en el mundo real una sucesión de datos de la misma
clase que aquella de la que el esquema fue abstraído previamente. Finalmente, lo
que ocurre en el mundo real determina qué variantes sobreviven.
En la adquisición de la gramática inglesa, el
esquema varía cuando, por ejemplo, la regla de construcción del pasado simple
de un verbo con la terminación -ed o -d es
modificada por excepciones como sing-sang y bring-brought. Para
poner a prueba estas variantes, el niño tiene que hacer uso del esquema en un
enunciado real, restituyendo las circunstancias especiales eliminadas para
hacer el esquema posible. El niño puede decir, por ejemplo, «Wesang a hymn
yesterday morning» [Cantamos un himno ayer por la mañana]. El
enunciado es satisfactorio. Si, en cambio, el niño dice «I brang home
something to show you» [Traje algo a casa para enseñártelo], el padre
podría replicar: «Es muy amable por tu parte enseñarme esta cucaracha que
encontraste en casa de tía Bessie, pero deberías decir I brought...».
Como resultado de esta experiencia, es probable que en el futuro el niño ensaye
un nuevo esquema que dé cabida a ambas irregularidades (naturalmente, en muchos
casos el esquema se pone a prueba simplemente cuando el niño escucha hablar a
alguien).
Sistemas complejos adaptativos y complejidad
efectiva
El funcionamiento de un sistema complejo adaptativo
se muestra en el diagrama de la Figura 2. Puesto que un sistema complejo
adaptativo extrae regularidades de entre lo aleatorio, es posible definir la
complejidad en términos de la longitud del esquema empleado por un sistema
complejo adaptativo para describir y predecir las propiedades de una sucesión
de datos de entrada. Naturalmente, estos datos son por lo general relativos al
funcionamiento de algún otro sistema que está siendo observado por el sistema complejo
adaptativo considerado.
La utilización de la longitud de un esquema no
significa una vuelta al concepto de complejidad bruta, pues el esquema no
constituye una descripción completa de la sucesión de datos o del sistema
observado, sino tan sólo de las regularidades abstraídas a partir de los datos
disponibles. En algunos casos, como en el de la gramática, sólo se incluye un
cierto tipo de regularidades, dejando aparte el resto, y el resultado es un
esquema parcial.
Se podría concebir la complejidad gramatical en
términos de un libro de texto de gramática. En pocas palabras, cuanto más largo
es el texto más compleja es la gramática. Esto concuerda muy bien con la noción
de complejidad como longitud de un esquema. Cada una de las pequeñas y
fastidiosas excepciones incrementa la extensión del libro y la complejidad
gramatical del lenguaje.
Aquí vuelven a aparecer fuentes de arbitrariedad
tales como la resolución y el conocimiento o entendimiento compartidos
inicialmente. En el caso de un libro de gramática, la resolución se corresponde
con el grado de detalle alcanzado en el texto. ¿Se trata de una gramática muy
elemental que deja de lado muchas excepciones y reglas poco claras, tratando
sólo los puntos principales que necesita un viajero al que no le preocupe
equivocarse de vez en cuando? ¿O se trata de un voluminoso tomo académico? Si es
así, ¿es uno de los viejos textos familiares o una gramática generativa de las
que se han puesto ahora de moda? Es obvio que la longitud del libro dependerá
de tales distinciones. En cuanto al conocimiento inicial, considérese una
gramática clásica de una lengua extranjera escrita en inglés para
angloparlantes. Si se trata de una gramática holandesa (estrechamente
relacionada con la inglesa y con similitudes evidentes), el número de conceptos
gramaticales nuevos que habrá que introducir será bastante inferior al que
habría que introducir en el caso del idioma navajo, cuya estructura es muy
diferente de la del inglés. La gramática del navajo tendría que ser más larga.
Del mismo modo, una hipotética gramática holandesa escrita para hablantes
navajos tendría que ser presumiblemente más larga que una gramática holandesa
escrita para ingleses.
Aun teniendo en cuenta estos factores, sigue siendo
razonable relacionar la complejidad gramatical de una lengua con la longitud de
un texto que describa su gramática. Sin embargo, sería más interesante poder
mirar dentro del cerebro de un hablante nativo (cosa que los avances
tecnológicos quizás hagan posible algún día) y observar cómo está codificada en
él la gramática. La longitud del esquema representado por esta gramática
interna proporcionaría una medida algo menos arbitraria de la complejidad gramatical.
(Naturalmente, la definición de longitud en este caso puede ser sutil,
dependiendo del modo en que esté codificada la información gramatical. ¿Está
inscrita localmente en neuronas y sinapsis o distribuida de algún modo en una
red general?)
Definimos la complejidad efectiva de un sistema,
relativa a un sistema complejo adaptativo observador, como la longitud del
esquema utilizado para describir sus regularidades. Podemos emplear el término
«complejidad efectiva interna» cuando el esquema gobierna de algún modo el
sistema objeto de discusión (igual que la gramática inscrita en el cerebro
regula el habla) en vez de limitarse a ser un mero recurso de un observador
externo, como el autor de un texto gramatical.
Separación entre regularidad y aleatoriedad
La utilidad del concepto de complejidad efectiva,
especialmente cuando no es interna, depende de si el sistema complejo
adaptativo observador es competente a la hora de identificar y comprimir
regularidades y descartar lo que es incidental. Si no es así, la complejidad
efectiva del sistema observado tiene que ver más con las limitaciones
particulares del observador que con las propiedades del sistema observado. La
eficiencia del observador con frecuencia resulta evidente, pero el concepto
mismo de eficiencia plantea cuestiones profundas. Ya hemos visto que la noción
de compresión óptima puede tropezar con el obstáculo de la no conmutabilidad.
Pero, aparte de la compresión, ¿qué ocurre con la identificación de
regularidades? ¿Está realmente bien definido el problema de identificar
regularidades a partir de una sucesión de datos?
La tarea sería más fácil si la sucesión de datos
fuera, en algún sentido, de longitud indefinida, como en el caso de un discurso
o texto tan extenso que comprenda muestras representativas de todos los
enunciados posibles (hasta una determinada longitud) que pueden pronunciarse en
un lenguaje dado. De este modo hasta la más rara regularidad gramatical se
mostraría una y otra vez en condiciones similares, resultando así distinguible
de una regla falsa fruto de una mera fluctuación aleatoria (por ejemplo, en un
texto corto en inglés el pretérito perfecto podría no aparecer, sugiriendo
equivocadamente que en dicha lengua no existe tal tiempo verbal, mientras que
en un texto muy largo no es probable que esto ocurra).
Identificación de ciertas clases de regularidad
Un grupo de físicos teóricos, entre ellos Jim
Crutchfield, que trabaja en el Instituto de Santa Fe y en la universidad de
California en Berkeley, ha hecho considerables progresos en la distinción entre
regularidad y aleatoriedad dentro de una cadena de bits indefinidamente larga.
Para ello definen clases que abarcan un abanico de regularidades y muestran
cómo podría emplearse en principio un ordenador para encontrar y clasificar
cualquier regularidad que caiga dentro de una de estas categorías. Pero estos métodos
no proporcionan ningún algoritmo para identificar cada tipo de regularidad. No
existe tal algoritmo. Sin embargo demuestran que en cuanto un computador ha
encontrado regularidades pertenecientes a ciertas clases en una cadena de bits,
puede deducir la presencia de nuevas regularidades pertenecientes a una clase
más amplia e identificarlas. Esto es lo que se llama «aprendizaje jerárquico».
Por lo general, una clase de regularidades
corresponde a un conjunto de modelos matemáticos para generar una sucesión de
datos. Supongamos que la sucesión de datos es una cadena de bits que se sabe
generada por un proceso al menos en parte estocástico, como el lanzamiento de
una moneda. Un ejemplo muy simple de conjunto de modelos sería entonces el que
surge de considerar una secuencia de lanzamientos de una moneda trucada, en que
la probabilidad de que salga cara (un 1 en la cadena de bits) es algún valor fijo
entre 0 y 1, distinto p ara cada modelo, mientras que la probabilidad de que
salga cruz (un 0 en la cadena de bits) es 1 menos la probabilidad de que salga
cara.
Si la probabilidad de que salga cara es 1/2,
cualquier regularidad aparente en la secuencia sería únicamente debida al azar.
A medida que la cadena de bits se alarga, la probabilidad de dejarse engañar
por tales regularidades aleatorias disminuye, a la vez que aumenta la
probabilidad de reconocer que la secuencia corresponde a una moneda no trucada.
En el extremo opuesto, consideremos una cadena de dos bits. En el caso de una
moneda no trucada, hay una posibilidad sobre cuatro de que ambos bits sean 1 (regularidad
perfecta). Pero una secuencia así podría obtenerse también con una moneda de
dos caras. Así pues, una corta cadena de bits procedente de una secuencia de
lanzamientos de una moneda no trucada puede confundirse a menudo con la de una
moneda fuertemente desequilibrada. En general, la ventaja de considerar una
sucesión de datos indefinidamente larga es que se incrementa enormemente la
posibilidad de discriminar entre modelos distintos, correspondiendo cada modelo
a una clase particular de regularidades.
Una ligera complicación adicional podría consistir
en imponer que todas las secuencias en que salgan dos caras seguidas sean
descartadas. La regularidad resultante —que la cadena de bits nunca contendría
dos unos seguidos— sería fácil de reconocer en cualquier cadena larga. Una
complicación aún mayor podría consistir en descartar todas las secuencias que
contengan un número par de caras seguidas.
Cuando un sistema complejo adaptativo recibe una
sucesión de datos arbitrariamente larga, por ejemplo en la forma de una cadena
de bits, puede dedicarse a buscar sistemáticamente regularidades de una clase
dada (correspondientes a modelos de una clase dada), pero no hay ningún
procedimiento exhaustivo para buscar todas las regularidades posibles.
Cualquier regularidad identificada puede incorporarse entonces en un esquema
que describa la sucesión de datos (o un sistema que la genere).
Partición de la sucesión de datos: Información
mutua
Para identificar regularidades dentro de una
sucesión de datos de entrada, un sistema complejo adaptativo típico divide
dicha sucesión en numerosas partes comparables entre sí e investiga sus rasgos
comunes. La información común a muchas partes, o «información mutua», sirve
para diagnosticar regularidades. En el caso de un texto en un lenguaje
determinado, los enunciados podrían ser las partes objeto de comparación. La
información gramatical mutua entre los distintos enunciados pondría de
manifiesto las regularidades gramaticales.
Sin embargo, la información mutua sólo sirve para
identificar regularidades, y su magnitud no constituye una medida directa de la
complejidad efectiva. Una vez han sido identificadas ciertas regularidades y se
ha elaborado una concisa descripción de ellas, es la longitud de la descripción
lo que mide la complejidad efectiva.
Alta complejidad efectiva y contenido de
información algorítmica intermedio
Supongamos que en el sistema objeto de descripción
no hay regularidades de ninguna clase, como ocurriría muchas veces (¡pero no
siempre!) con un pasaje tecleado por nuestros proverbiales monos. Un sistema
complejo adaptativo sería entonces incapaz de encontrar ningún esquema, pues
los esquemas resumen regularidades. En otras palabras, el único esquema posible
tendría longitud cero, y el sistema complejo adaptativo asignaría el valor cero
a la complejidad efectiva del desorden aleatorio en estudio. Esto es absolutamente
apropiado, pues la gramática de un puro galimatías debería tener longitud cero.
Aunque el contenido de información algorítmica de una cadena de bits aleatoria
de longitud dada es máximo, la complejidad efectiva es cero.
En el otro extremo de la escala, el contenido de
información algorítmica de una cadena de bits enteramente regular, por ejemplo
una sucesión de unos, es próxima a cero. La complejidad efectiva — la longitud
del esquema que describe las regularidades de la cadena de bits— también
debería ser próxima a cero, ya que el mensaje «todo 1» es muy corto.
Así pues, para que la complejidad efectiva tenga un
valor apreciable el contenido de información algorítmica no debe ser ni
demasiado bajo ni demasiado alto; en otras palabras, el sistema no debe estar
ni demasiado ordenado ni demasiado desordenado.
El diagrama de la Figura 4 ilustra a grandes rasgos
cómo la mayor complejidad efectiva posible de un sistema (relativa a un sistema
complejo adaptativo observador) varía con el contenido de información
algorítmica, alcanzando valores máximos en la zona intermedia entre el orden
excesivo y el desorden excesivo. Muchas magnitudes importantes que surgen en el
tratamiento de la simplicidad, la complejidad y los sistemas complejos
adaptativos comparten esta misma propiedad.
Figura 4. Diagrama que muestra a grandes rasgos cómo varía la complejidad
efectiva máxima con el contenido de infamación algorítmica
Cuando un sistema complejo adaptativo observa otro
sistema e identifica algunas regularidades, el contenido de información
algorítmica de la sucesión de datos procedente del sistema observado se expresa
como la suma de dos términos: el contenido de información aparentemente regular
y el contenido de información aparentemente estocástica. La longitud del
esquema —la complejidad efectiva del sistema observado— se corresponde
esencialmente con la fracción aparentemente regular del contenido de
información. Para una sucesión aleatoria de datos, reconocida como tal, la
complejidad efectiva es cero y el contenido de información algorítmica es
atribuible en su totalidad al azar. Para una sucesión de datos perfectamente
regular (por ejemplo, una larga cadena de bits que sólo contenga unos) el
contenido de información algorítmica en su totalidad es regular (no existe
fracción estocástica) pero extremadamente pequeño. Las situaciones más
interesantes son las que se encuentran entre estos dos extremos, donde el contenido
de información algorítmica es apreciable pero no máximo (para la longitud de la
sucesión de datos) y es la suma de dos términos significativos, la fracción
aparentemente regular (la complejidad efectiva) y la fracción aparentemente
estocástica.
Aprendizaje mediante los genes o el cerebro
Aunque nuestro examen de los sistemas complejos
adaptativos arranca con el ejemplo del aprendizaje en el niño, no es necesario
acudir a algo tan sofisticado para ilustrar este concepto. También podrían
servir nuestros parientes los primates —caricaturizados antes en la historia de
la máquina de escribir—, lo mismo que un perro. De hecho, el adiestramiento de
nuestras mascotas es una de las maneras de observar procesos de aprendizaje en
otros mamíferos.
Enseñar a un perro a estarse quieto supone aplicar
una abstracción a gran número de situaciones: permanecer sentado en el suelo,
quedarse dentro de un coche con la ventanilla abierta, resistirse a perseguir
una tentadora ardilla, etc. El perro aprende, por medio de recompensas y/o
castigos, el esquema correspondiente a la orden de estarse quieto. Los esquemas
alternativos como, por ejemplo, que haga una excepción a la hora de perseguir
gatos, son (al menos en teoría) descartados a medida que progresa el aprendizaje.
Pero aunque el perro adopte un esquema como éste estaremos ante el resultado
del funcionamiento de un sistema complejo adaptativo. En este caso la
competencia entre las presiones del entrenamiento y del instinto cazador habrá
propiciado la supervivencia de un esquema distinto al deseado por el
adiestrador.
Una vez dada la orden de estarse quieto, el perro
entrenado incorpora los detalles apropiados a la situación concreta y aplica el
esquema al mundo real en forma de una conducta que es premiada o castigada, lo
que contribuye a determinar si el esquema sobrevive o no. Sin embargo, la
tendencia a perseguir gatos o ardillas, que también influye en la competencia
entre esquemas, no ha sido aprendida por el perro, sino que ha sido programada
genéticamente como resultado de la evolución biológica.
Todos los organismos incorporan tales programas.
Cuando una hormiga merodea en busca de alimento, sigue una pauta innata que ha
evolucionado a lo largo de millones de años. Hace algún tiempo, Herb Simon, un
prestigioso experto en psicología, economía e informática de la Universidad de
Carnegie-Mellon, se valió de los movimientos de las hormigas para ilustrar el
sentido de lo que yo llamo complejidad efectiva. La trayectoria seguida por una
hormiga puede parecer compleja, pero las reglas del proceso de búsqueda son
simples. La intrincada trayectoria de la hormiga manifiesta una elevada
complejidad algorítmica, de la que sólo una pequeña parte es atribuible a las
reglas que subyacen a las regularidades de la búsqueda. Pero esta pequeña parte
constituye —al menos aproximadamente— la totalidad de la complejidad efectiva.
El contenido de información algorítmica restante, el grueso de la complejidad
aparente, es resultado de rasgos aleatorios del terreno explorado por la
hormiga. (Hace poco hablé de este asunto con Herb, quien al final exclamó con
sorna: «¡Esa hormiga debe de estar ya a un montón de kilómetros de aquí!».)
En una secuencia de organismos cada vez menos
sofisticados —pongamos un perro, un pez de colores, un gusano y una ameba— el
aprendizaje individual tiene cada vez menos relevancia en comparación con los
instintos acumulados en el transcurso de la evolución biológica. Pero la propia
evolución biológica puede ser descrita a su vez como un sistema complejo
adaptativo, incluso en los organismos más sencillos.
Capítulo 6
Bacterias que desarrollan resistencia a los fármacos
De joven yo tenía la costumbre de hojear
enciclopedias (un hábito que todavía persiste, para regocijo de mi familia).
Una vez encontré un artículo sobre la enfermedad del bronce que me hizo pensar
por vez primera en algunas de las cuestiones centrales de este libro.
La enfermedad del bronce es un conjunto de
reacciones químicas responsables de la corrosión de las superficies de dicho
metal en forma de manchas verdeazuladas que crecen y se extienden. En
condiciones de humedad, la enfermedad puede propagarse por el aire de una
superficie a otra y arruinar una colección completa de objetos de bronce. La
protección contra la enfermedad del bronce no es un asunto baladí, ya que los
jarrones de bronce chinos de la dinastía Shang, por poner un ejemplo, pueden
llegar a valer hasta un millón de dólares. Cuando leí esto por primera vez,
como pobre que era, mi punto de vista era bien diferente del de los
coleccionistas.
Por lo que a mí respecta estaba maravillado. «¿En
qué se diferencia la enfermedad del bronce de una plaga causada por un
organismo vivo? ¿Obedece la enfermedad del bronce meramente a las leyes de la
física y la química?». Pero ya de niño yo rechazaba, como han hecho los
científicos serios durante generaciones, la idea de que la vida estuviese
caracterizada por alguna «fuerza vital» más allá de la física y la química. No,
una bacteria obedece igualmente a las leyes de la física y la química. Pero
entonces, ¿cuál era la diferencia? Se me ocurrió que las bacterias (como todos
los demás seres vivos) exhiben una variabilidad heredable y sujeta a la
selección natural, mientras que en la enfermedad del bronce no hay ninguna
evidencia de tales cosas. Ésta sí es una diferencia crítica.
Para explorar esta distinción un poco más,
considérese el ejemplo del flujo turbulento de un fluido a través de una
tubería. Se sabe desde hace más de un siglo que la energía se disipa en forma
de remolinos cada vez más pequeños. Para describirlos, los físicos citan a
menudo a Jonathan Swift:
Así, según observan los naturalistas, una pulga
Engendra pulgas menores que hacen presa en ella,
Y éstas engendran pulgas menores que las pican,
Y así hasta el infinito.
Y el físico y matemático L. F. Richardson compuso
su propio ripio especialmente dedicado a los remolinos:
Grandes espirales generan pequeñas espirales,
Que se alimentan de su velocidad;
Y las pequeñas espirales generan espirales menores,
Y así hasta la viscosidad.
En cierto sentido, los remolinos pequeños nacen de
los grandes. Si la tubería tiene dobleces y constricciones, puede que algunos
remolinos grandes desaparezcan sin dejar descendencia, mientras que otros
sobreviven y generan muchos remolinos pequeños, que a su vez generan otros más
pequeños, y así sucesivamente. Así pues, los remolinos parecen exhibir una
forma de variación y selección. Pero nadie ha sugerido nunca que se parezcan a
la vida. ¿Qué propiedad importante falta en los remolinos que los organismos
vivos poseen? ¿Qué es lo que distingue realmente el flujo turbulento de la
evolución biológica?
La diferencia radica en la información que se
maneja en uno y otro caso. No hay ningún indicio de que en el flujo turbulento
tenga lugar ningún procesamiento significativo de información, ninguna síntesis
de regularidades. En la evolución biológica, en cambio, la experiencia
representada por la variación y selección natural en el pasado es transmitida a
las generaciones futuras en un paquete de información altamente comprimida, el
«genoma» (o conjunto de genes) de un organismo. Cada gen puede tener formas alternativas
diferentes, que reciben el nombre de «alelos». El conjunto de alelos
particulares de todos los genes de un organismo dado se conoce como «genotipo».
Los biólogos hacen hincapié en la distinción entre
genotipo, que se aplica a la información hereditaria contenida en los genes de
un organismo individual, y fenotipo, que se aplica a la apariencia y
comportamiento del organismo en el curso de su vida. Naturalmente, los cambios
en el genotipo, como la sustitución de un cierto alelo por otro, pueden afectar
al fenotipo a través de la influencia de los genes en los procesos químicos del
organismo. Pero durante el desarrollo del organismo el fenotipo también es
influenciado por multitud de factores, muchos de ellos aleatorios. Piénsese en
todas las circunstancias accidentales que afectan al desarrollo de un ser
humano, desde las etapas unicelular y fetal, pasando por la infancia y la
niñez, antes de que se haga posible la reproducción en la madurez. El genotipo
de un ser humano individual es como una receta de cocina básica que admite
amplias variaciones en el plato preparado al final por el cocinero. Un genotipo
individual permite que emerja del proceso de desarrollo uno de los muchos
adultos alternativos posibles, todos diferentes. En el caso de gemelos
idénticos, que comparten el mismo genotipo, coexisten dos de los adultos
alternativos diferentes. Cuando se crían por separado suministran a menudo una
información preciosa sobre los papeles respectivos de la naturaleza y la
educación en la formación del fenotipo adulto.
En el curso de la evolución biológica se producen,
de generación en generación, cambios aleatorios que contribuyen, junto con las
vicisitudes en el desarrollo individual, a los cambios fenotípicos que
determinarán en parte si un organismo es viable y capaz de alcanzar la madurez,
de reproducirse y de transferir así su genotipo, total o parcialmente, a la
descendencia. Así pues, la distribución de genotipos en la población es el
resultado de la combinación del azar y la selección natural.
La evolución de la resistencia a los fármacos en
bacterias
Un ejemplo de evolución biológica de gran
importancia para la humanidad contemporánea es el desarrollo de bacterias
resistentes a los antibióticos. Por ejemplo, tras el empleo extensivo de la
penicilina durante varias décadas para controlar ciertas especies de bacterias
patógenas, han aparecido cepas que no muestran una sensibilidad especial al
fármaco. Para tratar las enfermedades provocadas por estos gérmenes modificados
se requieren nuevos antibióticos, y pueden causar mucho sufrimiento e incluso
muerte antes de que las nuevas drogas sean perfeccionadas. De modo similar, el
bacilo de la tuberculosis ha sido mantenido a raya durante décadas por ciertos
antibióticos, pero en los últimos años han aparecido cepas resistentes. La
tuberculosis vuelve a ser un problema sanitario importante, incluso en regiones
donde antiguamente la enfermedad estaba controlada.
En la adquisición de la resistencia bacteriana a
los fármacos suele desempeñar un importante papel el intercambio de material
genético entre dos bacterias individuales. Este proceso, lo más cercano a la
reproducción sexual de que son capaces organismos tan primitivos, fue observado
por primera vez por Joshua Lederberg cuando era un graduado en Yale. Por
entonces yo no me había graduado todavía, y recuerdo la atención que suscitó en
el público en general el descubrimiento del sexo en el reino de los gérmenes;
hasta la revista Time le dedicó un artículo al tema. Para Josh
supuso un lanzamiento en su carrera que le llevaría finalmente al rectorado de
la Universidad Rockefeller. Pero para simplificar la discusión sobre
resistencia bacteriana a los fármacos ignoraré este fenómeno (mis excusas a
Josh).
Por la misma razón propongo ignorar otro importante
mecanismo de transferencia de material genético entre células, donde el
transportador es un virus —un bacteriófago o «fago»— que infecta a las
bacterias. En este proceso, llamado transducción, se basaron los experimentos
precursores de la ingeniería genética.
Las investigaciones minuciosas sobre bacterias se
han centrado en la especie Escherichia coli (o E.
coli), común, inofensiva y hasta útil para la función digestiva en el
intestino humano, pero que a menudo resulta patógena cuando infecta otras
partes del cuerpo (y también, en ciertas formas mutantes, peligrosa incluso en
el tracto digestivo). E. coli es un organismo unicelular cuyo
material genético consiste en unos pocos miles de genes. Un gen típico es una
secuencia de alrededor de un millar de «nucleótidos» (conocidos colectivamente
como ADN). Estos componentes del ADN, que constituyen todos los genes de todos
los organismos, son de cuatro clases, llamadas A, C, G y T, iniciales de sus
nombres químicos. Todo gen forma parte de una cadena de nucleótidos más larga
que, apareada con otra, forma la famosa doble hélice. La estructura de la doble
hélice fue determinada en 1953 por Francis Crick y James Watson a partir de los
trabajos de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins. En E. coli hay
dos cadenas helicoidales que contienen alrededor de cinco millones de
nucleótidos cada una.
Los nucleótidos alineados a lo largo de ambas
cadenas son complementarios entre sí, en el sentido de que A y T siempre se
encuentran enfrentados, igual que G y C. Como la secuencia de nucleótidos de
una cadena determina la de la otra, basta con fijarse en una de ellas para leer
el mensaje que contienen.
Supongamos que en cada cadena hay justamente cinco
millones de nucleótidos. Podemos codificar A como 00, C como 01, G como 10 y T
como 11, de modo que los cinco millones de nucleótidos quedarán representados
por una cadena de diez millones de ceros y unos, es decir, por una cadena de
diez millones de bits. Esta cadena contiene la información que cada E.
coli transmite a las células hijas, que se originan por la división en
dos de la célula bacteriana inicial, un proceso en el que la doble hélice se
duplica y surgen dos nuevas dobles hélices, una por cada célula hija.
Los nucleótidos de una cadena pueden ordenarse de
muchas formas, lo que hace que las posibilidades matemáticas sean
extremadamente numerosas. Para una cadena de, digamos, un millar de nucleótidos
el número de secuencias diferentes concebibles sería de 4 × 4 × 4 ... × 4 × 4,
mil veces. Este número, en la notación decimal usual, tiene alrededor de ¡600
dígitos! Sólo una pequeña fracción de las secuencias teóricamente posibles se
encuentra en la naturaleza (la existencia de todas ellas requeriría muchos más
átomos de los que hay en el universo). En la práctica, cada gen puede tener, en
un momento dado, cientos de alelos diferentes con una probabilidad
significativa de aparición dentro de la población bacteriana, distinguibles
entre sí por sus diferentes efectos bioquímicos y fisiológicos.
Un gen puede experimentar mutaciones como resultado
de accidentes diversos tales como la incidencia de un rayo cósmico o la
presencia de ciertos reactivos químicos en el entorno. Una sola mutación puede
tener un efecto significativo en el comportamiento celular. Por ejemplo, la
mutación de un cierto gen en una célula de E. coli podría, en
principio, producir un nuevo alelo que le confiriese resistencia a la
penicilina. Esta resistencia podría entonces pasar a la descendencia de la
célula al multiplicarse por divisiones celulares repetidas.
Las mutaciones son procesos aleatorios típicos.
Supongamos que una única bacteria hospedada en un tejido produce una colonia
compuesta por bacterias de idéntico genotipo. En esta colonia pueden aparecer
formas mutantes que den lugar a su vez a nuevas colonias. De este modo los
genotipos de la población bacteriana en el tejido infectado se diversifican. Si
se aplica penicilina en cantidad suficiente, sólo las colonias resistentes
continuarán creciendo. Lo importante es que las bacterias resistentes mutantes están
ya presentes como resultado de una mutación aleatoria ancestral antes de que el
fármaco comience a ejercer una presión selectiva en su favor. Y si no están
presentes en el tejido, seguramente existen en alguna otra parte, o por lo
menos aparecen de vez en cuando por azar y después desaparecen. Las mutaciones,
como Lederberg demostró hace tiempo, no son inducidas por la penicilina.
La mutación génica que origina un alelo que
confiere resistencia a los fármacos tiene, presumiblemente, algunos efectos
desfavorables para la función celular. Si no fuera así, es seguro que tales
alelos estarían ya presentes en gran número de células de E. coli, y
la penicilina habría sido inútil desde el principio. Pero a medida que el
empleo de la penicilina se extiende, la supervivencia de las cepas resistentes
se ve favorecida, y cualquier posible desventaja funcional queda en un segundo
plano (un ejemplo aún mejor sería un antibiótico diferente no tan frecuente en
la naturaleza como la penicilina, ya que la bacteria habría tenido menos
contactos con él antes de su empleo en medicina).
El desarrollo de la resistencia a los fármacos
tiene lugar, pues, a través de un cambio en el genotipo, la cadena de unas
decenas de millones de bits que la célula transfiere a sus descendientes. A
través de los genes, la bacteria «aprende» a superar las amenazas a su
supervivencia. Pero el genotipo contiene además una enorme cantidad de
información que permite el funcionamiento de la célula bacteriana. Los genes
contienen las lecciones de supervivencia aprendidas durante miles de millones
de años de evolución biológica.
La experiencia de la especie E. coli y
sus formas ancestrales no ha quedado registrada sólo para servir de referencia
en un listado; las regularidades presentes en dicha experiencia han sido
identificadas y comprimidas en la cadena representada por el genotipo. Algunas
de estas regularidades, como la presencia frecuente de antibióticos en el
medio, se han experimentado sólo en tiempos recientes, pero la mayoría son muy
antiguas. El genotipo varía en cierto grado de un individuo a otro (o de una
colonia de individuos genéticamente idénticos a otra), y las mutaciones
accidentales pueden producirse en cualquier momento y ser transmitidas a la
descendencia.
Es interesante comparar este tipo de aprendizaje
con el que se basa en el uso del cerebro. Hemos hecho hincapié en que las
formas mutantes de una bacteria que exhiben resistencia a un antibiótico pueden
muy bien encontrarse presentes por puro azar cuando se aplica el fármaco y que,
en cualquier caso, seguramente han existido alguna vez en el pasado. Las ideas,
en cambio, surgen más a menudo como respuesta a un desafío, en vez de estar
disponibles cuando éste se presenta. (Parece ser que hay ligeros indicios de
mutaciones genéticas ocasionales que surgen como respuesta a la necesidad,
pero, si el fenómeno en verdad existe, es insignificante en comparación con la
mutación aleatoria.)
La evolución como sistema complejo adaptativo
¿En qué medida puede describirse el proceso
evolutivo como la manifestación del funcionamiento de un sistema complejo
adaptativo? El genotipo satisface los criterios de esquema: encapsula en forma
altamente comprimida la experiencia del pasado y está sujeto a variación a
través de las mutaciones. El genotipo en sí no es puesto a prueba directamente
por la experiencia. Aunque controla en gran medida la química del organismo, el
destino último de cada individuo depende también de factores medioambientales
que no están bajo el control de los genes. En otras palabras, el fenotipo está
codeterminado por el genotipo y por las condiciones del entorno, en gran parte
aleatorias. Tal despliegue de esquemas —junto con la recepción de nuevos datos—
para producir efectos en el mundo real es característico de un sistema complejo
adaptativo.
Por último, en un organismo unicelular la
supervivencia de cierto genotipo depende de que las células que lo portan
sobrevivan hasta el momento de la división, así como las células descendientes,
las descendientes de las descendientes, y así sucesivamente. Esto satisface el
requerimiento de un bucle retroactivo en el que intervengan presiones
selectivas. No hay duda de que la población bacteriana es un sistema complejo
adaptativo.
La complejidad efectiva de una bacteria, en el
sentido nuestro de longitud de un esquema, está evidentemente relacionada con
la longitud del genoma (si hubiera partes del ADN que cumpliesen únicamente una
función de relleno y no contribuyeran a la información genética, como parece
ocurrir en los organismos superiores, habría que descontarlas). La longitud de
la parte relevante del genoma proporciona una medida interna aproximada de la
complejidad efectiva. Es interna porque se relaciona con el esquema del que se
sirve el organismo para describir su propia herencia a sus descendientes, y no
con un esquema diseñado por algún observador externo (esta medida se asemeja a
la longitud de la gramática interna en el cerebro de un niño que aprende su
lenguaje nativo, en oposición a la longitud de un libro que describe la
gramática de dicho lenguaje). Es sólo una medida aproximada porque la evolución
biológica, como cualquier otro sistema complejo adaptativo, lleva a cabo la
tarea de síntesis de regularidades con eficiencia variable. A veces esta
variabilidad invalida la medida, como es el caso de ciertos organismos cuya
simplicidad es obvia y en cambio presentan un genoma de longitud anómala.
Pero la comparación entre genomas de distintos
organismos revela deficiencias en la idea de emplear la complejidad efectiva,
basada en la longitud de un esquema, como única medida de la complejidad de una
especie. Al considerar diferencias sutiles pero importantes, como, por ejemplo,
las que distinguen nuestra especie de nuestros parientes cercanos los grandes
monos, hay que introducir ideas más sofisticadas.
Los cambios genéticos que permiten a una criatura
simiesca desarrollar lenguajes, pensamiento avanzado y culturas elaboradas,
manifestaciones todas de gran complejidad efectiva, son relativamente pequeños,
pero de gran significación. La complejidad efectiva del nuevo genoma (humano),
medida por su longitud, no es en sí misma una medida satisfactoria de la
complejidad de los organismos correspondientes (personas), pues ligeras
alteraciones del genoma han dado lugar a una gran complejidad efectiva de una clase
nueva (complejidad cultural).
Es necesario, por lo tanto, suplementar la
complejidad efectiva con el concepto de complejidad potencial.
Cuando un modesto cambio en un esquema permite a un sistema complejo adaptativo
crear una gran cantidad de complejidad efectiva nueva en un cierto período de
tiempo, puede decirse que el esquema modificado ha tenido un gran incremento de
complejidad potencial con respecto a un intervalo de tiempo dado. Volveremos
más tarde sobre este tema, pero por ahora volvamos a la idea de la adaptación a
los antibióticos como sistema complejo adaptativo y comparemos este cuadro con
una teoría incorrecta de la adquisición de la resistencia.
Adaptación directa
Hoy día parece obvio que la resistencia a los
fármacos se desarrolla principalmente a través de mecanismos genéticos como los
que hemos estado considerando. Pero no siempre fue así. En los años cuarenta,
cuando el uso de la penicilina estaba en sus comienzos y las sulfamidas eran
todavía las armas predilectas en la batalla contra las infecciones bacterianas,
la resistencia ya era un problema y unos cuantos científicos ofrecieron modelos
muy diferentes para explicar su desarrollo. Uno de ellos fue el eminente
químico inglés Cyril (más tarde Sir Cyril) Hinshelwood. Recuerdo haber leído su
libro sobre el tema cuando era estudiante, y el escepticismo que ya entonces me
inspiraron sus ideas.
La teoría de Hinshelwood era, naturalmente, una
teoría química. Su libro estaba repleto de ecuaciones que describían
velocidades de reacción. La idea general era que la presencia del fármaco
provocaba cambios en el equilibrio químico de la célula bacteriana que iban en
detrimento de la reproducción celular. Sin embargo, la exposición prolongada de
la bacteria a altas dosis de medicamento producía, directamente por medios
químicos, ajustes en el metabolismo celular que limitaban el efecto del fármaco
y permitían a las células sobrevivir y dividirse. En la división celular, según
la teoría, esta forma simple de resistencia pasaba mecánicamente a las células
hijas a través de la composición química del material celular ordinario. El
mecanismo propuesto era una simple retroacción negativa en un conjunto de
reacciones químicas (un ejemplo de retroacción negativa lo tenemos cuando un
coche en marcha comienza a salirse de rumbo y el conductor gira el volante para
corregir la trayectoria).
En la teoría de Hinshelwood no intervenían los
genes bacterianos. No había un sistema complejo adaptativo subyacente al
desarrollo de la resistencia: ni compresión de la información, ni esquema, ni
variación aleatoria ni selección. De hecho, un capítulo del libro está dedicado
a refutar la idea de la selección de variantes surgidas espontáneamente.
La teoría de Hinshelwood se puede describir como de
«adaptación directa». Se trata de procesos muy comunes. Considérese el
funcionamiento de un termostato ajustado a una temperatura dada; el dispositivo
enciende un calefactor cuando la temperatura cae por debajo de la de referencia
y lo apaga cuando se alcanza de nuevo. En vez de un grupo de esquemas en
competencia y evolución, el termostato tiene un programa fijo, y además muy
simple. El dispositivo únicamente se dice a sí mismo, «hace frío; hace frío;
hace calor; hace frío.» y actúa en consecuencia.
Es útil contrastar la adaptación directa con el
funcionamiento de un sistema complejo adaptativo, lo que no quiere decir que la
adaptación directa carezca de interés. De hecho, la mayor parte de las
expectativas de la cibernética tras la segunda guerra mundial se centraban en
los procesos de adaptación directa, especialmente la estabilización de sistemas
por retroacción negativa. El principio básico es el mismo que el del
termostato, pero los problemas que se presentan pueden constituir un reto mucho
mayor.
Adaptación directa, sistemas expertos y sistemas
complejos adaptativos
La palabra «cibernética» fue introducida por
Norbert Wiener, un matemático bastante excéntrico y de gran talento del
Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que fue un niño prodigio y nunca
dejó de demostrarlo de las maneras más estrafalarias. Cuando yo era estudiante
graduado en el MIT me lo encontraba de vez en cuando durmiendo en las escaleras
y obstaculizando el paso con su oronda figura. Una vez asomó la cabeza por la
puerta del despacho de mi director de tesis, Viki Weisskopf, y profirió unas palabras
absolutamente incomprensibles para Viki. «Oh, pensaba que todos los
intelectuales europeos conocían el chino», dijo Wiener, y se fue corriendo.
La palabra cibernética deriva del vocablo
griego kubernetes, que significa timonel, del cual deriva
también el verbo «gobernar». La cibernética, en efecto, tiene que ver con la
dirección y el gobierno, como en el control de un autómata. Pero en los
comienzos de la cibernética los autómatas no eran capaces de crear un esquema
susceptible de evolución más allá de sus percepciones sensoriales. Sólo ahora
estamos entrando en una era de autómatas que pueden considerarse verdaderos
sistemas complejos adaptativos.
Pensemos, por ejemplo, en un autómata móvil. En la
primera época de la cibernética podría haber sido equipado con sensores para
detectar la presencia de un muro cercano y activar un dispositivo para
evitarlo. Otros sensores podrían servir para detectar socavones en el camino y
adoptar una forma de locomoción predeterminada para que el robot pueda
superarlos. El diseño se centraría en proporcionar respuestas directas a
señales del medio ambiente.
Después llegaron los «sistemas expertos», en los
que la información suministrada por expertos humanos en un cierto campo se
introducía en un ordenador en la forma de un «modelo interno» que sirviese para
interpretar los datos de entrada. El avance en relación a los diseños
anteriores es sutil, pero un ejemplo tomado de un campo distinto puede servir
de ilustración. La diagnosis médica puede automatizarse hasta cierto punto
componiendo, con el asesoramiento de especialistas, un «árbol de decisión» para
el ordenador y dotándole de un criterio de decisión definido para cada rama
basado en datos particulares del paciente. Un modelo interno como éste es fijo,
a diferencia de los esquemas propios de los sistemas complejos adaptativos. El
ordenador puede diagnosticar enfermedades, pero es incapaz de aprender nada de
su experiencia con los sucesivos pacientes. En vez de eso sigue haciendo uso
del mismo modelo interno desarrollado previamente.
Naturalmente, siempre se puede consultar otra vez a
los expertos y rediseñar el modelo interno en función de los aciertos y fallos
del diagnóstico informático. El sistema ampliado constituido por el ordenador,
los diseñadores y los expertos puede contemplarse como un sistema complejo
adaptativo, en este caso uno artificial con «humanos en el bucle».
Hoy día estamos entrando en una era de ordenadores
y autómatas que funcionan como sistemas complejos adaptativos sin humanos en el
bucle. Muchos autómatas futuros contendrán esquemas elaborados sujetos a
variación y selección. Considérese un autómata móvil de seis patas que tenga en
cada una un juego de sensores que detecten obstáculos y un procesador de
información que responda de algún modo predeterminado a las señales procedentes
de aquéllos para controlar el movimiento de la pata, ya sea arriba, abajo, adelante
o atrás. Este juego de patas no sería más que un conjunto de dispositivos
cibernéticos primitivos.
En la actualidad un diseño de robot podría incluir
una forma de coordinación entre las patas, pero no a través de una unidad
central de proceso. En vez de eso cada pata ejercería influencia en el
comportamiento de las otras a través de enlaces de comunicación. El patrón de
interacciones mutuas de las patas sería un esquema que podría estar sujeto a
variaciones como, por ejemplo, las producidas por un generador de números
pseudoaleatorios. Las presiones selectivas que influirían en la adopción o
rechazo de los patrones candidatos podrían tener su origen en sensores
adicionales que registrarían el comportamiento no sólo de una pata individual,
sino de todo el conjunto, como por ejemplo si el autómata está avanzando o
retrocediendo, o si la cara inferior está suficientemente separada del suelo.
De este modo el autómata tendería a desarrollar un esquema que proporcionaría
un modo de andar adecuado al tipo de terreno y sujeto a modificación en función
de los cambios de éste. Un autómata así puede considerarse una forma de sistema
complejo adaptativo primitivo.
Tengo noticias de que en el MIT se ha construido un
robot semejante de seis patas que ha descubierto, entre otros, el modo de andar
que emplean comúnmente los insectos: las patas delantera y trasera de un lado
se mueven al unísono con la pata media del otro. El uso de este paso por el
robot depende del terreno.
Considérese ahora, en contraste con un autómata que
aprende unos pocos rasgos útiles del terreno que tiene que atravesar, un
sistema complejo adaptativo capaz de explorar los rasgos generales, además de
un sinfín de detalles, de un terreno mucho mayor: la totalidad del universo.
Capítulo 7
La empresa científica
La empresa científica humana constituye una hermosa
ilustración del concepto de sistema complejo adaptativo. Los esquemas son en
este caso las teorías, y lo que tiene lugar en el mundo real es la
confrontación entre la teoría y la observación. Las nuevas teorías tienen que
competir con las ya existentes, en parte en cuanto a coherencia y generalidad,
pero en último término en cuanto a su capacidad de explicar las observaciones
existentes y predecir correctamente otras nuevas. Cada teoría es una descripción
altamente condensada de toda una clase de situaciones, y como tal tiene que
suplementarse con los detalles de una o más de estas situaciones a fin de poder
hacer predicciones concretas.
El papel de la teoría en la ciencia debería ser
obvio, aunque en mi propio caso, pese a haber dedicado toda mi carrera
profesional a la física teórica, me llevó mucho tiempo apreciarlo. Fue al
ingresar en el MIT para graduarme cuando finalmente se me reveló cómo es en
verdad la física teórica.
Cuando estudiaba en Yale siempre conseguía altas
calificaciones en los cursos de ciencias y matemáticas sin entender por
completo lo que estaba aprendiendo. A veces me parecía que sólo estaba allí
para regurgitar en los exámenes la información con que me habían cebado en
clase. Todo cambió tras acudir a una de las sesiones de los seminarios de
física teórica que organizaban la Universidad de Harvard y el MIT. Pensaba que
el seminario sería una especie de clase magistral; pero de hecho no fue una
clase en absoluto, sino un debate serio sobre temas de física teórica, en
particular de la física de los núcleos atómicos y partículas elementales.
Asistieron profesores, investigadores y estudiantes graduados de ambas
instituciones: un físico teórico pronunciaría una breve conferencia y después
habría un debate general sobre el tema presentado. En aquel entonces yo era
incapaz de apreciar en su justa medida tal actividad científica, pues mi modo
de pensar se circunscribía a asistir a clase, aprobar exámenes y tener contento
al profesor.
El conferenciante era un estudiante graduado de
Harvard que acababa de presentar su tesis doctoral sobre el carácter del estado
fundamental del boro 10 (B10), un núcleo atómico compuesto de cinco
protones y cinco neutrones. Mediante un método aproximado que parecía
prometedor, pero cuya validez aún no estaba garantizada, había hallado que el
estado fundamental debía poseer un momento angular de «espín» de una unidad
cuántica, como se esperaba que fuese. Cuando terminó de hablar, me pregunté qué
impresión habrían causado sus cálculos a los eminentes físicos teóricos de la
primera fila. Sin embargo, el primero en tomar la palabra no fue ningún
teórico, sino un hombrecillo con barba de tres días que parecía haber salido
arrastrándose de los sótanos del MIT. Dijo: «Oye, el espín ese no es uno. Es
tres. ¡Lo acaban de medir!» De repente comprendí que la misión del físico
teórico no es impresionar a los profesores que se sientan en primera fila, sino
explicar los resultados de las observaciones. (Por supuesto, los experimentadores
pueden cometer errores, pero en este caso las observaciones a las que se
refería aquel desaseado sujeto resultaron ser correctas.)
Me avergoncé de mí mismo por no haber sido capaz de
descubrir antes cómo funcionaba la empresa científica. El proceso por el cual
las teorías resultan seleccionadas de acuerdo con la experiencia (así como por
su coherencia y generalidad) no es muy diferente de la evolución biológica,
donde se seleccionan patrones genéticos que tienden a producir organismos con
una mayor capacidad de reproducción. El paralelismo entre estos dos procesos se
me escaparía hasta muchos años después, cuando supe más sobre simplicidad y
complejidad, y sobre sistemas complejos adaptativos.
En la actualidad, la mayoría de físicos son o bien
teóricos o bien experimentales. A veces los teóricos van por delante,
formulando un cuerpo teórico exitoso capaz de realizar predicciones que
resultan repetidamente confirmadas experimentalmente. En otras ocasiones, los
físicos experimentales encuentran resultados inesperados, y los teóricos tienen
que volver a la pizarra. Pero no hay que dar por sentada la existencia de dos
clases distintas de investigadores. No siempre fue así en física, y en otros campos,
como la antropología cultural, la arqueología y la mayor parte de la biología,
hay todavía muy pocos teóricos y no se les tiene un gran respeto. En biología
molecular, una rama de la biología que goza hoy de gran prestigio, la mayoría
de los enigmas teóricos han sido resueltos gracias a la genialidad de los
experimentadores. A resultas de ello, muchos eminentes biólogos moleculares no
creen necesaria la existencia de biólogos teóricos.
En contraposición, la biología de poblaciones
cuenta con una larga y honorable tradición matemática, personificada en las
figuras de Sir Ronald Fisher, J. B. S. Haldane y Sewall Wright entre otros.
Gracias al trabajo de éstos y muchos otros teóricos, se han realizado y
comprobado experimentalmente numerosas predicciones en genética de poblaciones,
y hasta la propia literatura matemática se ha enriquecido.
Cuando una ciencia madura y sus métodos teóricos
ganan en profundidad y potencia, la teoría tiende a emerger como especialidad.
Sin embargo, los papeles respectivos de la teoría y la observación deberían
considerarse por separado, haya o no expertos en cada una de estas actividades.
Veamos cómo la interacción entre ambas disciplinas encaja en la noción de
sistema complejo adaptativo.
Normalmente, las teorías surgen como resultado de
multitud de observaciones, en el transcurso de las cuales se realiza un
esfuerzo deliberado por separar el trigo de la paja, las leyes de las
circunstancias especiales o meramente accidentales. Una teoría se formula como
un principio o conjunto de principios simples, expresados en un mensaje
relativamente corto. Como ha dicho Stephen Wolfram, es un paquete comprimido de
información, aplicable a muchos casos particulares. Por regla general, existen
varias teorías en competencia que comparten estas características. Para
realizar predicciones particulares, cada teoría debe desplegarse, es decir, el
enunciado general comprimido que constituye propiamente la teoría debe
complementarse con información detallada sobre el caso particular en cuestión.
Entonces las teorías pueden verificarse por medio de observaciones posteriores,
muchas veces de carácter experimental. La bondad de las predicciones de cada
teoría, en consonancia con los resultados de estas observaciones, contribuye a
determinar su supervivencia. Las teorías en seria discordancia con los
resultados de experimentos bien diseñados y cuidadosamente realizados
(especialmente cuando se trata de experimentos con resultados repetidamente
consistentes) tienden a ser desplazadas por otras mejores, mientras que las
teorías que predicen y explican satisfactoriamente las observaciones tienden a
ser aceptadas y sirven de base para teorías futuras (siempre y cuando no
resulten cuestionadas más adelante por nuevas observaciones).
Falsabilidad e intriga
El filósofo Karl Popper ha remarcado que el rasgo
esencial de la ciencia es que sus teorías son falsables. Las teorías
científicas hacen predicciones verificables mediante observaciones posteriores.
Cuando una teoría resulta contradicha por observaciones fiables repetidas debe
considerarse errónea. La posibilidad del error está siempre presente, prestando
un aire de intriga a toda actividad científica.
A veces, el retraso en la confirmación o refutación
de una teoría es tan grande que sus proponentes fallecen antes de que se
conozca el destino de su idea. Los que hemos trabajado en física fundamental en
las últimas décadas hemos tenido la fortuna de ver comprobadas nuestras teorías
en vida. La emoción de saber que la predicción propia ha sido verificada y que
el nuevo esquema subyacente es básicamente correcto no siempre es fácil de
transmitir, pero resulta abrumadora.
Se ha dicho también que las teorías sólo mueren
cuando lo hacen sus promotores, aunque haya nuevas evidencias en contra. Esta
observación suele dirigirse a las ciencias físicas, aunque mi impresión es que
resulta mucho más aplicable a las difíciles y complejas ciencias de la vida y
del comportamiento. En los años cincuenta a mi primera esposa, Margaret,
estudiante de arqueología clásica, le produjo asombro descubrir que muchos
físicos cambian de opinión cuando se enfrentan a evidencias que contradicen sus
ideas favoritas.
Cuando en un cierto campo parece faltar la intriga,
puede surgir la controversia sobre si éste es verdaderamente científico.
Frecuentemente se critica al psicoanálisis por no ser falsable, y estoy de
acuerdo con ello. El psicoanálisis es una teoría que describe la influencia en
el comportamiento humano de los procesos mentales que tienen lugar fuera del
estado consciente y cómo estos mismos procesos mentales tienen su inicio en
determinadas vivencias, en especial las tempranas. (No hablaré del tratamiento
psicoanalítico, que es otro asunto. Puede resultar útil al establecer una
relación constructiva entre el psicoanalista y el paciente, pero esto no
confirma las ideas del psicoanálisis. De la misma forma, el tratamiento podría
resultar inútil aunque la mayoría de esas ideas fuesen correctas.)
Creo que probablemente hay mucho de cierto en la
tradición psicoanalítica, pero que, hasta el momento presente, no constituye
una ciencia puesto que no es falsable. ¿Hay algo que pueda decir un paciente, o
un comportamiento que pueda mostrar, que no pueda reconciliarse de alguna
manera con las ideas fundamentales del psicoanálisis? Si no es así, éstas no
pueden constituir una teoría verdaderamente científica.
En la década de los sesenta acaricié la idea de
pasarme de la física teórica a la psicología empírica o la psiquiatría. Quería
aislar un subconjunto de ideas psicoanalíticas que fueran falsables y pudiesen
constituir una teoría, y tratar luego de comprobarla. (Dicho conjunto de ideas
podría no corresponderse exactamente con las de ninguna escuela psicoanalítica,
pero al menos estaría íntimamente relacionado con el psicoanálisis en general.
Tendría que ver con el papel de los procesos mentales exteriores a la
conciencia en la vida diaria de la gente razonablemente normal, así como en los
patrones repetitivos de comportamiento aparentemente inadaptado que exhibe la
gente clasificada como neurótica.)
Durante algunos meses me dediqué a visitar a
distinguidos psicoanalistas por un lado y psicólogos académicos (en aquella
época todavía fuertemente influidos por el conductismo, pues la psicología
cognitiva todavía estaba en pañales) por otro. Todos me desanimaron, aunque por
diferentes razones. Muchos psicólogos tendían a creer que los procesos mentales
inconscientes carecen de importancia, son demasiado difíciles de estudiar o
ambas cosas a la vez, y que el psicoanálisis era una tontería que no valía la
pena considerar. Los psicoanalistas pensaban que su disciplina estaba tan bien
establecida que no hacía falta ningún esfuerzo por incorporar algunas de sus
ideas dentro de la ciencia, y que cualquier investigación necesaria para afinar
sus preceptos sería llevada a cabo mejor que nadie por los propios
psicoanalistas en el curso de su trabajo con los pacientes. Abandoné finalmente
mi propósito y proseguí en la física, pero muchos años después tuve la
oportunidad de contribuir indirectamente a un nuevo esfuerzo por incorporar en
la ciencia ciertas ideas sobre los procesos mentales conscientes e
inconscientes y sobre sus efectos en las pautas de conducta. Aquel esfuerzo
está rindiendo algunos resultados esperanzadores.
Presiones selectivas sobre la empresa científica
En la práctica, la empresa científica no se ajusta
de modo preciso a ningún modelo bien definido. Idealmente, los científicos
realizan experimentos de carácter exploratorio o para comprobar una propuesta
teórica seria. Se supone que juzgan una teoría según lo exacta, general y
coherente que sea la descripción de los datos que de ella se deduce. Se supone
que no tienen prejuicios, ni son deshonestos o egoístas.
Pero los practicantes de la ciencia son, al fin y
al cabo, seres humanos. No son inmunes a las influencias normales del egotismo,
el interés económico, la moda, las ilusiones y la pereza. Un científico puede
intentar apropiarse del crédito ajeno, iniciar a sabiendas un proyecto sin
valor por los beneficios que obtendrá, o dar por sentada una idea convencional
en lugar de buscar una explicación más convincente. De vez en cuando, los
científicos llegan a falsear sus resultados, rompiendo el tabú más severo de su
profesión.
No obstante, el filósofo, sociólogo o historiador
de la ciencia ocasional que se agarra a estas desviaciones de la rectitud
científica o de la práctica científica ideal para condenar por corrupta a toda
la empresa, demuestra que no ha llegado a comprender su aspecto esencial. La
empresa científica es, por naturaleza, autocorrectiva, y tiende a elevarse por
encima de cualquier abuso que pueda producirse. Las noticias extravagantes y
carentes de fundamento, como el caso de la poliagua o de la fusión fría, pronto
son dejadas de lado. Engaños como el del hombre de Piltdown acaban por
descubrirse. Los prejuicios, como los que hubo inicialmente contra la teoría de
la relatividad, acaban siendo superados.
Un estudioso de los sistemas complejos adaptativos
diría que, en la empresa científica, a las presiones selectivas que caracterizan la
ciencia se suman las presiones selectivas familiares que intervienen en todos
los asuntos humanos. Sin embargo, las presiones selectivas características de
la ciencia desempeñan un papel crucial en el avance de nuestra comprensión de
la naturaleza. Las observaciones repetidas y los cálculos (y las comparaciones
entre ambos) tienden, sobre todo a largo plazo, a eliminar las imperfecciones
(es decir, los rasgos defectuosos desde el punto de vista científico)
introducidas por las otras presiones.
Aunque los detalles históricos de cualquier
descubrimiento científico suelen ser algo confusos, el resultado final puede
ser una clarificación general brillante, como en el caso de la formulación y
verificación de una teoría unificadora.
Teorías que unifican y sintetizan
De vez en cuando, con una teoría se logra una
notable síntesis, comprimiendo en un enunciado breve y elegante muchos
fenómenos descritos anteriormente por separado y, en cierta forma, de manera
inadecuada. Un excelente ejemplo procedente de la física fundamental es el
trabajo que realizó James Clerk Maxwell entre los años 1850 y 1860 sobre la
teoría del electromagnetismo.
En la antigüedad ya se conocían fenómenos
electrostáticos simples y familiares, por ejemplo que el ámbar (elektron en
griego) tiene la propiedad de atraer trocitos de plumas cuando se lo frota con
una piel de gato. Análogamente, se conocían algunas propiedades del magnetismo,
como el hecho de que el mineral llamado magnetita (un óxido de hierro cuyo
nombre deriva de la región de Magnesia, en el Asia Menor, donde es muy común)
es capaz de atraer trozos de hierro y magnetizarlos, de modo que pueden a su
vez atraer otros trozos de hierro. William Gilbert, uno de los primeros
científicos modernos, estudió algunas de las propiedades de la electricidad en
su famoso tratado sobre magnetismo publicado en 1600. Sin embargo, electricidad
y magnetismo eran considerados todavía dos categorías diferentes de fenómenos.
Hasta el siglo XIX no se comprendió la estrechísima relación que hay entre una
y otro.
Los experimentos sobre la corriente eléctrica que
siguieron a la invención por Alejandro Volta de la primera batería eléctrica
(la pila voltaica) hacia 1800 abrieron el camino para el descubrimiento de las
interacciones entre electricidad y magnetismo. Hacia 1820, Hans Christian
Oersted descubrió que una corriente eléctrica que circula por un cable produce
un campo magnético que se enrosca alrededor de éste. En 1831, Michael Faraday
observó que un campo magnético variable induce una corriente eléctrica en una
espiral de alambre; la interpretación posterior de este hecho fue que un campo
magnético variable en el tiempo produce un campo eléctrico.
Figura 5. Tres formas de escribir las ecuaciones de Maxwell
En la década de 1850, cuando Maxwell comenzó su
trabajo sobre una descripción matemática exhaustiva de los fenómenos
electromagnéticos, la mayor parte de las piezas que componían el rompecabezas
ya habían sido formuladas en forma de leyes científicas. El mérito de Maxwell
fue enunciar un conjunto de ecuaciones que reproducían dichas leyes, tal como
se muestra en la Figura 5. La versión que ofrecen los libros de texto suele
constar de cuatro ecuaciones. La primera representa la ley de Coulomb, que
describe cómo las cargas eléctricas generan un campo eléctrico. La segunda
expresa la conjetura de Ampère, según la cual no existen verdaderas cargas
magnéticas (de modo que todo el magnetismo se debe a las corrientes
eléctricas). La tercera reformula la ley de Faraday, que describe cómo se crea
una corriente eléctrica a través de un campo magnético variable. La cuarta
ecuación, tal como la enunció Maxwell por primera vez, no era más que la ley de
Ampère, que describe cómo las corrientes eléctricas generan un campo magnético.
Estudiando sus cuatro ecuaciones, Maxwell observó que había algo incorrecto en
ellas; modificando la última ecuación consiguió corregir el error. El
razonamiento que empleó en su época nos parecería hoy muy oscuro, pero podemos
presentar una versión más clara adaptada a la física actual.
La conservación de la carga eléctrica total (su
constancia en el tiempo) es una idea simple y elegante que, confirmada
experimentalmente ya era uno de los principios básicos de la física en la época
de Maxwell. Sin embargo, sus ecuaciones originales no respetaban este
principio. ¿Qué clase de cambio en las ecuaciones permitiría recogerlo? La
tercera ecuación contiene un término que describe la generación de un campo
eléctrico por un campo magnético variable. ¿Por qué no habría de tener la
cuarta ecuación un término análogo que describiese la generación de un campo
magnético por un campo eléctrico variable? En efecto, para un valor particular
del coeficiente (multiplicador) del nuevo término, la ecuación era consistente
con la conservación de la carga eléctrica. Es más, este valor era lo
suficientemente pequeño como para que Maxwell pudiese insertar el nuevo término
sin introducir resultados contradictorios con cualquiera de los experimentos
conocidos. Con el nuevo término, denominado «corriente de desplazamiento», las
ecuaciones de Maxwell quedaron completas. Las disciplinas de la electricidad y
el magnetismo quedaron enteramente unificadas por medio de una descripción
elegante y consistente de los fenómenos electromagnéticos.
Ya podían explorarse las consecuencias del nuevo
formalismo. Pronto se descubrió que las ecuaciones, con la inclusión del nuevo
término, poseían «soluciones ondulatorias» —ondas electromagnéticas de todas
las frecuencias, generadas de modo predecible por cargas eléctricas
aceleradas—. En el vacío, todas las ondas viajarían a la misma velocidad.
Cuando calculó esta velocidad, Maxwell halló que era idéntica, dentro del
margen de error aceptado en la época, a la famosa velocidad de la luz, unos 300
000 kilómetros por segundo. ¿Sería posible que la luz consistiese en ondas
electromagnéticas pertenecientes a una determinada banda de frecuencias? Esta
conjetura ya había sido formulada anteriormente de forma vaga por Faraday, pero
ganó en claridad y plausibilidad merced al trabajo de Maxwell. Aunque llevó
años probarla experimentalmente, la idea resultó por completo correcta. Las
ecuaciones de Maxwell requerían también la existencia de ondas de frecuencias
superiores a las de la luz visible (que ahora reciben el nombre de rayos
ultravioleta, rayos X. etc.), y también de frecuencias inferiores (lo que hoy
denominamos rayos infrarrojos, microondas, ondas de radio, etc.). Todas estas
formas de radiación electromagnética acabaron descubriéndose experimentalmente,
lo que además de confirmar la teoría condujo a los extraordinarios avances
tecnológicos con los que hoy estamos familiarizados.
La simplicidad de las teorías unificadas
Las ecuaciones de Maxwell describen en pocas líneas
(el número exacto depende de lo compacta que sea la notación, como puede verse
en la figura) el comportamiento del electromagnetismo en cualquier parte del
universo. Conociendo las condiciones de contorno y las cargas y corrientes
presentes, pueden determinarse los campos eléctrico y magnético. Las ecuaciones
encierran los aspectos universales del electromagnetismo, sólo es preciso
suplementarias en cada caso con detalles particulares. Identifican con precisión
las regularidades y las comprimen en un pequeño paquete matemático de inmensa
potencia. ¿Podríamos presentar un ejemplo de esquema más elegante?
Dado que la longitud del esquema es prácticamente
cero, ése es el valor de su complejidad efectiva, tal como la hemos definido.
En otras palabras, las leyes del electromagnetismo son extremadamente simples.
Un crítico puntilloso podría quejarse de que,
aunque las ecuaciones de Maxwell son en efecto cortas, se necesitan ciertos
conocimientos previos para comprender la notación en que están formuladas.
Cuando publicó por primera vez sus ecuaciones, Maxwell utilizó una notación
menos compacta que la que aprenden en la actualidad los universitarios, de modo
que el conjunto parecía algo más largo. Análogamente, ahora podemos usar la
notación relativista, que lo hace aún más corto. (En la figura están ilustradas
las tres versiones.) El crítico podría exigir que en cada caso se incluyese en
el esquema, además de las propias ecuaciones, una explicación de la notación
utilizada.
Es una exigencia no del todo irrazonable. Como ya
hemos dicho en relación a la complejidad bruta, sería engañoso emplear un
lenguaje especial que redujese la longitud de una descripción. De hecho, las
matemáticas subyacentes a las ecuaciones de Maxwell no son particularmente
difíciles de explicar, pero aunque no fuese así la información necesaria para
interpretarlas sería finita, lo cual resulta insignificante cuando consideramos
que las ecuaciones son válidas para todos los campos eléctricos y magnéticos en
cualquier lugar del universo. La compresión conseguida sigue siendo enorme.
La gravitación universal: Newton y Einstein
La gravitación constituye otro caso extraordinario
de ley universal. Isaac Newton elaboró la primera versión, seguida dos siglos y
medio después por otra más exacta, la teoría de la relatividad general de
Albert Einstein.
Newton tuvo su brillante intuición sobre la
universalidad de la gravitación a la edad de veintitrés años. En 1665 la
Universidad de Cambridge se vio obligada a cerrar sus puertas debido a la
peste, y Newton, licenciado de nuevo cuño, regresó a la casa de su familia en
Woolsthorpe, Lincolnshire. Allí, entre 1665 y 1669, comenzó a desarrollar el
cálculo diferencial e integral, así como la ley de la gravitación y sus tres
leyes del movimiento. Además, llevó a cabo el famoso experimento de la
descomposición de la luz blanca en los colores del arco iris por medio de un
prisma. Cada uno de estos trabajos representó por sí solo un hito, y aunque a
los historiadores de la ciencia les gusta recalcar que Newton no los completó
en un único annus mirabilis, admiten que dio un buen impulso a
todos ellos en ese período de tiempo. Como le gusta decir a mi esposa, la
poetisa Marcia Southwick, sin duda podría haber escrito una redacción
impresionante sobre el tema «Qué he hecho en mis vacaciones de verano».
La leyenda relaciona el descubrimiento de Newton de
una ley universal de la gravitación con la caída de una manzana. ¿Sucedió
realmente dicho episodio? Los historiadores de la ciencia no están seguros,
pero no rechazan completamente esta posibilidad, pues hay cuatro fuentes
distintas que hacen referencia al mismo. Una de ellas es la versión del
historiador Conduitt:
«En 1666 se retiró de nuevo ... a su casa natal en
Lincolnshire y, mientras estaba descansando en un jardín, se le ocurrió que la
fuerza de la gravedad (que hace caer al suelo las manzanas que cuelgan del
árbol) no estaba limitada a una cierta distancia desde la superficie de la
Tierra, sino que podría extenderse mucho más lejos de lo que se pensaba. ¿Por
qué no tan lejos como la Luna?, se dijo, y si así fuese tal vez podría influir
en su movimiento y retenerla en su órbita. Inmediatamente comenzó a calcular
cuáles serían las consecuencias de esta suposición, pero como no tenía libros a
mano, empleó la estimación en uso entre geógrafos y marinos desde que Norwood
había establecido que un grado de latitud sobre la superficie de la Tierra
comprende 60 millas inglesas. Con esta aproximación sus cálculos no concordaban
con su teoría. Este fracaso le llevó a considerar la idea de que, junto con la
fuerza de gravedad, podría superponerse la que la Luna experimentaría si se
viese arrastrada en un vórtice.»
En esta narración de los hechos pueden verse en
acción algunos de los procesos que de vez en cuando tienen lugar en la vida de
un científico teórico. Una idea le asalta a uno repentinamente. La idea hace
posible la conexión entre dos conjuntos de fenómenos que antes se creían
separados. Se formula entonces una teoría, algunas de cuyas consecuencias
pueden predecirse; en física, el teórico «deja caer un cálculo» para
determinarlas. Las predicciones pueden no estar de acuerdo con la experiencia,
incluso aunque la teoría sea correcta, ya sea porque haya un error en las
observaciones previas (como en el caso de Newton), ya sea porque el teórico
haya cometido un error conceptual o matemático al aplicar la teoría. En este
caso, el teórico puede modificar la teoría correcta (simple y elegante) y
elaborar otra, más complicada, remendada a fin de acomodar el error.
¡Observemos el fragmento final de la cita de Conduitt sobre la peregrina fuerza
de «vórtice» que Newton pensó añadir a la fuerza de gravedad!
Finalmente, las discrepancias entre teoría y
observación se resolvieron y la teoría de la gravitación universal de Newton
fue aceptada hasta su sustitución en 1915 por la teoría de la relatividad
general de Einstein, que concuerda con la de Newton en el dominio en que todos
los cuerpos se mueven muy lentamente en comparación con la velocidad de la luz.
En el sistema solar, los planetas y satélites viajan a velocidades del orden de
decenas de kilómetros por segundo, mientras que la velocidad de la luz es de alrededor
de 300 000 kilómetros por segundo. Las correcciones einstenianas de la teoría
de Newton son pues prácticamente inapreciables, y sólo pueden detectarse en un
número muy reducido de observaciones. La teoría de Einstein ha superado todas
las pruebas a las que ha sido sometida.
El reemplazo de una teoría excelente por otra aún
mejor ha sido descrito de modo particular en el libro de Thomas Kuhn La
estructura de las revoluciones científicas, cuyo punto de vista ha
ejercido una enorme influencia. Este autor presta especial atención a los
«cambios de paradigma», usando la palabra «paradigma» en un sentido bastante
especial (¡podría decirse que abusando de ella!). Su tratamiento enfatiza los
cambios que, en cuestiones de principio, se producen al imponerse una teoría
mejorada.
En el caso de la gravitación, Kuhn podría señalar
el hecho de que la teoría newtoniana hace uso de la «acción a distancia», es
decir, de una fuerza gravitatoria que actúa instantáneamente, mientras que en
la teoría einsteniana la interacción gravitatoria se propaga a la velocidad de
la luz, al igual que la interacción electromagnética. En la teoría no
relativista de Newton, el espacio y el tiempo se consideran separados y
absolutos, y la gravedad no está relacionada en forma alguna con la geometría;
por su parte, en la teoría de Einstein, el espacio y el tiempo se confunden
(como ocurre siempre en la física relativista) y la gravedad se halla
íntimamente relacionada con la geometría del espacio-tiempo. La relatividad
general, a diferencia de la gravitación newtoniana, está fundamentada en el
principio de equivalencia: es imposible distinguir localmente entre un campo
gravitatorio y un sistema de referencia uniformemente acelerado (como un
ascensor). Lo único que un observador puede percibir o medir localmente es la
diferencia entre su aceleración propia y la aceleración local debida a la
gravedad.
La interpretación basada en el cambio de paradigma
se centra en las profundas diferencias filosóficas y de lenguaje entre la
teoría antigua y la nueva. Kuhn no subraya el hecho (aunque, por supuesto, lo
menciona) de que la vieja teoría puede proporcionar una aproximación
suficientemente válida para realizar cálculos y predicciones dentro del dominio
para el que fue desarrollada (en este caso sería el límite de velocidades
relativas muy bajas). Sin embargo, me gustaría destacar esta característica,
pues en la competencia entre esquemas en el marco de la empresa científica, el
triunfo de un esquema sobre otro no implica necesariamente que el anterior sea
abandonado y olvidado. De hecho, al final puede ser utilizado con mucha mayor
frecuencia que su más preciso y sofisticado sucesor. Eso es lo que pasa
ciertamente con las mecánicas newtoniana y einsteniana restringidas al sistema
solar. La victoria en la pugna entre teorías científicas competidoras puede ser
más una cuestión de degradación de la teoría antigua y promoción de la nueva
que de muerte de la teoría desbancada. (Ni que decir tiene que a menudo la
vieja teoría pierde todo valor, y entonces sólo los historiadores de la ciencia
se molestan en discutir sobre ella.)
La ecuación de Einstein para la relatividad general
Gμν = 8πKTμν
representa para la gravitación lo que las
ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo. El lado izquierdo de la
ecuación hace referencia a la curvatura del espacio-tiempo (al campo
gravitatorio), y el lado derecho a la densidad de energía, etc., de todo lo que
no es campo gravitatorio. Expresa en una única y pequeña fórmula las
características universales de los campos gravitatorios en todo el cosmos. A
partir de las masas, las posiciones y las velocidades de todas las partículas
materiales, puede calcularse el campo gravitatorio (y por lo tanto el efecto de
la gravitación sobre el movimiento de un cuerpo de prueba) sea cual sea el
lugar y momento. Es éste un esquema particularmente poderoso, que resume en un
breve mensaje las propiedades generales de la gravedad en cualquier lugar.
Un crítico podría exigir de nuevo que incluyéramos
como parte del esquema no sólo la fórmula, sino también una explicación de los
símbolos que la componen. Mi padre, un abogado culto que batalló por comprender
la teoría de Einstein, solía decir: «Mira qué simple y hermosa es esta teoría,
pero ¿qué significan 7^ y G^?>» Como en el caso del electromagnetismo,
aunque se tenga que incluir todo un curso de matemáticas dentro del esquema, la
ecuación de Einstein seguirá siendo un prodigio de compresión, puesto que
describe el comportamiento de todos los campos gravitatorios dondequiera que se
encuentren. El esquema será todavía extraordinariamente pequeño, y su
complejidad muy baja. La teoría de la relatividad general de Einstein para la
gravedad es, pues, simple.
Capítulo 8
El poder de la teoría
La actitud intelectual del científico teórico no
sólo es válida para investigar los secretos últimos del universo, sino también
para otras muchas tareas. Todo lo que nos rodea son, a fin de cuentas, hechos
relacionados entre sí. Naturalmente, pueden considerarse como entidades
separadas y estudiarse de esta forma; no obstante, ¡qué diferentes resultan
cuando los contemplamos como parte de un todo! Muchos elementos dejan de ser
sólo detalles para memorizar: sus relaciones permiten elaborar una descripción
comprimida, una forma de teoría, un esquema que los comprenda y resuma y en
cuyo marco comienzen a tener sentido. El mundo se hace más comprensible.
El reconocimiento de formas es algo natural para
los seres humanos; después de todo, nosotros mismos somos sistemas complejos
adaptativos. Poseemos en nuestra naturaleza, tanto por herencia biológica como
por transmisión cultural, la capacidad de reconocer patrones, identificar
regularidades, construir esquemas mentales. A menudo, estos esquemas son
favorecidos o relegados, aceptados o rechazados, en respuesta a presiones
selectivas muy diferentes de las que operan en el mundo de la ciencia, donde es
tan fundamental el acuerdo con la experiencia.
Las aproximaciones acientíficas para la elaboración
de modelos del mundo que nos rodea han caracterizado el pensamiento humano
desde tiempos inmemoriales, y siguen estando muy extendidas. Tomemos, por
ejemplo, la magia simpática basada en la consideración de que las cosas
similares están relacionadas. Para mucha gente de todo el mundo resulta
natural, cuando hace falta que llueva, ejecutar una ceremonia en la que se
derrame en el suelo agua proveniente de algún lugar especial. La semejanza
entre la acción realizada y el fenómeno deseado sugiere que debería existir una
conexión causal entre ambos. Las presiones selectivas que ayudan a mantener tal
creencia no incluyen el éxito objetivo, el criterio aplicado en la ciencia (al
menos, cuando la ciencia funciona correctamente). En su lugar operan otros
tipos de selección. Por ejemplo, puede haber ciertos individuos investidos de
poder que ejecuten la ceremonia y estimulen la creencia con objeto de perpetuar
su autoridad.
La misma sociedad puede estar familiarizada con la
magia simpática que opera a través de un efecto sobre la gente, como, por
ejemplo, comer el corazón de un león para aumentar la bravura de un guerrero.
En este caso puede obtenerse algún éxito objetivo, simplemente por efectos
psicológicos: si un hombre cree que lo que ha ingerido lo hará más valiente,
eso puede darle la convicción necesaria para actuar valientemente.
Análogamente, la brujería destructiva (basada o no en la magia simpática) puede
tener un éxito objetivo si la víctima cree en ella y sabe que se le está
practicando. Pongamos por caso que alguien quiere hacerme daño y construye un
muñeco de cera a imagen mía en el que pega algunos cabellos y recortes de uña
míos, y después le clava agujas. Si yo creo, aunque sea sin convicción, en la
eficacia de tal magia y sé que alguien la está empleando contra mí, puedo
llegar a sentir dolor en los lugares precisos y enfermar (y en un caso extremo,
incluso morir) por efectos psicosomáticos. El éxito ocasional (¡o frecuente!)
de la magia simpática en tales casos puede promover la creencia de que tales
métodos funcionan, incluso cuando, como en la ceremonia para invocar la lluvia,
no puede obtenerse un éxito objetivo, excepto por casualidad.
Volveremos al tema de los modelos acientíficos, y
las muchas razones para recurrir a ellos, en el capítulo sobre superstición y
escepticismo. Lo que ahora nos interesa es el valor de la teorización científica sobre
el mundo que nos rodea, viendo cómo encajan en su justo lugar las conexiones y
relaciones observadas.
«Sólo una teoría»
Mucha gente parece tener dificultades con el
concepto de teoría, comenzando por la propia palabra, empleada comúnmente con
dos significados bastante diferentes. Por un lado, puede significar un sistema
coherente de leyes y principios, una explicación más o menos verificada o
establecida que da cuenta de hechos o fenómenos conocidos. Por otro, puede
referirse a una suposición, una conjetura, una hipótesis no comprobada, una
idea o una opinión. Aquí se emplea la palabra en su primera acepción, pero
mucha gente, cuando oye hablar de «teoría» o de «teórico», piensa en la
segunda. Cuando estudiamos la propuesta de financiación de un proyecto de
investigación algo atrevido uno de mis colegas en la junta directiva de la
Fundación John D. y Catherine T. MacArthur suele decir: «Creo que deberíamos
darle una oportunidad y financiarlo, pero vayamos con cuidado en no gastar
dinero en nada teórico». Para un físico teórico profesional,
estas palabras deberían resultar una provocación, pero entiendo que mi colega y
yo empleamos la palabra «teórico» en sentido diferente.
Teorías sobre topónimos
Puede resultar útil teorizar sobre casi cualquier
aspecto del mundo que nos rodea. Consideremos los topónimos como ejemplo. A los
habitantes de California, familiarizados con los nombres hispánicos de los
pueblos de la costa, no les sorprende que muchos de ellos estén relacionados
con la religión católica, de la cual eran devotos practicantes los
conquistadores y colonos españoles. No obstante, poca gente se pregunta por qué
cada lugar recibió el nombre que tiene. Parece razonable investigar si hay algún
proceso sistemático detrás de nombres de santos tales como San Diego, Santa
Catalina y Santa Bárbara, así como otros nombres religiosos como Concepción o
Santa Cruz, dados a islas, bahías y cabos a lo largo de la costa. Encontramos
una pista cuando descubrimos sobre el mapa Punta Año Nuevo. ¿Podrían los otros
nombres referirse también a días del año? ¡Naturalmente! En el calendario
católico romano encontramos, además del día de año nuevo en el 1 de enero, los
siguientes días:
|
San Diego |
(San Diego de Alcalá de Henares) |
12 de noviembre |
|
Santa Catalina |
(Santa Catalina de Alejandría) |
25 de noviembre |
|
San Pedro |
(San Pedro de Alejandría) |
26 de noviembre |
|
Santa Bárbara |
(Santa Bárbara, virgen y mártir) |
4 de diciembre |
|
San Nicolás |
(San Nicolás de Mira) |
6 de diciembre |
|
La Purísima Concepción |
(La Inmaculada Concepción) |
8 de diciembre |
Tal vez, durante un viaje de descubrimiento, estos
accidentes geográficos recibieron su nombre según los días del año en el orden
en que fueron avistados, de sureste a noroeste. Seguramente, los eruditos han
verificado en algún registro histórico que, en 1602, el explorador Sebastián
Vizcaíno dio nombre a la bahía de San Diego el 12 de noviembre, a la isla de
Santa Catalina el 25 de noviembre, a la bahía de San Pedro el 26 de noviembre,
a la bahía de Santa Bárbara el 4 de diciembre, a la isla de San Nicolás el 6 de
diciembre y a Punta Concepción el 8 de diciembre. Punta Año Nuevo fue,
aparentemente, el primer punto avistado el siguiente año, 1603, aunque fue el 3
de enero en vez del día de año nuevo. El 6 de enero, el día de reyes, Vizcaíno
dio nombre a Punta Reyes.
La teoría funciona, pero ¿es general? ¿Qué pasa con
Santa Cruz? El día de la Santa Cruz es el 14 de septiembre, lo que no encaja en
la secuencia. ¿Recibió el nombre en otra expedición descubridora? El esquema
comienza a adquirir algo de complejidad. De hecho, muchos de los nombres
religiosos españoles a lo largo de la costa fueron asignados en unas pocas
expediciones, de modo que la complejidad efectiva no es tan grande.
En este tipo de teorización (la construcción de un
esquema aproximado para describir los resultados de la actividad humana) pueden
encontrarse excepciones arbitrarias, que, afortunadamente, no infestan esquemas
tales como las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo. La isla de San
Quintín, por ejemplo, situada al norte de San Francisco y conocida por su
prisión estatal, parece a primera vista haber recibido su nombre de algún
conquistador español el día de San Quintín. Sin embargo, una investigación
cuidadosa revela que el «San» fue añadido por error al nombre original de
Quintín, un jefe indio capturado allí en 1840.
Teoría empírica: Ley de Zipf
En el ejemplo de los topónimos, la elaboración de
una teoría ha conducido no sólo a la identificación de las regularidades
presentes, sino también a una explicación plausible y a su posterior
confirmación. Es la situación ideal. A menudo, sin embargo, nos encontramos con
situaciones menos claras. Podemos hallar regularidades, predecir la aparición
de regularidades similares en otras partes, descubrir que las predicciones se
confirman e identificar así un modelo sólido; no obstante, puede tratarse de un
modelo cuya explicación continúe escapándose. En este caso, hablamos de una
teoría
«empírica» o «fenomenológica», pomposas palabras
que significan básicamente que vemos que algo sucede, pero no podemos
explicarlo. Hay multitud de leyes empíricas que relacionan entre sí hechos de
la vida cotidiana.
Tomemos un libro sobre datos estadísticos, como
el World Almanac. Hojeándolo, encontraremos una lista de las
áreas metropolitanas estadounidenses junto con su número de habitantes en orden
decreciente. También encontraremos listas de ciudades de estados individuales,
así como de países extranjeros. En cada lista, puede asignarse a cada ciudad un
rango, igual a 1 para la ciudad más poblada, 2 para la segunda más poblada, y
así sucesivamente. ¿Existe una regla general para todas estas listas que
describa cómo disminuye la población a medida que el rango asignado aumenta?
Efectivamente, con una buena aproximación, la población es inversamente
proporcional al rango asignado; en otras palabras, las sucesivas poblaciones
son aproximadamente proporcionales a 1, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9,
1/10, 1/11, y así sucesivamente.
Echemos ahora un vistazo a la lista de las mayores
empresas, en orden decreciente de volumen de negocio (por ejemplo, el importe
de las ventas realizadas en un año dado). ¿Hay alguna regla aproximada que nos
diga cómo varían con el rango las cifras de ventas de las empresas? Sí, y es la
misma ley que para las poblaciones. El volumen de negocio es, de manera
aproximada, inversamente proporcional al rango de la empresa.
¿Qué sucede con el valor monetario de las
exportaciones anuales de un país determinado en orden decreciente? Aparece de
nuevo la misma ley como una buena aproximación.
Una interesante consecuencia de esta ley se puede
verificar fácilmente examinando una de las listas mencionadas, por ejemplo la
de ciudades y sus poblaciones. En primer lugar, prestemos atención al tercer
dígito de la cifra de cada población. Como es de esperar, está distribuido
aleatoriamente; los números 0, 1, 2, etc. en la tercera posición se hallan
distribuidos aproximadamente por igual. Una situación completamente distinta se
obtiene para la distribución de los primeros dígitos. Existe una enorme preponderancia
del 1, seguido del 2, y así sucesivamente. El porcentaje de cifras de población
que comienzan con un 9 es extremadamente pequeño. Este comportamiento del
primer dígito viene predicho por la ley anterior, que si fuese obedecida
exactamente daría una proporción de 45 a 1 del 1 respecto del 9.
Figura 6. Poblaciones de ciudades estadounidenses (según datos del 1994
World Almanac) comparadas con la ley de Zipf original y con una versión
modificada de ésta.
¿Qué ocurre si dejamos de lado el World
Almanac y tomamos un libro de códigos secretos que contenga una lista
de las palabras más comunes en cierto tipo de textos en castellano, ordenadas
en orden decreciente según la frecuencia con que aparecen? ¿Cuál es la ley
aproximada para la frecuencia de cada palabra en función de su posición en la
lista? De nuevo encontramos la misma ley, válida también para otros idiomas.
Todas estas relaciones fueron descubiertas en los
años treinta por George Kingsley Zipf, un profesor de alemán de Harvard, y
todas ellas representan variaciones de lo que actualmente llamamos ley
de Zipf. En la actualidad consideramos que la ley de Zipf es uno de
los muchos ejemplos de las llamadas leyes de escala o leyes potenciales,
comunes en muchas áreas de la física, la biología y las ciencias del
comportamiento. Pero en los años treinta estas leyes constituían una novedad.
En la ley de Zipf, la magnitud considerada es
inversamente proporcional al rango, es decir, proporcional a 1, 1/2, 1/3, 1/4,
etc. Benoit Mandelbrot ha demostrado que se puede obtener una ley potencial más
general (casi la más general) sometiendo esta secuencia a dos modificaciones.
La primera consiste en añadir una constante al rango, lo que da 1/(1 +
constante), 1/(2 + constante), 1/(3 + constante), 1/(4 + constante), etc. La
siguiente da cabida, en lugar de estas fracciones, a sus cuadrados, cubos, raíces
cuadradas o cualesquiera otras potencias. La elección de los cuadrados, por
ejemplo, daría lugar a la siguiente sucesión: 1/(1 + constante)2,
1/(2 + constante)2, 1/(3 + constante)2, 1/(4 + constante)2,
etc. La ley de Zipf corresponde a una ley potencial de exponente 1, 2 en el
caso de los cuadrados, 3 para los cubos, 1/2 para las raíces cuadradas, etc.
Las matemáticas permiten también potencias fraccionarias, como 3/4 o 1,0237. En
general, podemos considerar la potencia como 1 más una segunda constante. Tal
como se añadía una primera constante al rango, así se suma una segunda a la
potencia. La ley de Zipf es entonces el caso particular en que ambas constantes
valen cero.
La generalización de Mandelbrot de la ley de Zipf
es todavía muy simple: la complejidad adicional reside únicamente en la
introducción de las dos constantes ajustables, una sumada al rango y otra a la
potencia 1. (Por cierto, una constante ajustable se denomina «parámetro»,
palabra mal empleada últimamente, tal vez por la influencia de otra palabra
similar, «perímetro». La ley potencial modificada tiene dos parámetros.) En
cada caso, en lugar de comparar los datos con la ley de Zipf original, uno
puede introducir estas dos constantes y determinarlas para que se ajusten
óptimamente a los datos. En la tabla de la Figura 6 puede verse cómo una
versión ligeramente modificada de la ley de Zipf se ajusta significativamente
mejor a unas cifras de población que la ley original (con ambas constantes
iguales a cero), la cual funciona ya bien de por sí. «Ligeramente modificada»
significa que las nuevas constantes de la ley modificada tienen valores
bastante pequeños. (Las constantes para la tabla mencionada se ajustaron por
mera inspección de los datos. Un ajuste óptimo habría producido un mejor
acuerdo con las poblaciones reales.)
Cuando Zipf describió su ley por primera vez, en
una época en que se conocían muy pocas leyes de escala, declaró que su
principio distinguía las ciencias de la conducta de las físicas, en las que se
suponía que no existían este tipo de leyes. En la actualidad se han descubierto
tantas de estas leyes en física que estos comentarios tienden a menoscabar la
reputación de Zipf más que a aumentarla. Se dice que había otra causa de su
mala fama, a saber, una cierta simpatía por las reordenaciones territoriales europeas
por parte de Hitler, simpatía que tal vez justificaba porque las conquistas
tendían a modificar las poblaciones europeas de modo que concordaban más
exactamente con su ley.
Sea o no cierta, esta historia nos enseña una
importante lección acerca de las aplicaciones políticas de las ciencias del
comportamiento: el que ciertas relaciones tiendan a darse no significa
necesariamente que sean siempre deseables. Me encontré con este mismo problema
en un reciente seminario en el Instituto de Aspen, en el que mencioné que
ciertas distribuciones de riquezas o ingresos tendían, bajo ciertas
condiciones, a seguir leyes de escala. Inmediatamente me preguntaron si tal
situación podía considerarse como algo bueno. Según recuerdo, me encogí de
hombros. Después de todo, la pendiente de la distribución, que determina el
grado de desigualdad en las riquezas o los ingresos, depende de la potencia que
se dé en la ley.
La ley de Zipf carece de explicación, y lo mismo
puede decirse de la gran mayoría de las otras leyes potenciales. Benoit
Mandelbrot, que ha hecho contribuciones realmente importantes al estudio de
estas leyes (especialmente en conexión con los fractales), admite con gran
franqueza que su carrera científica se ha visto coronada por el éxito debido en
gran medida a que siempre ha puesto mayor empeño en hallar y describir nuevas
leyes potenciales que en intentar explicarlas. (En su libro La
geometría fractal de la naturaleza se refiere a su «inclinación a dar
preponderancia a las consecuencias por encima de las causas»). Sin embargo,
señala con prontitud que en algunos campos, especialmente las ciencias físicas,
se han desarrollado explicaciones bastante convincentes. Por ejemplo, el
fenómeno del caos en dinámica no lineal está íntimamente relacionado con los
fractales y las leyes potenciales, en una forma bastante bien comprendida.
Benoit ha construido también de vez en cuando modelos que exhiben leyes
potenciales. Por ejemplo, ha calculado la distribución de frecuencias de
longitudes de palabra en los textos tecleados por nuestros monos escritores; se
ajusta a una versión modificada de la ley de Zipf, con una potencia que se
aproxima a 1 (la ley original) al aumentar el número de símbolos. (También ha
descubierto que cuando se ajusta a una ley de Zipf la distribución de
frecuencias de longitudes de palabra en los textos reales, escritos en
lenguajes naturales, la potencia puede diferir significativamente de 1, con una
desviación que depende de la riqueza de vocabulario del texto en cuestión.
Independencia de la escala
En los últimos años se ha progresado en la
explicación de ciertas leyes potenciales. Uno de los caminos seguidos es la
llamada «criticalidad autoorganizada», concepto propuesto por el físico teórico
danés Per Bak, en colaboración con Chao Tang y Kurt Wiesenfeld. La aplicación
inicial consistió en el estudio de montones de arena, como los que podemos ver
en el desierto o en la playa. Los montones son aproximadamente cónicos, y cada
uno tiene una pendiente más o menos bien definida. Si examinamos estas pendientes,
descubrimos que casi todas tienen el mismo valor. ¿Cómo se explica? Supongamos
que el viento deposita constantemente granos de arena adicionales sobre los
montones (o un físico en el laboratorio deja caer grano a grano arena de un
depósito sobre un montón experimental). Al crecer el montón, la pendiente
lateral aumenta, pero solamente hasta un valor crítico. Una vez que se alcanza
esta pendiente crítica, la adición de más arena produce avalanchas que
disminuyen la altura del montón.
Si la pendiente es mayor que la crítica, se produce
una situación inestable en la que las avalanchas se dan con frecuencia,
reduciendo la pendiente hasta que su valor desciende por debajo del crítico.
Los montones de arena se ven «atraídos» de modo natural hacia el valor crítico
de la pendiente, sin que sea precisa ninguna influencia externa (de aquí el
nombre «criticalidad autoorganizada»).
El tamaño de una avalancha se define por el número
de granos de arena que participan en ella. La experiencia revela que, cuando el
valor de la pendiente está próximo al crítico, los tamaños de las avalanchas
siguen con buena aproximación una ley potencial.
En este caso, la constante que hay que añadir a la
ley de Zipf es muy grande. En otras palabras, si se asigna un rango numérico a
las avalanchas según su tamaño, entonces el número de granos que participan en
ellas decrece muy rápidamente con dicho rango. La distribución de las
avalanchas en los montones de arena es un ejemplo de ley potencial que ha sido
estudiado satisfactoriamente tanto por métodos teóricos como experimentales.
Bak y sus colegas reprodujeron, por medio de una simulación numérica, tanto la
ley potencial como el valor aproximado de su exponente.
A pesar del fuerte descenso en el tamaño al
aumentar el rango asignado, están presentes prácticamente todas las escalas de
tamaño de avalancha posibles. En general, una distribución que satisfaga una
ley potencial es «independiente de la escala»; por ello, las leyes potenciales
se llaman también «leyes de escala». Pero ¿qué significa exactamente que una
ley de distribución sea independiente de la escala?
La independencia de la escala de las leyes
potenciales queda bien ilustrada por la ley de Zipf original, la cual
establece, por ejemplo, que las poblaciones de las ciudades son proporcionales
a 1/1 : 1/2 : 1/3 : 1/4 : 1/5 ... Para simplificar, supongamos que corresponden
a un millón, medio millón, un tercio de millón, etc. Multipliquemos estas
poblaciones por una fracción dada, por ejemplo, 1/2; las nuevas poblaciones, en
millones de habitantes, son ahora 1/2, 1/4, 1/6, 1/8, 1/10 ... Son justamente
las poblaciones asignadas a los antiguos rangos 2, 4, 6, 8, 10, . De modo que
dividir por dos los valores de las poblaciones equivale a doblar los rangos de
las ciudades, pasando de la secuencia 1, 2, 3, 4, . a la secuencia 2, 4, 6, 8,
10, . Si representamos gráficamente los nuevos rangos en función de los
antiguos, el resultado es una línea recta, como el diagrama mostrado en la
Figura 7.
Esta relación lineal entre rangos puede servir como
definición de ley de escala para cualquier magnitud: la reducción de todos los
valores por cualquier factor constante (1/2 en el ejemplo) equivale a asignar
nuevos rangos en el conjunto original de valores, y de ese modo los nuevos
rangos son una función lineal de los antiguos. (Los nuevos rangos no serán
siempre números enteros, pero en cualquier caso la fórmula para los tamaños en
función del rango producirá siempre una curva regular que puede emplearse para
interpolar entre números enteros.)
En el caso de las avalanchas en montones de arena,
como sus tamaños se distribuyen según una ley potencial, una reducción por
cualquier factor común es equivalente a una simple reasignación de los rangos
en la secuencia original de avalanchas. Resulta evidente que en dicha ley no se
ha seleccionado ninguna escala particular, excepto en los dos extremos del
espectro de tamaños, donde aparecen limitaciones obvias. Ninguna avalancha
puede incluir menos de un grano de arena y, evidentemente, la ley potencial debe
dejar de aplicarse en la escala de un único grano; en el otro extremo del
espectro, ninguna avalancha puede ser mayor que la totalidad del montón en
cuestión, de modo que a la mayor avalancha posible se le asigna, por
definición, rango uno.
Las consideraciones sobre la mayor avalancha
posible nos recuerdan una característica común de las distribuciones
potenciales de magnitud en sucesos naturales. Los eventos mayores o más
catastróficos, con rangos numéricos muy pequeños, pueden considerarse, pese a
situarse más o menos en la curva dictada por la ley potencial, como sucesos
históricos individuales de los que se derivan consecuencias muy importantes.
Por su parte, los sucesos menores, con un rango numérico muy grande, se
consideran sólo desde un punto de vista meramente estadístico. Los grandes
terremotos, con un índice del orden de 8,5 en la escala de Richter, se
recuerdan en los titulares de la prensa y en los libros de historia
(especialmente si devastan alguna gran ciudad). Los registros de la multitud de
terremotos de índice 1,5 languidecen en las bases de datos de los sismólogos, y
su destino es, fundamentalmente, el análisis estadístico. Charles Richter y su
maestro Beno Gutenberg, ambos colegas ya fallecidos de Caltech, descubrieron hace
ya mucho tiempo que la energía liberada en un terremoto sigue una ley
potencial. (Un día de 1933, Gutenberg estaba manteniendo una conversación tan
intensa con Einstein sobre sismología que ninguno de los dos percibió el
terremoto de Long Beach que sacudió el campus de Caltech.) De igual manera, los
pequeños meteoritos que constantemente se estrellan contra la Tierra únicamente
se registran en los estudios estadísticos de los especialistas, mientras que el
colosal impacto que contribuyó a la extinción masiva del Cretáceo, hace 65
millones de años, está considerado como el suceso individual de mayor
importancia en la historia de la biosfera.
Puesto que se ha demostrado que las leyes
potenciales operan en los fenómenos de criticalidad autoorganizada, la ya
popular expresión «autoorganizado» se está convirtiendo en moneda común, a
menudo asociada con el término «emergente». Muchos científicos, entre los que
se cuentan miembros de la familia del Instituto de Santa Fe, intentan
comprender el fenómeno de la aparición de estructuras sin que medien
condiciones especiales impuestas desde el exterior. Estructuras o
comportamientos aparentemente complejos pueden surgir en una asombrosa variedad
de contextos en el seno de sistemas caracterizados por reglas muy simples. De
estos sistemas se dice que son autoorganizados, y sus propiedades, emergentes.
El mayor ejemplo es el propio universo, cuya complejidad emerge de un conjunto
de leyes simples a las que se suma el azar.
Figura 7. Comportamiento de una ley potencial (en este caso la ley de Zipf
original) ante un cambio de escala
En muchos casos, el estudio de estas estructuras se
ha visto facilitado en gran medida por el desarrollo de los modernos
ordenadores. A menudo resulta más fácil seguir la emergencia de nuevos rasgos
por medio de un ordenador que a través de ecuaciones en una hoja de papel. Los
resultados son especialmente sorprendentes en aquellos casos en los que la
emergencia requiere un gran lapso de tiempo real, pues la computadora puede
acelerar el proceso por un factor gigantesco. No obstante, el cálculo por ordenador
puede requerir un elevado número de pasos, lo que plantea un problema
totalmente nuevo.
Profundidad y cripticidad
En nuestra descripción de la complejidad hemos
considerado hasta ahora descripciones comprimidas de un sistema o de sus
regularidades (o programas cortos de ordenador que generen descripciones
codificadas) y hemos relacionado varias clases de complejidad con la longitud
de estos programas o descripciones. No obstante, hemos prestado poca atención
al tiempo, al trabajo o al ingenio necesarios para conseguir dicha compresión,
o para identificar las regularidades. Como el trabajo de un científico teórico
consiste precisamente en reconocer regularidades y en comprimir su descripción
en forma de teorías, prácticamente hemos despreciado el valor del trabajo de
los teóricos, lo que ciertamente representa un crimen monstruoso. Algo debemos
hacer para rectificar ese error.
Ya ha quedado claro que se necesitan varios
conceptos diferentes para aprehender convenientemente nuestras nociones
intuitivas de complejidad. Ahora necesitamos complementar nuestra definición de
complejidad efectiva con la definición de otras magnitudes que describirán el
tiempo que emplea un ordenador en pasar de un programa corto a la descripción
de un sistema, y viceversa. (Estas cantidades estarán relacionadas hasta cierto
punto con la complejidad computacional de un problema, que antes definimos como
el mínimo tiempo que tarda un ordenador en resolverlo.)
Estos conceptos relativos a la complejidad han sido
objeto de estudio por parte de varios científicos, pero Charles Bennet, un
brillante pensador de IBM, los ha tratado de un modo especialmente elegante.
Charlie trabaja en IBM, y la empresa le proporciona tiempo para tener ideas,
publicarlas y dar seminarios aquí y allá para hablar de ellas. Me gusta
comparar sus peregrinaciones con las de los trovadores del siglo XII, que
viajaban de corte en corte por lo que ahora es el sur de Francia. En lugar de
canciones sobre el amor cortesano, Charlie «canta» sobre complejidad y
entropía, ordenadores cuánticos y cifrado cuántico. He tenido el placer de
trabajar con él en Santa Fe y en Pasadena, durante una estancia con nuestro
grupo en Caltech.
Existen dos magnitudes particularmente interesantes
relacionadas con la complejidad computacional, denominadas por Charlie
«profundidad» y «cripticidad», con una relación recíproca. El estudio de ambas
resulta muy útil en el caso de un sistema aparentemente complejo y que posee no
obstante un contenido de información algorítmica y una complejidad efectiva
bajos, pues se puede generar su descripción por medio de un programa muy corto.
El truco consiste en preguntarse: 1) ¿Cuánto cuesta pasar del programa corto o
esquema altamente comprimido a una descripción completamente desarrollada del
propio sistema o de sus regularidades? 2) ¿Cuánto cuesta, partiendo del
sistema, comprimir su descripción (o una descripción de sus regularidades) en
un programa o esquema?
De manera aproximada, la profundidad es una medida
del primer tipo de dificultad y la cripticidad del segundo. Evidentemente, el
valor asignable al trabajo de un teórico está relacionado con la cripticidad
(aunque una descripción más sutil del esfuerzo de elaborar teorías debería
incluir una distinción entre el ingenio y la mera laboriosidad).
Un ejemplo hipotético
Para ilustrar cómo una gran simplicidad puede estar
asociada con un valor muy grande de la profundidad, retomemos a la conjetura de
Goldbach, que afirma que todos los números pares mayores que 2 pueden
expresarse como la suma de dos números primos. Como ya se dijo, esta conjetura
no ha sido demostrada ni refutada, pero se ha verificado para todos los pares
menores que una cierta cota muy grande, merced a la potencia de los ordenadores
empleados y a la paciencia de los investigadores.
Previamente nos hemos permitido suponer que la
conjetura de Goldbach es técnicamente indecidible (sobre la base de los axiomas
de la teoría de números) pero que, de hecho, es cierta en la práctica. Ahora
imaginaremos que la conjetura es falsa. En ese caso, existe un número entero
par g mayor de 2 y que no puede expresarse
como la suma de dos primos. Este número hipotético g tiene una
descripción muy simple, justo la que acabamos de dar. Análogamente, existe un
programa muy pequeño para calcularlo; por ejemplo, uno puede buscar
metódicamente números primos cada vez más grandes y probar la conjetura de
Goldbach sobre todos los números desde el 3 hasta el mayor primo hallado. De
este modo, podrá descubrirse finalmente el menor número g que
viole la conjetura.
Aunque la conjetura de Goldbach sea realmente
falsa, es probable que el tiempo de cálculo consumido por tal programa para
hallar g sea muy grande de todos modos. En este caso
hipotético, el número g tiene un contenido de información
algorítmica y una complejidad efectiva pequeños, pero una profundidad
considerable.
La profundidad en profundidad
La definición técnica de profundidad propuesta por
Charlie implica un ordenador, del mismo tipo que el considerado en relación con
el contenido de información algorítmica: un ordenador ideal polifacético al que
se le pueda incrementar, en cualquier momento y según las necesidades, la
capacidad de memoria (o que tenga de entrada una memoria infinita). Se parte de
un mensaje compuesto por una cadena de bits, que describe el sistema objeto de
estudio, y se considera no sólo el programa más corto que hará que el ordenador
imprima la cadena y se detenga después (como era el caso en la definición de
contenido de información algorítmica), sino todo el conjunto de programas
cortos que tengan este efecto. Para cada uno de estos programas, se mira cuál
es el tiempo de cálculo empleado por el ordenador para pasar del programa a la
cadena original y se promedia este valor sobre el conjunto de todos los
programas, empleando un método de promedio que da mayor peso a los programas
más cortos.
Bennett ha reformulado ligeramente esta definición
sirviéndose de la metáfora de Greg Chaitin. Imaginemos que nuestros monos
escritores se ponen a trabajar para componer programas de ordenador en lugar de
obras en prosa. Prestemos atención a aquellos programas excepcionales que hacen
que el ordenador escriba un cierto mensaje y se detenga luego. De entre todos
estos programas, ¿cuál es la probabilidad de que el tiempo de ejecución
requerido para uno cualquiera de ellos sea menor que un cierto tiempo T? Llamemos p a
esta probabilidad. La profundidad d se define entonces como
cierto tipo de promedio de los valores posibles de T, promedio que
depende de cómo varía p con T.
La Figura 8 representa aproximadamente la variación
de la probabilidad p en función del máximo tiempo de ejecución
permitido T. Cuando T es muy pequeño, es muy poco
probable que los monos compongan un programa que produzca el resultado deseado
en tan poco tiempo, de modo que p es cercano a cero.
Cuando T es muy grande, la probabilidad se aproxima obviamente
a 1. La profundidad d puede definirse, grosso modo, como
lo que tarda en subir la curva de T en función de p. La
profundidad indica cuál es el máximo tiempo de ejecución permitido que hay que
tomar para seleccionar la mayor parte de los programas que harán que el
ordenador imprima nuestro mensaje y después se detenga. La profundidad es en
cierto modo una medida del tiempo que tardará en generarse el mensaje.
Figura 8 La profundidad como función creciente del tiempo
En la naturaleza, el hecho de que un sistema posea
una profundidad muy grande nos indica que ha tardado mucho tiempo en
evolucionar o bien que tiene su origen en otro sistema al cual le ha llevado
mucho tiempo evolucionar a su vez. La gente que muestra interés en la
conservación de la naturaleza o en la preservación de monumentos históricos
está intentando de hecho preservar la profundidad y la complejidad efectiva,
tal como se manifiestan en las comunidades naturales o en la cultura humana.
Pero, como ha demostrado Charlie, la profundidad
tiende a manifestarse como el subproducto de un proceso evolutivo prolongado
Podemos encontrar muestras de profundidad no sólo en las formas de vida
actuales, incluido el hombre, en las magníficas obras de arte producidas por la
humanidad o en los restos fósiles de dinosaurios mamíferos de la Era Glacial,
sino también en una lata de cerveza vacía abandonada en una playa, o en una
pintada sobre la pared de un cañón. Los conservacionistas no están obligados a
defender toda las manifestaciones de profundidad.
Profundidad y contenido de información algorítmica
Aunque la profundidad es un promedio de tiempos de
ejecución sobre longitudes de programa, promedio realizado de modo que los
programas más cortos tengan mayor peso, podemos en muchos casos hacernos una
idea de su valor considerando el tiempo de ejecución del programa más corto.
Supongamos, por ejemplo, que la cadena de bits de nuestro mensaje es
completamente regular, con un contenido de información algorítmica casi nulo.
El tiempo de ejecución del programa más corto en este caso es bastante reducido
—el ordenador no ha de «pensar» mucho para ejecutar un programa como «IMPRIME
veinte billones de ceros» (aunque si la impresora es lenta la impresión puede
llevar algún tiempo). Si el contenido de información algorítmica es muy bajo,
la profundidad es pequeña.
¿Qué ocurre con una cadena aleatoria, con un máximo
contenido de información algorítmica para una longitud de mensaje dada? Pasar
del programa más corto —IMPRIME seguido de la propia cadena— a la impresión
efectiva del mensaje no requerirá tampoco demasiado esfuerzo por parte del
ordenador, de modo que cuando el contenido de información algorítmica es máximo
la profundidad es igualmente baja. La situación recuerda la variación de la
complejidad efectiva máxima con el contenido de información algorítmica, como
se representa en la Figura 4. En este caso podemos entender cómo varía la
profundidad máxima con el contenido de información algorítmica. Su valor es
bajo en ambos extremos, pero puede tener un valor finito entre estos puntos, en
la región intermedia entre el orden y el desorden. Naturalmente, en esta región
intermedia la profundidad no tiene por qué ser grande.
Figura 9. Máxima profundidad posible representada como Junción aproximada
del contenido de infamación algorítmica
La figura precedente tiene una forma distinta de la
correspondiente a la Figura 4; aunque ambas son representaciones aproximadas,
muestran que la profundidad puede ser grande incluso para valores del contenido
de información algorítmica muy cercanos al orden o al desorden completos, donde
la complejidad efectiva es también pequeña.
Cripticidad y teorización
La definición de cripticidad hace referencia a una
operación que es la inversa de la que se considera en la definición de
profundidad. La cripticidad de la cadena de bits de un mensaje es el menor
tiempo requerido por un ordenador estándar para encontrar, partiendo de la
cadena, uno de los programas más cortos que hagan que la máquina imprima el
mensaje y después se detenga.
Supongamos que la cadena de bits es el resultado de
la codificación del flujo de datos estudiado por un teórico. La cripticidad de
la cadena sería entonces una medida aproximada de la dificultad de la tarea del
teórico, no muy diferente de la del ordenador en la definición. El teórico
identifica tantas regularidades como puede, en forma de información mutua que
relaciona diferentes partes del flujo de datos, y luego elabora hipótesis, tan
simples y coherentes como le sea posible, que expliquen las regularidades
observadas.
Las regularidades son los rasgos comprimibles del
flujo de datos. Proceden en parte de las leyes fundamentales de la naturaleza y
en parte de sucesos azarosos que pudieron ocurrir de otra forma. Pero el flujo
posee también rasgos aleatorios, procedentes de sucesos azarosos que no dieron
lugar a regularidades; estos rasgos son incomprensibles. Al comprimir las
regularidades tanto como sea posible, el teórico está descubriendo al mismo
tiempo una descripción concisa de la totalidad del flujo, compuesta de regularidades
comprimidas y de información aleatoria suplementaria incompresible.
Análogamente, un programa breve que haga que el ordenador imprima el mensaje (y
luego se detenga) puede modificarse para que consista en un programa básico que
describa las regularidades de la cadena más una parte adicional que aporte
información sobre sus circunstancias específicas accidentales.
Aunque nuestras disquisiciones sobre el concepto de
teoría apenas han arañado la superficie de este tema, hemos mencionado ya la
teorización sobre los topónimos, sobre fórmulas empíricas en estadística, sobre
la altura de los montones de arena y sobre el electromagnetismo clásico y la
gravitación. Aunque hay una gran similaridad formal entre estas diversas clases
de teorización, cada una implica descubrimientos en muchos niveles diferentes,
entre los que resulta útil hacer una distinción. ¿Se están estudiando las leyes
básicas de la física? ¿O leyes aproximadas aplicadas a objetos físicos
desordenados como los montones de arena? ¿O leyes empíricas, generales aunque
aproximadas, sobre instituciones humanas, como ciudades o compañías
financieras? ¿O reglas específicas, cargadas de excepciones, sobre los nombres
que la gente aplica a una región geográfica determinada? Existen claras e
importantes diferencias en exactitud y generalidad entre toda esta diversidad
de principios teóricos. Esas diferencias se discuten frecuentemente en términos
de cuáles son más fundamentales que los demás. Pero ¿qué significa esto?
Capítulo 9
¿Qué es lo fundamental?
El quark y el jaguar se encuentran prácticamente en
los extremos opuestos de la escala de lo fundamental. La física de las
partículas elementales y la cosmología son las dos disciplinas científicas más
básicas, mientras que el estudio de la materia viva altamente compleja es mucho
menos básico, aunque obviamente de la mayor importancia. A fin de discutir esta
jerarquía de las ciencias, es necesario desenredar al menos dos ovillos
distintos, uno de los cuales tiene que ver con convenciones y el otro con las afinidades
reales entre las diferentes materias.
Una vez me contaron que la facultad de ciencias de
una universidad francesa solía tratar los asuntos relativos a sus diversas
cátedras en un orden fijo: primero las matemáticas, y después la física, la
química, la fisiología, etc. Cabe pensar que los asuntos de los biólogos debían
de estar bastante desatendidos.
Igualmente, en el testamento de Alfred Nobel, el
magnate sueco de la dinamita que estableció los premios que llevan su nombre,
los premios científicos están ordenados con la física en primer lugar, la
química en segundo, y la medicina y fisiología en tercero. Debido a ello, el
premio de física es el primero en entregarse al comenzar la ceremonia en
Estocolmo. Si sólo hay un galardonado y se trata de un hombre casado, su mujer
acude del brazo del rey a la cena que se celebra más tarde (cuando mi amigo Abdus
Salam, paquistaní musulmán, compartió el Nobel de física en 1979, se presentó
en Suecia con sus dos esposas, provocando no pocos problemas de protocolo). El
ganador o ganadores del Nobel de química ocupan el segundo lugar en el
protocolo, y los de medicina y fisiología el tercero. Las matemáticas no fueron
incluidas en el testamento de Nobel por razones algo oscuras. Un persistente
rumor afirma que Nobel estaba enemistado con un matemático sueco,
Mittag-Leffler, por el amor de una mujer, pero, por lo que sé, no es más que
una leyenda.
El origen de esta jerarquía en las ramas de la
ciencia puede situarse en el trabajo del filósofo decimonónico francés Auguste
Comte, quien sostuvo que la astronomía era la disciplina científica
fundamental, la física la segunda, etc. (consideraba la matemática más como un
útil lógico que como una auténtica ciencia). ¿Estaba en lo cierto? Y si es así,
¿en qué sentido? Llegados a este punto, hay que dejar de lado las cuestiones de
prestigio e intentar comprender qué significa realmente esta jerarquía en términos
científicos.
El carácter especial de la matemática
En primer lugar, es cierto que la matemática no es
realmente una ciencia, si por ciencia entendemos una disciplina dedicada a la
descripción de la naturaleza y de sus leyes. La matemática se ocupa de
demostrar las consecuencias lógicas de determinados conjuntos de suposiciones.
Se puede por tanto omitir de la lista de las ciencias (como hizo Nobel) y
considerarla tanto una materia interesante por derecho propio (matemática pura)
como una herramienta extremadamente útil para las ciencias (matemática aplicada).
Otra manera de enfocar el asunto consiste en
considerar la matemática aplicada como el estudio de todas aquellas estructuras
que se dan en las teorías científicas, mientras que la matemática pura cubre no
sólo éstas, sino todas aquellas que podrían haberse dado (o podrían darse en el
futuro). La matemática se convierte así en el estudio riguroso de mundos
hipotéticos. Desde este punto de vista, la matemática es una clase de ciencia,
la ciencia de lo que es y de lo que podría haber sido.
Considerada de esta forma, ¿es la matemática la más
fundamental de las ciencias? En cuanto a las otras disciplinas ¿qué significa
la afirmación de que la física es más fundamental que la química, o la química
más que la biología? ¿Qué pasa con las diferentes partes de la física: son
algunas más fundamentales que las otras? En general, ¿qué es lo que hace que
una ciencia sea más fundamental que otra?
Sugiero que la ciencia A tiene un carácter más
fundamental que la ciencia B cuando:
1. Las leyes de la ciencia A abarcan los fenómenos y
leyes de la ciencia B.
2. Las leyes de la ciencia A son más generales que las
de la ciencia B (es decir, las propias de B son válidas bajo unas condiciones
más restrictivas que las de A).
Si consideramos la matemática como una ciencia,
entonces, de acuerdo con estos criterios, ésta tiene un carácter evidentemente
más fundamental que cualquier otra. Todas las estructuras matemáticas
concebibles entran dentro de su esfera, mientras que las útiles para describir
fenómenos naturales representan sólo un pequeño subconjunto de aquellas que
son, o serán, estudiadas por los matemáticos. Este subconjunto de leyes
matemáticas cubre todas las teorías empleadas en las demás ciencias. Pero ¿qué
sucede con estas otras ciencias? ¿Cuáles son las relaciones entre ellas?
La física del electrón y la química
Se dice que en 1928, cuando publicó su ecuación
mecanocuántica relativista para el electrón, el destacado físico teórico inglés
Paul Adrien Maurice Dirac declaró que su fórmula explicaba la mayor parte de la
física y toda la química. Naturalmente, era una exageración. No obstante, se
puede entender lo que quería decir, especialmente en lo referente a la química,
que estudia principalmente el comportamiento de átomos y moléculas, compuestos
a su vez por un núcleo masivo rodeado de electrones ligeros que se mueven a su
alrededor. Casi todos los fenómenos químicos están gobernados en gran medida
por el comportamiento de los electrones, que interactúan entre sí y con el
núcleo a través de fuerzas electromagnéticas.
La ecuación de Dirac, que describe la interacción
del electrón con el campo electromagnético, dio lugar en pocos años a la
eclosión de la teoría mecanocuántica relativista del electrón y el
electromagnetismo. Esta teoría, la electrodinámica cuántica, abreviada QED (del
inglés quantum electrodynamics), ha sido verificada
experimentalmente con enorme precisión repetidas veces (y merece por ello la
abreviatura, que a algunos nos recuerda aquellos días de escuela en que al
final de una demostración matemática poníamos las siglas latinas «QED» para
indicar quod erat demonstrandum, «lo que se quería
demostrar»).
La QED explica, en principio, una gran parte de la
química. Puede aplicarse rigurosamente a todos aquellos problemas en que los
núcleos pesados pueden aproximarse por partículas puntuales cargadas e
inmóviles. Extensiones simples de la QED permiten incorporar también el
movimiento del núcleo y su tamaño finito.
En principio, un físico teórico que trabaje con la
QED puede determinar el comportamiento de cualquier sistema químico en el que
la estructura interna del núcleo atómico no sea importante. Los cálculos sobre
estos procesos químicos, que se valen de aproximaciones válidas de la QED,
predicen satisfactoriamente los resultados experimentales. De hecho, hay una
aproximación particular bien justificada de la QED que producirá buenos
resultados en la mayoría de casos; es la llamada ecuación de Schrödinger con
interacciones culombianas, aplicable cuando el sistema es «no relativista», es
decir, cuando electrones y núcleos se mueven con velocidades muy pequeñas
comparadas con la de la luz. Esta aproximación fue descubierta en los primeros
días de la revolución cuántica, tres años antes de la aparición de la ecuación
relativista de Dirac.
Para que de las teorías físicas fundamentales se
deriven propiedades químicas es preciso, por así decirlo, formular preguntas de
química a la física. Deben introducirse en los cálculos no sólo las ecuaciones
básicas, sino también las condiciones que caracterizan el sistema o proceso
químico en cuestión. Tenemos, por ejemplo, que el estado de mínima energía de
dos átomos de hidrógeno es la molécula de hidrógeno H2. Una cuestión
importante en química es la energía de enlace de esta molécula, es decir, la
diferencia entre la energía de la molécula y la suma de las energías de los dos
átomos individuales que la componen. Una vez planteada, la respuesta a esta
pregunta puede obtenerse por medio de la QED. Pero es necesario «preguntar a la
ecuación» cuáles son las propiedades del estado de mínima energía de esa
molécula en particular.
Las condiciones de baja energía en que surgen estas
cuestiones químicas no son universales. En el centro del sol, donde reina una
temperatura de decenas de millones de grados, los átomos de hidrógeno se
disgregan en sus electrones y protones constituyentes. Ni átomos ni moléculas
están presentes allí en cantidades apreciables. Se puede decir que la química
no existe en el centro del sol.
La QED satisface los dos criterios que permiten
considerarla más fundamental que la química: las leyes de la química son
derivables, en principio, de las de la QED, siempre que se suplementen las
ecuaciones con información adicional que describa las condiciones químicas
adecuadas, y por otra parte, estas condiciones son especiales, no son válidas
en todo el universo.
La química en su propio nivel
Aun con la ayuda de los mayores y más rápidos
ordenadores disponibles en la actualidad, a partir de la teoría física básica
sólo son abordables los problemas químicos más simples. El número de problemas
tratables está creciendo, pero la mayoría de procesos químicos se describe
todavía haciendo uso de ideas, conceptos y fórmulas propios de la química.
En general, los científicos suelen desarrollar
teorías para describir resultados observados en un campo particular sin
derivarlos de las teorías de un campo más fundamental. Tal derivación, aunque
en principio resulta posible si se suministra la información adicional
necesaria, es en la mayor parte de casos muy difícil o imposible de llevar a la
práctica.
Por ejemplo, los químicos diferencian varios tipos
de enlace entre átomos (un ejemplo es el enlace entre los dos átomos de la
molécula de hidrógeno). En el curso de su experiencia, han desarrollado
numerosas ideas prácticas sobre el enlace químico que les permiten realizar
predicciones sobre el comportamiento de las reacciones químicas. Al mismo
tiempo, los químicos teóricos intentan derivar esas ideas, en la medida de lo
posible, de aproximaciones de la QED. Salvo en los casos más simples, su
propósito sólo se ha visto parcialmente coronado por el éxito, pero no albergan
dudas de que en principio, con la suficiente potencia de cálculo, podrían
alcanzar su objetivo con gran precisión.
Escaleras (o puentes) y reducción
Nos vemos así abocados a la metáfora común de los
diferentes niveles de la ciencia, con los más fundamentales en la base y los
menos en la cima. La química no nuclear ocupa un nivel «por encima» de la QED.
En casos muy simples se puede emplear una aproximación de la QED para realizar
predicciones directas en el nivel químico, pero en la mayoría de casos las
leyes se formulan en el nivel superior (químico) para explicar y predecir
fenómenos en ese mismo nivel, y más tarde se intenta derivar esas leyes, en la
medida de lo posible, del nivel inferior (la QED). La ciencia se desarrolla en
ambos niveles, a la vez que se intenta construir escaleras (o puentes) entre
ambos.
No es necesario restringir la discusión a los
fenómenos no nucleares. Desde su desarrollo en los años treinta la QED ha sido
ampliamente generalizada, y ha dado lugar a toda una nueva disciplina, la
física de las partículas elementales. La teoría de las partículas elementales,
en la que he trabajado casi toda mi vida, se ocupa de la descripción de todas
las partículas elementales (las piezas básicas con que está construida la
materia) y de todas las fuerzas de la naturaleza, no únicamente de los electrones
y el electromagnetismo. La teoría de las partículas elementales describe el
comportamiento de los electrones y lo que ocurre en el interior del núcleo
atómico. Por lo tanto, la relación entre la QED y la parte de la química que se
ocupa de los electrones puede considerarse como un caso especial de la relación
entre la física de las partículas elementales (en conjunto) en el nivel más
fundamental, y la química (también en conjunto, incluyendo la química nuclear)
en el nivel menos fundamental.
La explicación del nivel superior en términos del
inferior se suele denominar «reducción». No sé de ningún científico serio que
crea en la existencia de fuerzas químicas especiales que no puedan explicarse a
partir de las interacciones físicas subyacentes. Aunque a algunos químicos no
les guste verlo así, lo cierto es que la química podría derivarse, en
principio, de la física de las partículas elementales. En este sentido todos
somos reduccionistas, al menos en lo referente a la química y la física. Pero, dado
que al aplicarse únicamente bajo ciertas condiciones particulares que permiten
la existencia de fenómenos químicos, la química es más restringida que la
física de las partículas elementales, es necesario introducir en las ecuaciones
de la física de partículas la información concerniente a esas condiciones para
poder derivar, al menos en teoría, las leyes de la química. Sin estas
consideraciones, la noción de reducción resulta incompleta.
De todo esto se desprende una lección útil, y es
que, aunque las diferentes ciencias residen efectivamente en diferentes
niveles, forman parte de una única estructura conexa. La unicidad de esta
estructura está basada en las relaciones entre las partes. Una ciencia
perteneciente a un nivel determinado abarca las leyes de otra ciencia menos
fundamental, situada en un nivel superior. Pero esta última, al ser especial,
precisa de información adicional además de las leyes del nivel inferior. En
cada nivel hay leyes por descubrir, importantes por sí mismas. El desarrollo de
la ciencia implica investigar esas leyes a todos los niveles, a la vez que se
trabaja, de arriba abajo, en la construcción de escaleras entre ellos.
Estas consideraciones se aplican también dentro de
la física. Las leyes de la física de partículas son válidas para toda la
materia, en todo el cosmos, bajo cualesquiera condiciones. No obstante, en los
primeros instantes de la expansión del universo la física nuclear no era de
hecho aplicable, pues la densidad era demasiado elevada para permitir la
existencia de núcleos aislados, o incluso de neutrones o protones. Aun así, la
física nuclear es crucial para comprender qué sucede en el centro del sol, donde
reacciones termonucleares (similares a las que tienen lugar dentro de una bomba
de hidrógeno) liberan la energía que emite el astro, aunque las condiciones
allí sean demasiado extremas como para que exista la química.
La física de la materia condensada, que se ocupa de
sistemas tales como vidrios, cristales y líquidos, o superconductores y
semiconductores, es una disciplina muy restringida, aplicable únicamente bajo
condiciones que permitan la existencia de las estructuras objeto de su estudio
(como, por ejemplo, temperaturas suficientemente bajas). Para poder derivarla,
teóricamente, a partir de la física de partículas, es necesario también
especificar las condiciones en que se aplica.
La información necesaria para la reducción de la
biología
¿Qué se puede decir de la relación entre la física
y la química y otro nivel jerárquico, el de la biología? ¿Existen todavía, como
era común en épocas pasadas, biólogos serios que crean en la existencia de
«fuerzas vitales» que no tengan un origen fisicoquímico? Deben ser muy pocos,
si es que queda alguno. Todos estamos virtualmente convencidos de que la vida
se fundamenta en las leyes de la física y la química, tal como las leyes de la
química surgen de las de la física, y en este sentido todos somos de alguna
manera reduccionistas. Sin embargo, como ocurre con la química, sigue siendo
muy provechoso estudiar la biología en sus propios términos y en su propio
nivel, mientras prosigue la construcción de la escalera.
Por otra parte, la biología terrestre es una
ciencia extremadamente particular, pues se ocupa de las formas de vida de este
planeta, que pueden resultar muy diferentes de los otros sistemas complejos
adaptativos que seguramente existen en planetas girando en torno a estrellas
distantes. En algunos de estos planetas tal vez no describiríamos como seres
vivos a los sistemas complejos adaptativos que allí encontrásemos (para tomar
prestado un ejemplo trivial de la ciencia ficción, imaginemos una sociedad compuesta
de robots y ordenadores muy avanzados, descendientes de otros construidos largo
tiempo atrás por una raza extinguida de seres que sí habríamos descrito como
«vivos»). Incluso si nos limitamos a los seres propiamente vivos, muchos de
ellos presumiblemente exhibirían propiedades muy distintas de los de la Tierra.
Es necesario aportar una enorme cantidad de información específica adicional,
por encima de las leyes de la física y la química, para caracterizar los
fenómenos biológicos terrestres.
Para empezar, es probable que muchos de los rasgos
comunes que caracterizan cualquier forma de vida en la Tierra sean el resultado
de accidentes ocurridos al principio de la historia de la vida sobre el
planeta, accidentes que pudieron haber tenido un resultado diferente (formas de
vida para las cuales estos accidentes tuvieron un resultado distinto quizá
existieron sobre la Tierra hace mucho tiempo). Incluso la regla de que los
genes deben estar compuestos por cuatro nucleótidos, denominados abreviadamente
A, C, G y T, que parece regir para toda la vida actual en nuestro planeta,
podría no ser universal a escala cósmica. Puede haber muchas otras reglas
posibles válidas en otros planetas, y seres que obedeciesen estas otras reglas
podrían haber poblado la Tierra hace miles de millones de años, hasta que
perdieron la batalla contra la vida basada en los nucléotidos ahora familiares
y desaparecieron.
Bioquímica: Complejidad efectiva frente a
profundidad
No sólo el conjunto particular de nucleótidos que
caracteriza el ADN de la vida terrestre puede resultar o no único; la misma
cuestión se plantea respecto de todas las propiedades generales que
caracterizan la química de la vida en la Tierra. Algunos teóricos proclaman que
la bioquímica debe tomar formas diferentes en los distintos planetas dispersos
por el universo. El caso de la Tierra sería sólo el resultado de una larga
sucesión de sucesos azarosos, cada uno de los cuales habría contribuido a las
notables peculiaridades de la bioquímica terrestre, proporcionándole así una
gran cantidad de complejidad efectiva.
En el otro extremo están quienes creen que la
bioquímica es esencialmente única, y que las leyes de la química, basadas en
las leyes más fundamentales de la física, dejan muy pocas posibilidades para
otra química de la vida diferente de la observada en la Tierra. Los defensores
de este punto de vista afirman que el paso de las leyes fundamentales a las de
la bioquímica no implica de hecho ninguna información adicional, y que
contribuye muy poco al aumento de la complejidad efectiva. No obstante, un ordenador
tendría que hacer una enorme cantidad de cálculos para deducir, a partir de las
leyes fundamentales de la física, la cuasiunicidad de la bioquímica como
proposición teórica. En cualquier caso, la bioquímica seguiría poseyendo una
gran profundidad, aunque no tuviese una gran complejidad. Otra forma de
presentar la cuestión sobre la cuasiunicidad de la bioquímica terrestre
consiste en preguntarse si la biología depende principalmente de plantear las
cuestiones físicas correctas, o si también la historia tiene un papel
importante.
La vida: Alta complejidad efectiva entre el orden y
el desorden
Aunque la química propia de la vida terrestre
dependa en poca medida de la historia, todavía queda una enorme cantidad de
complejidad efectiva dentro de la biología, mucha más que en la química o la
física de la materia condensada. Consideremos el inmenso número de cambios
evolutivos aleatorios acaecidos durante los cuatro mil millones de años
transcurridos desde el origen de la vida en la Tierra. Algunos de estos
accidentes (probablemente un pequeño porcentaje, pero aun así muchos) han
desempeñado papeles capitales en la subsiguiente historia de la vida en este
planeta y en las características de las diferentes formas de vida que pueblan
la biosfera. Las leyes de la biología dependen de las leyes de la física y la
química, pero también de una ingente cantidad de información adicional acerca
del resultado de aquellos accidentes. En este caso —y con mucha más razón que
para la física nuclear, la física de la materia condensada o la química— puede
observarse la gran diferencia entre la clase de reducción que es posible en
principio en biología y la idea trivial que la palabra «reducción» despertaría
en la mente de un lector ingenuo. La ciencia de la biología es mucho más
compleja que las leyes fundamentales de la física porque gran parte de las
regularidades que se observan en la biología terrestre proceden tanto de
sucesos casuales como de dichas leyes.
El estudio de los sistemas complejos adaptativos de
cualquier clase y sobre cualquier planeta no deja de ser bastante singular. El
medio ambiente debe presentar una regularidad suficiente, que el sistema
explotará para aprender o adaptarse, pero, al mismo tiempo, esa regularidad no
debe ser tanta como para que no suceda nada en absoluto. Si el ambiente en
cuestión es, por ejemplo, el centro del sol, a una temperatura de decenas de
millones de grados, reina en él un estado de total aleatoriedad, con un contenido
de información algorítmica casi máximo, y no hay lugar para la complejidad
efectiva o para la profundidad —no puede existir nada parecido a la vida—.
Tampoco puede darse la vida si el medio ambiente es un cristal perfecto a una
temperatura de cero absoluto, con un contenido de información algorítmica
prácticamente nulo y escasas posibilidades para la complejidad efectiva o la
profundidad. Para que un sistema complejo adaptativo pueda funcionar se
requieren condiciones intermedias entre el orden y el desorden.
La superficie del planeta Tierra proporciona un
medio ambiente con un contenido de información algorítmica intermedio, en el
que puede haber complejidad efectiva y profundidad; ésta es una de las razones
por las que la vida ha podido evolucionar aquí. Naturalmente, en un principio,
bajo las condiciones que imperaban en la Tierra hace miles de millones de años,
sólo se desarrollaron formas de vida muy primitivas. Pero, posteriormente,
estos mismos seres vivos alteraron la biosfera, en particular al enriquecer en
oxígeno la atmósfera, produciendo condiciones similares a las actuales y
permitiendo la evolución de formas de vida superiores, con una organización más
compleja. Las condiciones intermedias entre el orden y el desorden absolutos
caracterizan el medio ambiente en que puede darse la vida, y también la propia
vida, con su alta complejidad efectiva y gran profundidad.
Psicología y neurobiología: La mente y el cerebro
Los sistemas complejos adaptativos en la Tierra han
dado origen a varios niveles de ciencia situados «por encima» de la biología.
Uno de los más importantes es el estudio de la psicología animal, especialmente
la del animal de más compleja psicología, el ser humano. De nuevo, puede que
haya algún raro científico contemporáneo que crea en la existencia de «fuerzas
mentales» de origen no biológico y, en última instancia, no fisicoquímico, pero
virtualmente todos somos, en este sentido, reduccionistas. Aún así, a veces, en
conexión con disciplinas como la psicología (y también la biología), la palabra
«reduccionista» tiene un carácter peyorativo, incluso entre científicos. (Por
ejemplo, el Instituto Tecnológico de California, en el que he enseñado durante
casi cuarenta años, es a menudo tachado de «reduccionista»; de hecho, yo mismo
he empleado el término para condenar lo que considero serias deficiencias de
nuestro Instituto.) Ahora bien, ¿sobre qué se discute en realidad?
La cuestión es que el estudio de la psicología
—aunque resulte sin duda derivable de la neurofisiología, la endocrinología de
los neurotransmisores, etc.— es valioso en su propio nivel. Muchos, yo entre
ellos, creen que cuando se hayan construido las escaleras entre la psicología y
la biología, la mejor estrategia será trabajar tanto desde arriba como desde
abajo. Es esta proposición la que no goza de aceptación universal, por ejemplo
en Caltech, donde virtualmente no hay investigación sobre psicología humana.
Allí donde se trabaja en biología y psicología, así
como en la construcción de las escaleras entre ambas disciplinas, el énfasis en
el lado biológico recae sobre el cerebro (junto con el resto del sistema
nervioso, el sistema endocrino, etc.), mientras que en el lado psicológico
recae sobre la mente —es decir, el conjunto de manifestaciones fenomenológicas
del funcionamiento del cerebro y otros órganos relacionados—. Cada tramo de
escalera es un puente entre el cerebro y la mente.
En Caltech, gran parte de la investigación en esta
área está dedicada al cerebro. La mente está descuidada y, en algunos círculos,
la propia palabra «mente» resulta sospechosa (un amigo mío la llama la palabra
M). No obstante, no hace mucho se llevaron a cabo en Caltech importantes
investigaciones psicológicas, en especial los trabajos del psicobiólogo Roger
Sperry y sus colaboradores sobre las correlaciones mentales entre los
hemisferios izquierdo y derecho del cerebro humano. Estudiaron pacientes cuyo
cuerpo calloso —una parte del cerebro que conecta ambos hemisferios— había sido
seccionado a consecuencia de un accidente o de un tratamiento quirúrgico contra
la epilepsia. Se sabía que el habla y el control del lado derecho del cuerpo
están asociados al hemisferio izquierdo, mientras que el lado izquierdo del
cuerpo se halla asociado al hemisferio derecho. En sus investigaciones hallaron
que un paciente con el cuerpo calloso seccionado era incapaz de expresar
verbalmente información adquirida por el lado izquierdo de su cuerpo, a la vez
que mostraba evidencias indirectas de poseer tal información.
Al disminuir con la edad la actividad de Sperry,
las investigaciones que inició las prosiguieron en otros centros sus antiguos
colaboradores y otros muchos científicos nuevos en este campo. Se hallaron
nuevas evidencias de que el hemisferio izquierdo está relacionado con el habla,
así como con la lógica y el análisis, mientras que el hemisferio derecho está
asociado con la comunicación no verbal, los aspectos afectivos del lenguaje y
las funciones integrativas, como el reconocimiento de caras. Algunos científicos
han llegado a relacionar el hemisferio derecho con la intuición y la percepción
de cuadros generales. Desafortunadamente, la divulgación popular ha exagerado y
distorsionado muchos de los resultados obtenidos, y en la polémica desatada se
ha ignorado en gran medida la advertencia de Sperry de que «los dos hemisferios
de un cerebro normal intacto tienden regularmente a funcionar en coordinación,
como una unidad...». No obstante, los descubrimientos realizados son realmente
notables. A mí me intriga particularmente saber hasta qué punto es cierta la
afirmación de que los aficionados perciben usualmente la música con su
hemisferio derecho, mientras que los músicos profesionales lo hacen
principalmente con su hemisferio izquierdo.
Concentración en el mecanismo o en la explicación:
«Reduccionismo»
¿Por qué en la actualidad se realiza tan poca
investigación psicológica en Caltech? Por supuesto, es un centro pequeño y en
él no se puede hacer de todo. Pero ¿por qué tan poca biología evolutiva? (A
veces digo, bromeando, que si fuéramos una institución creacionista, apenas
tendríamos menos.) ¿Por qué tan poca ecología, lingüística o arqueología? Uno
llega a sospechar que todas ellas tienen algo en común que desconcierta a
nuestro claustro.
Los programas de investigación científica en
Caltech tienden a favorecer el estudio de mecanismos, procesos subyacentes y
explicaciones. Naturalmente simpatizo con estos fines, porque son los propios
de la física de partículas elementales. De hecho, el énfasis en los mecanismos
subyacentes ha conducido a impresionantes logros en multitud de campos. En los
años veinte, T. H. Morgan fue invitado a fundar la división de biología
mientras se hallaba secuenciando los genes de la mosca de la fruta, sentando así
las bases de la genética moderna. Max Delbrük, que ingresó en los años
cuarenta, se convirtió en uno de los fundadores de la biología molecular.
Pero si una disciplina se considera demasiado
descriptiva y fenomenología, no situada todavía en el nivel en que sus
mecanismos pueden estudiarse, nuestro claustro la considera insuficientemente
«científica». Si Caltech hubiese existido en la época de Darwin, con estas
mismas inclinaciones, ¿le hubiesen invitado a él a unirse al
claustro? Después de todo, Darwin formuló su teoría de la evolución sin muchas
pistas sobre sus procesos fundamentales. Sus escritos indican que, si le
hubieran presionado para explicar los mecanismos de variación, probablemente
hubiese optado por una explicación de tipo lamarckiano (los lamarckianos
pensaban que cortando la cola a ratones durante varias generaciones se
obtendría una cepa de ratones rabones, o que los largos cuellos de las jirafas
se debían a generaciones de antepasados que se pasaban el día estirándolos para
alcanzar ramas de acacia más altas). Sin embargo, su contribución a la biología
resultó monumental. En particular, su teoría de la evolución sentó las bases para
el principio unificador de que todos los organismos existentes proceden de un
único ancestro. Qué contraste con la complejidad de la noción antes imperante
de la estabilidad de las especies, que afirmaba que cada una de ellas había
sido creada por medios sobrenaturales.
Aunque yo estuviera de acuerdo en que disciplinas
como la psicología no son todavía lo suficientemente científicas, mis
preferencias se decantarían por abordarlas y disfrutar así del placer de
hacerlas más científicas. Además de favorecer, como regla general, la
construcción de escaleras interdisciplinarias —partiendo de lo más fundamental
hacia lo menos fundamental—, yo me mostraría, en el caso de la psicología y en
otros muchos, partidario de una aproximación de arriba abajo, que comenzase con
la identificación de las principales regularidades en el nivel menos
fundamental y dejase para más tarde el conocimiento de los mecanismos
fundamentales subyacentes. Pero la atmósfera del campus de Caltech está
impregnada de una fuerte propensión a abordar los problemas desde abajo, lo que
ha propiciado la mayor parte de los espectaculares logros responsables de la
reputación del centro. Es también esta propensión la que invita a acusarlo de
reduccionismo, con sus connotaciones peyorativas.
Las disciplinas como la psicología, la biología
evolutiva, la ecología, la lingüística y la arqueología, trabajan con sistemas
complejos adaptativos. Todas ellas son objeto de estudio en el Instituto de
Santa Fe, donde se da un gran énfasis a las semejanzas entre estos sistemas y a
la importancia de estudiarlos en sus propios niveles, no meramente como
consecuencias de otras disciplinas científicas más fundamentales. En este
sentido el Instituto de Santa Fe forma parte de una revolución en contra del exceso
de reduccionismo.
Simplicidad y complejidad entre el quark y el
jaguar
Aunque considero que Caltech está cometiendo un
grave error al despreciar la mayoría de las «ciencias de la complejidad», me
satisface el soporte que proporciona a la física de partículas y a la
cosmología, las ciencias más fundamentales de todas, dedicadas a la búsqueda de
las leyes básicas del universo.
Uno de los grandes desafíos de la ciencia
contemporánea es el explorar la mezcla de simplicidad y complejidad,
regularidad y aleatoriedad, orden y desorden, escaleras arriba desde la física
de partículas y la cosmología hasta el reino de los sistemas complejos
adaptativos. Tenemos que comprender la manera en que surgieron, a partir de la
simplicidad, el orden y la regularidad del universo primigenio, las condiciones
intermedias entre orden y desorden que han prevalecido en muchos lugares en
épocas posteriores, y que han hecho posible, entre otras cosas, la existencia
de sistemas complejos adaptativos como los seres vivos.
A este fin, tenemos que examinar la física
fundamental desde la perspectiva de la simplicidad y la complejidad, e
interrogamos sobre el papel desempeñado por la teoría unificada de las
partículas elementales, las condiciones iniciales del universo, la indeterminación
de la mecánica cuántica y las incertidumbres de la teoría clásica del caos, en
la producción de los patrones de regularidad y aleatoriedad universales que han
permitido la evolución de los sistemas complejos adaptativos.
Parte II
El universo cuántico
Capítulo 10
Simplicidad y aleatoriedad en el universo cuántico
¿Cuál es el estado actual de las leyes
fundamentales de la materia y el universo? ¿Cuánto de ellas está bien
establecido y cuánto es mera conjetura? ¿Y qué aspecto presentan estas leyes
desde la perspectiva de la simplicidad y la complejidad, o de la regularidad y
el azar?
Las leyes fundamentales están sujetas a los
principios de la mecánica cuántica, y en cada etapa de nuestro razonamiento los
tendremos como referencia. La mecánica cuántica es uno de los mayores
descubrimientos llevados a cabo por el hombre, pero es también uno de los más
difíciles de aprehender por la mente humana, incluso para los que hemos
trabajado con ella a diario durante décadas. Viola nuestra intuición —o, más
bien, la intuición que hemos desarrollado ignorando los fenómenos
mecanocuánticos—. Esta circunstancia hace que sea de lo más necesario explorar
el significado de la mecánica cuántica, especialmente en relación a las nuevas
ideas sobre su interpretación. De esta manera, puede resultar más fácil
comprender por qué nuestra intuición parece obviar algo tan importante.
El universo consta de materia, y la materia está
compuesta por partículas elementales de muchas clases, como los electrones y
los fotones. Estas partículas carecen de individualidad —cada electrón del
universo es idéntico a cualquier otro, y todos los fotones son
intercambiables—. Sin embargo, cada partícula puede ocupar uno entre un número
infinito de diferentes «estados cuánticos». Hay dos grandes grupos de
partículas: los fermiones, como los electrones, que obedecen el principio de
exclusión de Pauli —dos partículas de la misma clase no pueden ocupar el mismo
estado simultáneamente— y los bosones, como los fotones, que obedecen una
especie de principio de antiexclusión —dos o más partículas de la misma clase
muestran una tendencia a ocupar el mismo estado al mismo tiempo—. (Esta
propiedad de los fotones hace posible el funcionamiento del láser, en donde
fotones en un cierto estado estimulan la emisión de más fotones en ese mismo
estado. Dado que los nuevos fotones se hallan en el mismo estado, viajan en la
misma dirección y poseen la misma frecuencia, constituyendo el haz del láser.
La palabra LÁSER es un acrónimo de Ligth Amplification by Stimulated Emission
of Radiation [amplificación de luz por medio de emisión de radiación
estimulada].)
Los bosones, dada su tendencia a agruparse en el
mismo estado cuántico, pueden incrementar su densidad hasta tener un
comportamiento prácticamente clásico, como el de los campos electromagnético y
gravitatorio. Las partículas bosónicas se pueden considerar en este caso como
los cuantos —paquetes cuantizados de energía— de estos campos. El cuanto del
campo electromagnético es el fotón. La teoría requiere también la existencia de
un cuanto para el campo gravitatorio, un bosón llamado gravitón. De hecho, todas
las fuerzas fundamentales deben estar asociadas a una partícula elemental, el
cuanto del campo correspondiente. A veces se dice que el cuanto «transporta» la
fuerza correspondiente.
Cuando se dice que la materia está compuesta de
partículas elementales —es decir, fermiones y bosones— debería hacerse notar
que, bajo ciertas condiciones, algunos de estos bosones pueden comportarse como
campos más que como partículas (por ejemplo, el campo eléctrico que rodea una
carga). Los fermiones pueden describirse también en términos de campos que,
aunque no se comportan en absoluto de manera clásica, pueden sin embargo
asociarse, en cierto sentido, con fuerzas.
Toda la materia posee energía, y toda energía está
asociada con materia. Cuando se habla a la ligera de la conversión de materia
en energía (o viceversa), se está diciendo simplemente que ciertas clases de
materia se están convirtiendo en otras. Por ejemplo, un electrón y su
antipartícula asociada de carga opuesta, el positrón, pueden
interaccionar y convertirse en dos fotones, un proceso que a menudo se describe
como «aniquilación» o incluso «aniquilación de materia para producir energía».
Sin embargo, no es más que una simple transformación de materia o, si se
prefiere, de energía.
El modelo estándar
Todas las partículas elementales conocidas (excepto
el gravitón, partícula exigida por consideraciones teóricas) están descritas
provisionalmente por una teoría que se ha dado en llamar el modelo estándar. La
trataremos con algún detalle más adelante. Esta teoría parece estar en
excelente acuerdo con la observación, pese a que algunos de sus rasgos aún no
han sido confirmados experimentalmente. Los físicos esperaban comprobar estas
peculiaridades (junto a nuevas e interesantes ideas que van más allá del modelo
estándar) en el nuevo acelerador de partículas de altas energías (el
«supercolisionador superconductor» o SSC) a medio terminar en Texas. Pero sus
aspiraciones se han visto frustradas por la Cámara de Representantes
estadounidense, en lo que constituye un conspicuo revés para la civilización
humana. La única esperanza reside ahora en el acelerador suizo, de más baja
energía, que se está construyendo en el CERN, cerca de Ginebra, reconvirtiendo
una máquina antigua. Desafortunadamente, las energías en las que operará puede
que sean demasiado bajas.
Los que hemos participado en la elaboración del
modelo estándar nos sentimos, naturalmente, muy orgullosos de él, porque ha
extraído una buena dosis de simplicidad de una desconcertante variedad de
fenómenos. No obstante, hay diversas razones por las que no puede ser la teoría
definitiva de las partículas elementales.
En primer lugar, las fuerzas tienen formas muy
similares que claman por una unificación dentro de una teoría en la que
aparecerían como diferentes manifestaciones de una misma fuerza subyacente; sin
embargo, en el modelo estándar estas fuerzas se tratan como diferentes y no
unificadas (en contra de lo que se ha dicho algunas veces). En segundo lugar,
el modelo no es lo suficientemente simple; distingue más de sesenta clases de
partículas elementales, con cierto número de interacciones entre ellas, pero no
aporta ninguna explicación sobre tamaña variedad. En tercer lugar, contiene más
de una docena de constantes arbitrarias que describen dichas interacciones
(incluyendo las constantes que representan las masas de las diferentes
partículas); es difícil aceptar como fundamental una teoría en la que tantos
números importantes tienen un valor no calculable en principio. Finalmente, la
gravitación no está incluida en el modelo, y todos los intentos realizados para
incorporarla de una manera directa topan con dificultades desastrosas: los
cálculos de las magnitudes físicas relevantes incluyen correcciones infinitas,
lo que conduce a resultados que carecen de sentido.
Las llamadas teorías de gran unificación
Los teóricos de las partículas elementales intentan
corregir estos defectos de dos maneras. La aproximación más directa consiste en
generalizar el modelo estándar en lo que algunos han llamado una «teoría de
gran unificación», aunque este nombre no esté muy justificado. Veamos cómo
procede esta generalización con los cuatro problemas anteriormente expuestos.
Primero, las interacciones del modelo estándar que
requieren unificación se consideran de hecho unificadas, junto con otras
nuevas, a energías muy altas, con una descripción natural de cómo aparecen
separadas en los experimentos actuales de bajas energías. Segundo, en la teoría
todas las partículas elementales están agrupadas en unos pocos conjuntos cuyos
miembros están íntimamente relacionados; se logra así una gran simplificación,
pese a que el número de partículas aumenta sustancialmente (algunas con masas
tan elevadas que no podrán ser observadas en un futuro próximo). Tercero, la
teoría contiene aún más constantes arbitrarias no calculables que el modelo
estándar. Y, finalmente, la gravedad sigue sin estar incluida, y el
incorporarla resulta tan difícil como antes.
Una teoría como ésta posiblemente sea válida en un
amplio rango de energías. Sin embargo, los puntos tercero y cuarto la invalidan
claramente como candidata a teoría fundamental de las partículas elementales.
El sueño de Einstein
La búsqueda de esta teoría unificada fundamental
nos conduce a la segunda manera de trascender el modelo estándar. Nos recuerda
el sueño de Einstein sobre una teoría de campos que unificara de modo natural
su teoría de la relatividad general para la gravitación y la teoría de Maxwell
del electromagnetismo. En su vejez, Einstein publicó un conjunto de ecuaciones
que pretendía satisfacer ese propósito, pero, desafortunadamente, sus
argumentos eran puramente matemáticos —no describía interacciones físicas plausibles
entre la gravedad y el electromagnetismo—. El físico más grande de la era
moderna había perdido sus poderes. En 1979, en Jerusalén, durante la
celebración del centenario del nacimiento de Einstein, me lamenté de que una
medalla conmemorativa del acontecimiento hubiese sido acuñada con aquellas
ecuaciones erróneas en el reverso —qué vergüenza para un científico que en su
juventud produjo tantas ecuaciones llenas de belleza, correctas y de
importancia capital—. Me molesta también que muchos retratos y estatuas de
Einstein (como la de la Academia Nacional de Ciencias de Washington) lo
muestren en su vejez, cuando ya no hacía contribuciones importantes a la
ciencia, y no cuando era aquel joven atractivo y elegante que hizo tantos
descubrimientos decisivos.
La tentativa de Einstein de elaborar una teoría de
campos unificada estaba condenada desde un principio, y no sólo por el declive
general de sus capacidades, sino por defectos específicos en su aproximación.
Entre otras cosas, ignoraba tres importantes características del problema:
· La existencia de otros campos, además del
gravitatorio y el electromagnético (Einstein sabía vagamente que debía haber
otras fuerzas, pero no intentó describirlas).
· La necesidad de incluir no sólo los campos, que la
teoría cuántica revela compuestos de bosones como el fotón y el gravitón, sino
también los fermiones (Einstein pensaba que el electrón, por ejemplo, surgiría
de alguna manera de las ecuaciones).
· La necesidad de construir una teoría unificada
dentro del marco de la mecánica cuántica (Einstein nunca aceptó la mecánica
cuántica, pese a que había contribuido a fundamentarla).
Pese a todos sus defectos, los físicos teóricos
modernos nos hemos inspirado en una versión actualizada del sueño de Einstein:
una teoría cuántica de campos unificada que incluya el fotón, el gravitón y el
resto de bosones fundamentales, con sus campos asociados electromagnético,
gravitatorio, etc., así como los fermiones, tales como el electrón. Esta teoría
estaría contenida en una fórmula simple que describiría la gran multiplicidad
de partículas elementales y sus interacciones y que conduciría, con las aproximaciones
apropiadas, a la ecuación de Einstein para la relatividad general y a las
ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo.
La teoría de supercuerdas: El sueño tal vez
realizado
En la actualidad, el sueño de Einstein quizá se
haya cumplido. Una nueva clase de teoría, denominada de «supercuerdas», parece
poseer las propiedades adecuadas para conseguir la unificación. En particular,
la «teoría de supercuerdas heteróticas» es el primer candidato viable para
convertirse en la teoría cuántica de campos unificada de todas las partículas y
sus interacciones.
La teoría de supercuerdas se desarrolló a partir de
un principio de autoconsistencia —lo que los físicos anglosajones llaman bootstrapprinciple (principio
de la lengüeta), denominación que evoca la vieja imagen de alguien que se
levanta a sí mismo del suelo tirando de las lengüetas de sus zapatos—. La idea
era que un conjunto de partículas elementales podía tratarse de modo
autoconsistente como si sus elementos consistiesen en combinaciones de las
propias partículas. Todas ellas harían las veces de constituyentes y a la vez
(incluidos, en cierto sentido, los fermiones) serían los cuantos asociados a
campos de fuerza que las mantendrían unidas; todas las partículas aparecerían
como estados ligados de dichos constituyentes.
Hace años intenté describir este concepto ante una
audiencia de la Hughes Aircraft Company. El ingeniero encargado del programa de
satélites sincrónicos, Harol Rosen, me preguntó si aquello tenía alguna
relación con lo que habían descubierto él y su equipo cuando intentaban
explicar la presencia de señales parásitas en los circuitos que diseñaban;
finalmente habían conseguido explicarlas asumiendo que se encontraban allí y
demostrando que podían generarse a sí mismas. Estuve de acuerdo en que la idea
del principio de autoconsistencia era, de hecho, algo por el estilo: las
partículas, si se asume que existen, podrían generar las fuerzas que las unen
entre sí; los estados ligados resultantes serían las propias partículas, y
serían las mismas que aquéllas que propagan las interacciones. Si existiese tal
sistema de partículas, se habría dado origen a sí mismo.
La primera versión de la teoría de supercuerdas fue
propuesta por John Schwartz y André Neveu en 1971, basándose en algunas ideas
de Pierre Ramond. Aunque aquella teoría parecía inverosímil por aquel entonces,
invité a Schwarz y Ramond a Caltech, con la impresión de que las supercuerdas
eran tan hermosas que tenían que servir para algo. Schwarz y varios
colaboradores suyos, entre los que destacaba Joel Scherk, desarrollaron la
teoría en los quince años siguientes.
Al principio, la teoría se aplicaba únicamente a un
subconjunto de partículas, el mismo que los teóricos intentaban explicar por
medio del principio de autoconsistencia. Finalmente, en 1974, Scherk y Schwarz
sugirieron que la teoría de supercuerdas podría describir todas las
partículas elementales. Les convenció de ello el descubrimiento de que la
teoría predecía la existencia del gravitón y, por lo tanto, de la gravedad
einsteniana. Casi diez años más tarde, cuatro físicos, conocidos colectivamente
como el «cuarteto de cuerda de Princeton», anunciaron la versión conocida como
teoría de supercuerdas heteróticas.
La teoría de supercuerdas, y en particular su
versión heterótica, podría ser la largamente buscada teoría cuántica de campos
unificada. En una aproximación adecuada implica, como debería ser, la teoría de
la gravedad de Einstein. Más aún, incorpora la relatividad general y los demás
campos dentro de una teoría cuántica de campos sin caer en los habituales
problemas con los infinitos. Explica también el porqué de la gran multiplicidad
de partículas elementales: el número de clases diferentes es en realidad infinito,
pero sólo un número finito de ellas (algunos cientos, probablemente) tienen una
masa lo suficientemente pequeña como para ser detectadas en el laboratorio. La
teoría no contiene, al menos en principio, constantes arbitrarias o listas de
partículas o interacciones, aunque en los análisis más minuciosos pueden
reaparecer algunas indeterminaciones. Por último, la teoría de supercuerdas
emerge de un simple y hermoso principio de autoconsistencia.
La teoría de casi todo
De entre todas las cuestiones fundamentales sobre
la teoría heterótica de supercuerdas, la que aquí más nos interesa es la
siguiente: asumiendo que es correcta, ¿es realmente la teoría de todo? Algunos
han empleado esta expresión, incluso la abreviatura TDT, para describirla. Sin
embargo, se trata de una caracterización engañosa, a menos que «todo» quiera
decir únicamente la descripción de las partículas elementales y sus
interacciones. La teoría no puede explicar por sí misma todo lo que es
cognoscible sobre el universo y la materia que éste contiene. Se necesitan
también otras clases de información.
Las condiciones iniciales y la(s) flecha(s) del
tiempo
Parte de esta información adicional se refiere a
las condiciones iniciales del universo al principio de su expansión, o cerca.
Sabemos que el universo ha estado expandiéndose durante los últimos diez mil
millones de años. Esa expansión se revela con claridad a los astrónomos cuando
observan cúmulos distantes de galaxias con potentes telescopios, pero no es en
absoluto evidente cuando se observan objetos más cercanos. El sistema solar no
se está expandiendo, ni nuestra galaxia, ni siquiera el cúmulo de galaxias al
que pertenece la Vía Láctea. Las otras galaxias y cúmulos tampoco están
expandiéndose. Pero los diferentes cúmulos se alejan unos de
otros, y es esta recesión la que revela la expansión del universo. Nos podemos
hacer una idea de esta expansión pensando en la cocción de un pastel de pasas:
debido a la levadura, la masa del pastel (el universo) se expande, pero las
pasas (los cúmulos de galaxias) no, aunque se separan entre sí.
El comportamiento del universo desde el comienzo de
su expansión depende, obviamente, de las leyes que rigen el comportamiento de
las partículas que lo componen y también de sus condiciones iniciales. Pero
estas condiciones iniciales no son algo que sólo se presente en abstrusos
problemas de física y astronomía, ni mucho menos. Desempeñan un papel
importantísimo en nuestra experiencia cotidiana. En particular, determinan la
flecha (o flechas) del tiempo.
Imaginemos la filmación de un meteorito que penetra
en la atmósfera terrestre brillando incandescente mientras cruza el firmamento,
y que se estrella finalmente contra la Tierra con un tamaño y peso mucho menor
que al principio de su vuelo, consumida la mayor parte de su sustancia debido
al calor generado por la fricción. Si proyectásemos la película al revés,
veríamos una roca parcialmente enterrada en el suelo alzarse en el aire por
iniciativa propia, aumentar de tamaño al recoger materia del aire mientras
traza un arco en el cielo y alejarse finalmente por el espacio, más grande y
más fría. La inversión temporal de la película es una secuencia de sucesos
claramente imposible en el mundo real: podemos identificarla inmediatamente
como una película proyectada al revés.
Esta asimetría en el comportamiento del universo al
avanzar el tiempo hacia adelante o hacia atrás se conoce como la flecha del
tiempo. En ocasiones se consideran separadamente diversos aspectos de esta
asimetría como diferentes flechas del tiempo. Sin embargo, todas ellas están
relacionadas; todas comparten el mismo origen último. Pero ¿cuál es este
origen?
¿Puede basarse la explicación de la flecha o
flechas del tiempo en las leyes fundamentales de las partículas elementales? Si
un cambio en el signo del tiempo en las ecuaciones que describen estas leyes
las deja invariables, entonces diremos que son simétricas respecto del sentido
del tiempo. Si una inversión del tiempo altera la forma de las ecuaciones,
diremos que presentan una asimetría temporal o que violan la simetría temporal.
Una violación de este tipo podría dar cuenta, en principio, de la flecha del
tiempo y, de hecho, se ha observado la existencia de una pequeña violación de
esta simetría, aunque es un efecto demasiado particular para ser el causante de
un fenómeno tan general como la flecha del tiempo.
La explicación alternativa es la siguiente: si
desde el presente observamos en ambos sentidos del tiempo, encontramos que en
uno de ellos, a una distancia de unos diez mil millones de años, el universo
presenta un estado muy peculiar. Este sentido recibe un nombre arbitrario: el
pasado. El sentido opuesto es el futuro. En el estado correspondiente a las
condiciones iniciales, el universo era pequeño, pero esa pequeñez no
caracteriza completamente su estado, que también era especialmente simple. Si
en un futuro muy distante el universo deja de expandirse y comienza a
contraerse, empequeñeciéndose de nuevo, no hay ninguna razón para creer que el
estado final resultante sea el mismo que el estado inicial. La asimetría entre
pasado y futuro se habrá mantenido.
Un candidato para las condiciones iniciales
Dado que ha surgido un candidato viable para
convertirse en la ley unificada de las partículas elementales, resulta
razonable preguntarse si disponemos también de una teoría plausible para las
condiciones iniciales del universo. Efectivamente, existe una, propuesta por
Jim Hartle y Steve Hawking a principios de los ochenta. A Hawking le gusta
llamarla «condiciones de contorno sin contorno», un nombre válido pero que no
transmite lo que tiene de particularmente interesante en lo que respecta a la
información. Si las partículas elementales pueden realmente describirse por una
teoría unificada (lo que Hartle y Hawking no asumen explícitamente), entonces
se podría calcular, a partir de esa teoría, una versión modificada de sus
condiciones iniciales, y las dos leyes fundamentales de la física, una para las
partículas elementales y otra para el universo, se convertirían en una sola.
En vez de todo, sólo probabilidades para historias
Sea o no correcta la idea de Hartle y Hawking,
todavía podemos preguntamos lo siguiente: si especificamos la teoría unificada
de las partículas elementales y las condiciones iniciales del universo,
¿podemos predecir el comportamiento del universo y de todo lo que contiene? La
respuesta es que no, porque las leyes de la física son cuánticas, y la mecánica
cuántica no es determinista. Sólo permite predecir probabilidades. Las leyes
fundamentales de la física nos capacitan, en principio, para calcular las probabilidades
de diferentes historias alternativas del universo que, dadas las condiciones
iniciales, describan diferentes sucesiones de acontecimientos. La información
sobre cuál de estas historias es la que está ocurriendo realmente sólo puede
obtenerse a partir de la observación, y es suplementaria a las propias leyes
fundamentales. De modo que es imposible que las leyes fundamentales nos
suministren una teoría de todo.
La naturaleza probabilística de la teoría cuántica
puede ilustrarse con un ejemplo simple: cualquier núcleo atómico radiactivo
tiene una propiedad llamada «vida media», que es el período de tiempo en el que
la probabilidad de desintegrarse es de un 50 por ciento. Por ejemplo, la vida
media del Pu239 —el isótopo típico del plutonio— es de unos 25
000 años. Después de 25 000 años, hay una probabilidad del 50 por ciento de que
un núcleo determinado de Pu239 no se haya desintegrado; tras 50
000 años, la probabilidad es sólo del 25 por ciento; tras 75 000 años, del 12,5
por ciento, etc. El carácter mecanocuántico de la naturaleza implica que esto
es todo lo que podemos decir de un núcleo de Pu239 acerca de su
desintegración; no hay forma de predecir el momento exacto en que se producirá.
Unicamente es posible determinar una probabilidad en función del tiempo
transcurrido, como indica la Figura 10. (Esta curva se conoce como
decrecimiento exponencial; la función opuesta, el crecimiento exponencial,
también se representa. Cualquier función exponencial genera, a intervalos
iguales de tiempo, una progresión geométrica, tal como 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, ...
para el decrecimiento, o 2, 4, 8, 16, ... para el crecimiento.)
Figura 10. Arriba: Decrecimiento exponencial de la facción de núcleos
radiactivos no desintegrados al cabo de un tiempo t. Abajo: Crecimiento
exponencial
Si el momento de la desintegración radiactiva no se
puede predecir con exactitud, la dirección en que se produce es absolutamente
impredictible. Supongamos que el núcleo de Pu239 está en reposo
y que se desintegrará en dos fragmentos cargados eléctricamente, uno mucho
mayor que el otro, que se moverán en sentidos opuestos. Todas las direcciones
resultan entonces igualmente probables para el movimiento de uno de los
fragmentos, pongamos el más pequeño. No hay forma de predecir en qué dirección
se moverá.
Si hay tal grado de desconocimiento a
priori sobre un núcleo atómico, imaginemos cuánto más fundamental es
la impredictibilidad del universo entero, incluso aunque dispongamos de una
teoría unificada de las partículas elementales y de sus condiciones iniciales.
Más allá de esos principios presumiblemente
simples, cada historia alternativa del universo depende del resultado de un
número inconcebiblemente grande de accidentes.
Regularidades y complejidad efectiva a partir de
accidentes congelados
Tales accidentes tienen resultados aleatorios, como
requiere la mecánica cuántica, los cuales han contribuido a determinar el
carácter de las galaxias individuales (como nuestra Vía Láctea), de cada
estrella y planeta (como el Sol y la Tierra), de la vida en la Tierra y de las
especies particulares que evolucionaron en nuestro planeta, de los organismos
individuales como nosotros mismos y de los sucesos de la historia humana y de
nuestras propias vidas. El genoma de cualquier ser humano ha recibido la influencia
de un sinnúmero de accidentes cuánticos, no sólo en las mutaciones del plasma
germinal ancestral, sino también en la fecundación de un óvulo particular por
un espermatozoide determinado.
El contenido de información algorítmica de cada
posible historia alternativa del universo incluye evidentemente una pequeña
contribución de las leyes fundamentales simples, junto con una gigantesca
contribución de todos los accidentes cuánticos que surgen por el camino. Pero
no sólo el contenido de información algorítmica del universo está dominado por
tales accidentes; aunque son sucesos aleatorios, sus efectos contribuyen en
gran medida a la complejidad efectiva.
La complejidad efectiva del universo es la longitud
de una descripción concisa de sus regularidades. Como el contenido de
información algorítmica, la complejidad efectiva sólo recibe una pequeña
contribución de las leyes fundamentales. El resto proviene de las numerosas
regularidades que resultan de los «accidentes congelados». Éstos son sucesos
aleatorios cuyos resultados particulares tienen múltiples consecuencias a largo
plazo, todas relacionadas por sus antecedentes comunes.
Las consecuencias de muchos de estos accidentes
pueden resultar trascendentales. El carácter de la totalidad del universo se
vio afectado por accidentes que ocurrieron cerca del comienzo de su expansión.
La naturaleza de la vida sobre la Tierra depende de sucesos aleatorios que
ocurrieron hace unos cuatro mil millones de años. Una vez que el resultado de
uno de estos sucesos queda determinado, sus consecuencias a largo plazo pueden
tomar el carácter de una ley perteneciente a cualquier nivel, excepto el más
fundamental. Una ley geológica, biológica o psicológica puede nacer de uno o
más sucesos cuánticos amplificados, cada uno de los cuales podría haber tenido
un resultado diferente. Las amplificaciones pueden darse en virtud de multitud
de mecanismos, entre ellos el fenómeno del caos, que en ciertas situaciones
introduce una sensibilidad indefinidamente grande a las condiciones iniciales.
Para comprender por completo la significación de
estos sucesos aleatorios, es necesario estudiar con mayor profundidad el
sentido de la mecánica cuántica, la cual nos enseña que el azar juega un papel
fundamental en la descripción de la naturaleza.
Capítulo 11
Una visión contemporánea de la mecánica cuántica: La mecánica cuántica y la
aproximación clásica
Cuando se descubrió la mecánica cuántica, el hecho
más sorprendente fue el contraste entre su carácter probabilístico y las
certidumbres de la antigua física clásica, en la cual un conocimiento exacto y
completo de las condiciones iniciales permitiría en principio, por medio de la
teoría correcta, especificar completa y exactamente la realización de cualquier
suceso. No se puede aplicar a la mecánica cuántica un determinismo perfecto de
este tipo, pero a menudo se aplica de modo aproximado bajo las condiciones en
las que la física clásica es casi correcta —lo que podemos llamar el dominio
cuasiclásico—. Este dominio puede caracterizarse, a grandes rasgos, como el de
los objetos masivos. Por ejemplo, el movimiento de los planetas en torno al Sol
puede calcularse para cualquier propósito práctico sin considerar correcciones
cuánticas, por completo despreciables en un problema de este tipo. Si el
dominio cuasiclásico no fuese tan importante, los físicos no hubieran
desarrollado y empleado la física clásica en primer lugar, y las teorías
clásicas, como las de Maxwell y Einstein, no habrían conseguido sus
maravillosos éxitos en la predicción de los resultados de las observaciones.
Éste es otro caso en el que no se descarta el antiguo paradigma (como lo
llamaría Kuhn) cuando se adopta uno nuevo, sino que permanece como una
aproximación válida en un marco apropiado (como la teoría de la gravitación de
Newton, que continúa siendo inmensamente útil como aproximación de la teoría de
Einstein cuando las velocidades implicadas son relativamente pequeñas
comparadas con la de la luz). Sin embargo, la física clásica es sólo una
aproximación, mientras que la mecánica cuántica es, hasta donde sabemos,
absolutamente correcta. Aunque han transcurrido muchas décadas desde su descubrimiento
en 1924, sólo ahora los físicos se están aproximando a una interpretación
realmente satisfactoria de la mecánica cuántica, interpretación que permite una
comprensión más profunda de cómo surge el dominio cuasiclásico de nuestra
experiencia cotidiana a partir del carácter mecanocuántico subyacente de la
naturaleza.
La mecánica cuántica aproximada de los sistemas
objeto de medida
Cuando fue formulada originalmente por sus
descubridores, la mecánica cuántica era presentada a menudo de una manera
curiosamente restrictiva y antropocéntrica. Más o menos, se asume que cierto
experimento (como la desintegración radiactiva de núcleos atómicos de una clase
particular) se repite de forma idéntica una y otra vez. Se observa cada vez el
resultado del experimento, preferiblemente por parte de un físico que emplea
algún tipo de instrumento. Se supone que es importante que el físico y su aparato
sean externos al sistema objeto de estudio. El físico registra los porcentajes
con que ocurren los diferentes resultados posibles del experimento (tales como
los tiempos de desintegración). Cuando el número de repeticiones tiende a
infinito, estos porcentajes tienden a aproximarse a las probabilidades de los
diferentes resultados, probabilidades predichas por la mecánica cuántica. (La
probabilidad de la desintegración radiactiva en función del tiempo está
estrechamente relacionada con la fracción de núcleos que permanecen sin
desintegrarse después de transcurrido un cierto tiempo, como se muestra en la
Figura 10. La probabilidad de desintegración sigue una curva similar.)
Esta interpretación original de la mecánica
cuántica, restringida a la repetición de experimentos realizados por
observadores externos, es demasiado estrecha para resultar aceptable hoy día
como caracterización fundamental, especialmente desde que se ha ido aclarando
que la mecánica cuántica debe aplicarse al universo como un todo. La
interpretación original no es incorrecta, pero sólo puede aplicarse a las
situaciones para las cuales fue desarrollada. Más aún, en un contexto más
amplio esta interpretación debe considerarse aproximada además de particular.
Podemos referimos a ella como «mecánica cuántica aproximada de sistemas objeto
de medida».
La interpretación moderna
Para describir el universo, se hace necesaria una
interpretación más general de la mecánica cuántica, dado que en este caso no
existen experimentadores ni instrumentos externos, ni la posibilidad de
realizar repeticiones para observar muchas copias (en cualquier caso, al
universo le trae sin cuidado que unos seres humanos surgidos en un oscuro
planeta estudien su historia, y seguirá obedeciendo las leyes mecanocuánticas
de la física independientemente de la observación a que se le someta). Este
hecho es una de las razones del desarrollo en las últimas décadas de lo que yo
llamo la interpretación moderna de la mecánica cuántica. La otra razón
principal es la necesidad de una comprensión más clara de la relación entre la
mecánica cuántica y la descripción clásica aproximada del mundo que nos rodea.
En las primeras discusiones sobre la mecánica
cuántica, a menudo se consideraba implícitamente, si no de modo explícito, la
existencia de un dominio clásico apartado de la mecánica
cuántica, de modo que la teoría física básica de algún modo requería leyes
clásicas además de las mecanocuánticas. Esta situación podía parecer
satisfactoria para una generación educada en la física clásica, pero a muchos
hoy nos parece estrafalaria además de innecesaria. La interpretación moderna de
la mecánica cuántica propone que el dominio cuasiclásico surge de las leyes de
la mecánica cuántica, incluyendo las condiciones iniciales al comienzo de la
expansión del universo. El mayor desafío reside en comprender la manera en que
surge este dominio.
El pionero de la interpretación moderna fue Hugh
Everett III, un estudiante graduado que trabajaba con John A. Wheeler en
Princeton, posteriormente miembro del Grupo de Evaluación de Sistemas
Armamentísticos del Pentágono. Varios físicos teóricos han trabajado en ella
desde entonces, incluyendo a James Hartle y a mí mismo. Hartle (perteneciente a
la Universidad de California en Santa Bárbara y al Instituto de Santa Fe) es un
eminente cosmólogo teórico, experto en la teoría de la relatividad general de Einstein.
A principios de los sesenta, dirigí su tesis sobre la teoría de las partículas
elementales en Caltech. Más tarde, Stephen Hawking y él escribieron un artículo
fundamental titulado «La función de onda del universo», que desempeñó un papel
primordial en la conformación del nuevo campo de la cosmología cuántica. Desde
1986, Jim y yo hemos trabajado juntos intentando clarificar cómo debe
concebirse la mecánica cuántica, especialmente en relación con el dominio
cuasiclásico.
Nosotros consideramos útiles e importantes las
contribuciones de Everett, pero creemos que todavía queda mucho que hacer en
esa dirección. En algunos casos, la elección del vocabulario, tanto suya como
de sus divulgadores, ha provocado cierta confusión. Su interpretación se
describe a menudo en términos de «múltiples mundos», lo que nosotros
reinterpretamos como «múltiples historias alternativas del universo». Además,
los «múltiples mundos» se describen como «igualmente reales», mientras que
nosotros pensamos que es menos confuso hablar de «múltiples historias, tratadas
de modo equitativo por la teoría excepto en lo que se refiere a sus
probabilidades respectivas». El lenguaje que proponemos conduce a la noción
familiar de que un sistema puede tener diferentes historias posibles, cada una
con su propia probabilidad; no es necesario indigestarse intentando concebir
muchos «universos paralelos», todos ellos igualmente reales. (Un distinguido
físico, versado en mecánica cuántica, dedujo de ciertos comentarios sobre la
interpretación de Everett que cualquiera que la aceptase querría jugar
apostando dinero a la ruleta rusa, porque en alguno de los mundos «igualmente
reales» el jugador sobreviviría y se haría rico.)
Otro problema lingüístico proviene de que Everett
evitó la palabra «probabilidad» en la mayoría de contextos, utilizando en su
lugar la noción matemáticamente equivalente, pero menos familiar, de «medida».
Hartle y yo no encontramos ninguna ventaja en esto. Dejando de lado las
palabras, Everett dejó algunos problemas importantes sin resolver, y el
principal desafío no es una cuestión de lenguaje, sino rellenar los vacíos
existentes en nuestra comprensión de la mecánica cuántica.
Jim Hartle y yo formamos parte de un grupo
internacional de físicos teóricos que intenta de diversas maneras elaborar una
interpretación moderna de la mecánica cuántica. Entre los que han realizado
aportaciones especialmente valiosas figuran Robert Griffiths y Roland Omnés,
con quienes compartimos la fe en la importancia de las historias, así como
Erich Joos, Dieter Zeh y Wojciech («Wojtek») Zurek, que tienen puntos de vista
algo diferentes. La formulación de la mecánica cuántica en términos de historias
se debe a Dick Feynman, quien la elaboró a partir del trabajo preliminar de
Paul Dirac. Esta formulación no sólo permite clarificar la interpretación
moderna; es también particularmente útil para describir la mecánica cuántica en
interacción con la gravitación einsteniana, como ocurre en la cosmología
cuántica. La geometría del espacio-tiempo se encuentra entonces sujeta a la
indeterminación mecanocuántica, y el método basado en las historias permite
manejar particularmente bien esta situación.
El estado cuántico del universo
La noción de estado cuántico es un ingrediente
fundamental de cualquier tratamiento de la mecánica cuántica. Consideremos una
imagen algo simplificada del universo, en la cual cada partícula no tiene más
atributos que la posición y el momento, y no se tiene en cuenta la
indistinguibilidad de las partículas de una clase dada (por ejemplo, el hecho
de que todos los electrones sean intercambiables). ¿Qué significa en este caso
un estado cuántico de todo el universo? Para comenzar, es preferible considerar
el estado cuántico de una única partícula, y después de dos, antes de abarcar
el universo entero.
En la física clásica sería legítimo especificar
exactamente y al mismo tiempo la posición y el momento de una partícula dada,
pero en mecánica cuántica, como es bien sabido, esto está prohibido por el
principio de incertidumbre, o de indeterminación. Se puede especificar
exactamente la posición de una partícula, pero entonces su momento estará por
completo indeterminado; esta situación caracteriza un tipo particular de estado
cuántico para una sola partícula, un estado definido por su posición. En otro tipo
de estado cuántico es el momento el que se especifica y la posición está por
completo indeterminada. Existe una variedad infinita de posibles estados
cuánticos para una única partícula, en los cuales no están determinados
exactamente ni el momento ni la posición, sino sólo una distribución de
probabilidad para cada uno. Por ejemplo, en un átomo de hidrógeno, formado por
un único electrón (cargado negativamente) dentro del campo eléctrico de un
único protón (cargado positivamente), el electrón puede hallarse en el estado
de mínima energía, en el que la posición está difuminada en una región del
tamaño del átomo y su momento se halla igualmente distribuido.
Consideremos ahora un «universo» formado por dos
electrones. Técnicamente es posible que su estado cuántico sea tal que cada
electrón por separado esté en un estado cuántico definido. Sin embargo, esto no
suele pasar en la realidad, dado que los dos electrones interactúan,
especialmente a través de la repulsión eléctrica mutua. El átomo de helio, por
ejemplo, consta de dos electrones situados dentro del campo eléctrico generado
por un núcleo central con dos cargas positivas. En el estado de mínima energía
del átomo de helio, no es cierto que cada electrón por separado se encuentre en
un estado cuántico definido, aunque a veces, como aproximación, se considere
que es así. Lo que ocurre es que, como resultado de la interacción entre los
electrones, su estado cuántico conjunto es tal que los estados de ambos
electrones se confunden (están correlacionados). Si se está interesado en el
comportamiento de uno de los electrones, se debe integrar («sumar») sobre todas
las posiciones (o los momentos, o los valores de cualquier otro atributo) del
segundo electrón, y entonces el electrón considerado no se hallará en un estado
cuántico definido («puro»), sino que podrá encontrarse en varios estados puros
de un solo electrón, cada uno con una cierta probabilidad. Se dice que el
electrón se encuentra en un «estado cuántico mezcla».
Ahora podemos pasar directamente a considerar el
universo entero. Si se encuentra en un estado cuántico puro, éste es tal que
los estados de las partículas individuales que contiene están correlacionados
entre sí. Si integramos todas las situaciones en ciertas partes del universo,
entonces el resto (lo que «se sigue», la parte no integrada) está en un estado
cuántico mezcla.
El universo como un todo podría estar en un estado
cuántico puro. Con esta suposición, Hartle y Hawking han propuesto una forma
particular para el estado puro que existía cerca del comienzo de la expansión
del universo. Como ya se dijo antes, su hipótesis especifica este estado
cuántico inicial en función de la teoría unificada de las partículas
elementales. Esta misma teoría unificada determina la evolución temporal de
dicho estado cuántico. No obstante, la completa especificación del estado
cuántico de todo el universo —no sólo inicialmente, sino en todo momento— no
proporciona todavía una interpretación de la mecánica cuántica.
El estado cuántico del universo es como un libro
que contiene la respuesta a una variedad infinita de preguntas. Un libro así en
realidad no es útil a menos que se disponga de una lista de las cuestiones a
consultar. La interpretación moderna de la mecánica cuántica se está
construyendo a partir de considerar las preguntas que deben plantearse al
estado cuántico del universo.
Puesto que la mecánica cuántica es probabilística y
no determinista, esas cuestiones se refieren inevitablemente a probabilidades.
Hartle y yo, así como Griffiths y Omnés, nos servimos del hecho de que las
cuestiones se refieren siempre, en última instancia, a las historias
alternativas del universo. (Con el término «historia» no pretendemos dar
preponderancia al pasado a expensas del futuro, ni hacemos referencia a los
registros escritos de la historia del hombre; una historia es, simplemente, la
narración de una secuencia temporal de sucesos pasados, presentes o futuros.)
Las cuestiones sobre las historias alternativas pueden ser del tipo, «¿cuál es
la probabilidad de que ocurra esta historia particular del universo, en lugar
de aquellas otras?», o «dadas estas afirmaciones sobre la historia del
universo, ¿cuál es la probabilidad de que estas otras sean también ciertas?». A
menudo, este último tipo de cuestiones adopta la forma familiar, «dadas estas
afirmaciones sobre el pasado o el presente, ¿cuál es la probabilidad de que se
hagan realidad estas otras afirmaciones sobre el futuro?».
Historias alternativas en el hipódromo
Un lugar apropiado para encontrar probabilidades es
el hipódromo, donde aparecen en relación con las apuestas. Si las apuestas en
contra de que un caballo gane una carrera están 3 a 1, la probabilidad de que
gane es 1/4; si las apuestas están 2 a 1, la probabilidad es 1/3, etc. (Por
supuesto, las apuestas reales que se cotizan en un hipódromo no corresponden a
probabilidades verdaderas; más tarde volveremos sobre este punto.) Si en una
carrera participan diez caballos, cada uno de ellos tiene una probabilidad
positiva de ganar (¡o una probabilidad cero, en un caso realmente
desesperado!), y estas diez probabilidades suman 1, si es que ha de haber
exactamente un ganador entre ellos. Los diez resultados posibles son mutuamente
excluyentes (sólo uno puede ocurrir) y exhaustivos (uno
de ellos debe ocurrir). Una propiedad natural de estas diez probabilidades es
que son aditivas', la probabilidad de que gane el tercer o el
cuarto caballo será la suma de las probabilidades individuales de que gane el
tercer caballo y de que gane el cuarto.
Se puede trazar un paralelismo más cercano entre la
experiencia del hipódromo y las historias del universo considerando una
secuencia de carreras, ocho por ejemplo, en cada una de las cuales corren diez
caballos. Supongamos para simplificar que sólo tenemos en cuenta a los
ganadores (no la clasificación de otros caballos) y que sólo hay un ganador por
carrera (no pueden darse empates). Cada lista de ocho ganadores representa una
historia, y estas historias son mutuamente excluyentes y exhaustivas, como en el
caso de una única carrera. El número de historias alternativas es igual al
producto de ocho factores de diez, uno por carrera, es decir, cien millones.
Las probabilidades de las diferentes secuencias de
victorias tienen la misma propiedad aditiva que las probabilidades de ganar de
los caballos individuales, la probabilidad de que se dé una u otra secuencia
particular de ganadores es igual a la suma de las probabilidades de ambas
secuencias. Podríamos llamar «historia combinada» a una situación en la que se
produjese una u otra de las secuencias.
Etiquetemos cada una de las historias alternativas
individuales como A y B, respectivamente. La propiedad aditiva determina que la
probabilidad de la historia combinada «A o B» es la probabilidad de A más la
probabilidad de B. En otras palabras, la probabilidad de que mañana vaya a
París o me quede en casa es la suma de la probabilidad de que mañana vaya a
París más la probabilidad de que me quede en casa. Una magnitud que no obedezca
esta regla no es una probabilidad.
Historias alternativas en mecánica cuántica
Imaginemos que especificamos un conjunto de
historias alternativas del universo, mutuamente excluyentes y exhaustivas. ¿Les
asigna siempre la mecánica cuántica una probabilidad a cada una?
Sorprendentemente, no siempre. En su lugar, asigna a cada par de
tales historias una magnitud llamada D, y proporciona una
regla para calcular D en función del estado cuántico del
universo. Las dos historias de un par dado pueden ser distintas, como las
alternativas A y B, o la misma, como A y A. El valor de D se
indica por la expresión D(A, B). que se lee D de A y B. Si las
dos historias del par son la misma, tendremos D(A, A). Si ambas son
la historia combinada A o B, designaremos el valor de D por
D(A o B, A o B).
Cuando las dos historias del par son la
misma, D es un número entre cero y uno, como una probabilidad.
De hecho, bajo ciertas condiciones puede interpretarse como la probabilidad de
la historia. Para ver de qué condiciones se trata, examinemos la relación entre
las siguientes cantidades,
D(A o B, A o B).
D(A, A).
D(B, B).
D(A, B) más D(B, A).
Las tres primeras cantidades son un número entre
cero y uno, y podrían ser probabilidades. La última puede ser positiva,
negativa o cero, por lo que no es una probabilidad. La regla para
calcular D en mecánica cuántica establece que la primera
cantidad es la suma de las otras tres. Pero si la última cantidad es siempre
cero cuando A y B son diferentes, entonces D(A o B, A o B) es igual
a D(A, A) más D(B, B). En otras palabras, si D vale
siempre cero cuando las dos historias son diferentes, entonces el valor
de D para una historia posee siempre la propiedad aditiva y
puede así interpretarse como la probabilidad de dicha historia.
La cuarta cantidad de la lista se denomina término
de interferencia entre las historias A y B. Si no vale cero
para todo par de historias diferentes, no es posible asignar a estas historias
unas probabilidades mecanocuánticas. Se dice entonces que las historias
«interfieren» entre sí.
Como lo máximo que la mecánica cuántica puede hacer
en cualquier situación es predecir una probabilidad, no sirve para nada en el
caso de historias que interfieran entre sí. Estas historias sólo son útiles
para componer historias combinadas que no interfieran.
Historias detalladas del universo
Las historias completamente detalladas del universo
son aquellas que proporcionan una descripción del universo entero tan completa
como sea posible en todo momento. ¿Qué puede decimos sobre ellas la mecánica
cuántica?
Prosigamos con nuestra imagen simplificada del
universo, en la que las partículas no tienen más atributos que su posición y
momento, y en la que no consideramos la indistinguibilidad de las partículas de
una clase dada. Si la física clásica determinista fuese absolutamente correcta,
entonces podríamos especificar, en cualquier instante dado, la posición y el
momento de todas las partículas del universo. La dinámica clásica podría, en
principio, predecir con certeza las posiciones y momentos de todas las partículas
en cualquier tiempo futuro. (El fenómeno del caos produce situaciones en las
que la menor imprecisión en las condiciones iniciales conduce a incertidumbres
arbitrariamente grandes en las predicciones futuras, pero la teoría clásica,
perfectamente determinista, sería aún correcta si asumimos una información
inicial perfecta.)
¿Cuál sería la situación correspondiente en la
mecánica cuántica, frente a la cual la física clásica es una mera aproximación?
Por una parte, carece de sentido especificar a la vez la posición y el momento
exactos de una partícula al mismo tiempo; esto forma parte del célebre
principio de incertidumbre. En mecánica cuántica, el estado del universo
simplificado en un instante dado podría caracterizarse especificando la
posición de todas las partículas (o la posición de algunas y el momento de las
demás, o el momento de todas, o cualquier otra combinación posible). Un tipo de
historia completamente detallada de nuestro universo simplificado consistiría
en las posiciones de todas las partículas en todo momento.
Dado que la mecánica cuántica es probabilística en
lugar de determinista, uno podría esperar que nos proporcionase una
probabilidad para cada historia detallada. Sin embargo, no ocurre así. Los
términos de interferencia entre historias detalladas no son siempre nulos, de
modo que no es posible asignarles probabilidades.
En el hipódromo, sin embargo, el apostador no tiene
que preocuparse por ningún término de interferencia entre una secuencia de
ganadores y otra. ¿Por qué no? ¿Por qué el apostador maneja verdaderas
probabilidades, que se suman correctamente, mientras que la mecánica cuántica
sólo proporciona, al nivel de las historias detalladas, cantidades cuya suma se
ve estorbada por los términos de interferencia? La respuesta a esta cuestión es
que, para obtener probabilidades reales, es necesario considerar historias lo
suficientemente poco detalladas.
Historias no detalladas
La secuencia de ocho carreras de caballos no es
sólo una metáfora, sino un ejemplo real de historia muy poco detallada del
universo. Dado que sólo consideramos la lista de ganadores, su ausencia de
detalle, es decir, su baja resolución, reside en los siguientes puntos,
· Se ignora cualquier otro momento en la historia del
universo que no sea el instante en que se gana cada carrera.
· En los instantes considerados, sólo se sigue a los
caballos que participan en las carreras, y se ignora el resto de objetos del
universo.
· De estos caballos, sólo se tiene en cuenta al
ganador de cada carrera; se ignora cualquier otra cosa de este caballo que no
sea la punta del morro.
Para las historias del universo consideradas en
mecánica cuántica, la baja resolución significa tener en cuenta únicamente
ciertas cosas en ciertos instantes y sólo con un cierto grado de detalle.
Podemos imaginamos una historia no detallada como una clase de historias
detalladas alternativas, todas ellas coincidentes en lo que se sigue, pero que
se diferencian en el comportamiento posible de todo lo accesorio, es decir,
aquello que se integra. En nuestro ejemplo de las carreras de caballos, cada
historia no detallada es la clase de todas las historias detalladas que
comparten la misma secuencia de ocho ganadores en una tarde y un hipódromo
particulares; cada historia detallada, por su parte, difiere de las demás en
las posibles alternativas para cualquier otro rasgo de la historia del
universo.
Así pues, todas las historias detalladas del
universo se agrupan en clases, de manera que cada cual pertenece a una clase y
sólo una. Estas clases exhaustivas y mutuamente excluyentes constituyen
historias no detalladas (tales como las diferentes secuencias posibles de
ganadores de ocho carreras sin empates). Supongamos que una clase dada está
formada por sólo dos historias detalladas, J y K; la historia no detallada será
«J o K», lo que significa que ocurre J u ocurre K. De modo análogo, si la clase
comprende muchas historias detalladas, la historia no detallada será la
historia combinada en la que ocurre una cualquiera de las historias detalladas.
Los matemáticos llamarían a las historias no
detalladas «clases de equivalencia» de historias detalladas. Cada historia
detallada pertenece a una y sólo una clase de equivalencia, y los miembros de
cada clase se consideran equivalentes.
Imaginemos que las únicas cosas que hay en el
universo son los caballos de las ocho carreras y algunos tábanos, y que todo lo
que puede hacer cada caballo es ganar una carrera o no ganarla. Cada historia
detallada de este universo absurdamente supersimplificado consiste en una
secuencia de caballos ganadores y una narración de lo que han hecho los
tábanos. Si las historias no detalladas consideran únicamente los caballos y
sus victorias, ignorando los insectos, entonces cada una estará formada por
todas las historias detalladas con una secuencia particular de caballos
ganadores y un destino cualquiera para los tábanos. En general, cada historia
no detallada es una clase de equivalencia de historias detalladas
caracterizadas por un narración particular que describe los fenómenos que se
siguen y una narración cualquiera de entre las posibles alternativas que
describen todo aquello que se ignora.
Las historias no detalladas pueden eliminar los
términos de interferencia
Cuando tratamos con las historias mecanocuánticas
del universo, ¿cómo pueden agruparse las historias detalladas en clases de
equivalencia que correspondan a historias no detalladas con verdaderas
probabilidades? ¿Cómo se consigue que las historias no detalladas apropiadas no
tengan términos de interferencia entre ellas? Todo ello es posible porque el
término de interferencia entre dos historias no detalladas es la suma de todos
los términos de interferencia entre pares de historias detalladas pertenecientes
a cada una de las dos historias no detalladas. La suma de todos los términos,
de signo positivo y negativo, puede producir muchas cancelaciones y dar un
resultado pequeño, o incluso cero. (Recordemos que el valor de D para
una historia emparejada con ella misma está siempre entre cero y uno, como una
probabilidad real; cuando se suman cantidades de este tipo, no pueden
cancelarse.)
El comportamiento de cualquier cosa del universo
ignorada en una historia no detallada se dice que ha sido «integrado» en este
proceso de sumación. Todos los detalles accesorios, todos los instantes de
tiempo, lugares y objetos ajenos a nuestra consideración, se integran. Una
clase de equivalencia podría, por ejemplo, agrupar todas las historias
detalladas en las que ciertas partículas tienen una posición dada en cada
instante de tiempo, mientras que el resto de partículas de nuestro universo
simplificado puede encontrarse en cualquier lugar. Diríamos entonces que se
siguen en cada momento las posiciones del primer conjunto de partículas, y que
las del segundo conjunto se integran y se ignoran.
Una resolución aún más baja se podría conseguir
siguiendo la posición del primer conjunto de partículas sólo en determinados
instantes, de modo que se integra todo lo que sucede en cualesquiera otros
momentos.
Decoherencia de las historias no detalladas:
Probabilidades verdaderas
Si el término de interferencia entre cada par de
historias no detalladas vale cero, de manera exacta o con una muy buena
aproximación, entonces se dice que estas historias son decoherentes. El
valor de D para cada historia no detallada y ella misma es
entonces una probabilidad verdadera, con la propiedad aditiva. En la práctica,
la mecánica cuántica se aplica siempre a conjuntos de historias no detalladas
decoherentes, y por ello es capaz de predecir probabilidades. (D se
denomina, dicho sea de paso, funcional decoherente; la palabra
«funcional» se refiere a que depende de las historias consideradas.)
En el caso de las carreras vespertinas, la
resolución empleada puede resumirse como sigue, se integra el destino de
cualquier objeto del universo, excepto los ganadores de las carreras de un
determinado hipódromo, así como los sucesos en cualquier instante de tiempo,
excepto los momentos en que se producen las victorias en las ocho carreras de
un día en particular. Las historias no detalladas resultantes son decoherentes
y poseen probabilidades auténticas. Dada nuestra experiencia cotidiana, no nos
sorprende que las cosas funcionen de este modo, pero debería intrigarnos el por
qué es así.
Confusión y mecanismos de decoherencia
¿Cuál es el fundamento de la decoherencia, el
mecanismo que hace que los términos de interferencia sumen cero permitiendo así
la asignación de probabilidades? Lo que ignoramos o integramos en las historias
no detalladas es la maraña de sucesos que éstas no describen. Los caballos y
jinetes de las carreras están en contacto con las moléculas del aire, los
granos de arena de la pista, los fotones del sol y los tábanos; todos estos
elementos están integrados en las historias no detalladas de las carreras. Los diferentes
resultados posibles de las carreras están correlacionados con los diferentes
destinos de todo lo que se ignora en las historias no detalladas. Pero estos
destinos están integrados, y la mecánica cuántica nos dice que en el proceso de
sumación, bajo las condiciones apropiadas, los términos de interferencia entre
historias con diferentes destinos para lo que se ignora desaparecen. Debido a
la confusión entre sucesos, los términos de interferencia entre los diferentes
resultados de las carreras también se anulan.
Produce vértigo considerar, en lugar de historias
no detalladas decoherentes, el caso extremo de historias detalladas con
términos de interferencia no nulos y sin probabilidades verdaderas. Estas
historias seguirían, durante una carrera, la evolución de cada partícula
elemental contenida en cada caballo y en todo lo que estuviera en contacto con
él. Pero no hace falta llegar a tales extremos para encontrar historias lo
suficientemente libres de confusión como para que interfieran entre sí.
Consideremos el famoso experimento en que un fotón proveniente de una fuente
puntual pasa a través de una pantalla con dos rendijas que se interpone en su
camino hasta un detector. Estas dos historias interfieren y no se les puede
asignar probabilidades. Carece de sentido entonces preguntarse qué rendija
atravesó el fotón.
Probabilidades y apuestas
Para que quede completamente claro, hay que
recalcar una vez más que, para historias lo suficientemente poco detalladas,
las probabilidades que ofrece la mecánica cuántica (junto con una teoría física
correcta) son las mejores que pueden calcularse. Para una secuencia de
carreras, se corresponden con lo que antes hemos llamado «apuestas». Sin
embargo, las apuestas reales que se hacen en un hipódromo tienen un carácter
radicalmente distinto. Reflejan simplemente la opinión de los apostantes sobre
las carreras futuras. Es más, las probabilidades correspondientes ni siquiera
suman 1, dado que el hipódromo tiene que obtener algún beneficio de ellas.
Decoherencia para un objeto en órbita
Para ilustrar la generalidad de la decoherencia,
podemos pasar de lo mundano a lo celestial en busca de otro ejemplo, la
descripción aproximada de la órbita de un cuerpo en el sistema solar. Este
cuerpo puede ser desde una molécula a todo un planeta; en una escala
intermedia, podría ser un grano de polvo, un cometa o un asteroide.
Consideremos historias no detalladas en las que se integra el destino de
cualquier otro objeto del universo, así como las propiedades internas del
cuerpo en cuestión, siguiendo únicamente la posición de su centro de masas.
Supongamos además que tratamos esta posición aproximadamente, de manera que
sólo consideramos pequeñas regiones del espacio, dentro de las cuales
integramos todos los valores posibles de la posición. Finalmente, supongamos
que las historias no detalladas integran todo lo que sucede la mayor parte del
tiempo, de manera que siguen la posición aproximada del cuerpo celeste en una
secuencia discreta de instantes separados por cortos intervalos de tiempo.
Pongamos que el cuerpo en órbita tiene una
masa M, que las dimensiones lineales de las pequeñas regiones
del espacio son del orden de X y los intervalos de tiempo son
del orden de T. Las diferentes historias no detalladas posibles del cuerpo en
el sistema solar serán decoherentes en alto grado dentro de una amplia gama de
valores de M, X y T. De nuevo, el mecanismo responsable de
esta decoherencia es la interacción frecuente con objetos cuyos destinos están
integrados. En un conocido ejemplo, estos objetos son los fotones de la
radiación cósmica de fondo, el eco de la explosión inicial del universo (el
llamado Big Bang). En su órbita, nuestro cuerpo celeste topará continuamente
con dichos fotones y los dispersará. Cada vez que esto sucede, el cuerpo y los
fotones dispersados emergerán de la colisión con sus trayectorias alteradas.
Pero las posibles direcciones y energías de los fotones están integradas, lo
que elimina los términos de interferencia entre dichas direcciones y energías,
y en consecuencia elimina también los términos de interferencia entre las
diferentes historias no detalladas de nuestro cuerpo en órbita.
La decoherencia de las historias (que especifican
las sucesivas posiciones aproximadas del centro de masas de un cuerpo en órbita
en el sistema solar en instantes discretos) se debe a la repetida interacción
del objeto con cosas que son integradas, como los fotones de la radiación de
fondo.
Este proceso da respuesta a una pregunta que solía
hacerme Enrico Fermi a principios de los años cincuenta, cuando éramos colegas
en la Universidad de Chicago, si la mecánica cuántica es correcta, ¿por qué el
planeta Marte no tiene una órbita difusa? La vieja respuesta de que Marte ocupa
una posición definida en cada instante de tiempo porque hay personas que lo
observan nos era familiar a ambos, y a los dos nos parecía estúpida. La
explicación real llegó mucho después de su muerte, gracias a los trabajos de
físicos teóricos como Dieter Zeh, Erich Joos y Wojtek Zurek sobre los
mecanismos de decoherencia, en particular el que implica los fotones de la
radiación de fondo.
Fotones procedentes del Sol son dispersados por
Marte e integrados, contribuyendo a la decoherencia de las diferentes
posiciones del planeta; son justamente estos fotones los que nos permiten ver
Marte. La observación de Marte por parte de personas no pinta nada, mientras
que el proceso físico que hace posible esta observación lo pinta todo, y
podemos considerarlo como parcialmente responsable de la decoherencia de las
diferentes historias no detalladas del movimiento del planeta en torno al Sol.
Las historias decoherentes forman un árbol
ramificado
Los mecanismos de decoherencia hacen posible la
existencia del dominio cuasiclásico en el que se desarrolla nuestra experiencia
cotidiana. Este dominio está compuesto de historias no detalladas decoherentes,
que se pueden imaginar formando una estructura ramificada. En uno de los
brillantes cuentos de Borges, se representa esta estructura como un «jardín de
senderos que se bifurcan». En cada ramificación nos encontramos con
alternativas mutuamente excluyentes. A menudo, estas ramificaciones han sido
comparadas con bifurcaciones en una carretera, como en el poema de Robert Frost
«The Road not Taken» [El camino no tomado].
La estructura comienza a ramificarse en
posibilidades alternativas en el mismo momento, o justo después, del inicio de
la expansión del universo. Cada rama se divide de nuevo al poco tiempo en más
posibilidades, y así sucesivamente en todo momento. En cada ramificación hay
probabilidades bien definidas para las diferentes alternativas. No hay
interferencias cuánticas entre ellas.
Una buena ilustración la encontramos de nuevo en el
hipódromo. Cada carrera implica una ramificación entre diez posibles
alternativas para los diferentes ganadores, y a partir de cada ganador hay otra
ramificación en diez alternativas posibles para el ganador de la carrera
siguiente.
En el hipódromo, el resultado de una carrera no
suele ejercer una gran influencia sobre las probabilidades en la siguiente (por
ejemplo, un jinete deprimido por haber perdido la carrera anterior). Sin
embargo, en el árbol ramificado de las historias alternativas del universo, el
resultado de una bifurcación puede afectar profundamente las probabilidades en
las bifurcaciones subsiguientes, e incluso la naturaleza de las posibles
alternativas. Por ejemplo, la condensación de materia que formó el planeta Marte
podría depender de un accidente cuántico ocurrido hace miles de millones de
años; en aquellas bifurcaciones en las que dicho planeta no apareció, no se
darían las ramificaciones posteriores relacionadas con los destinos
alternativos de Marte.
La estructura ramificada de las historias no
detalladas decoherentes alternativas del universo es diferente de los árboles
evolutivos propios de los lenguajes humanos o las especies biológicas. En el
caso de los árboles evolutivos, todas las ramas se encuentran presentes en el
mismo registro histórico. Por ejemplo, todas las lenguas romances surgen de una
versión tardía del latín, pero no son en absoluto alternativas. Francés,
español, portugués, italiano, catalán y otras lenguas que se hablan en la actualidad,
y las actualmente extintas, como el dálmata, se hablaron en algún momento. Por
contra, las ramas del árbol de las historias decoherentes alternativas son
mutuamente excluyentes, y sólo una de ellas es accesible a un observador. Ni
siquiera los divulgadores de los trabajos de Hugh Everett que hablan de
múltiples mundos ramificados igualmente reales afirman haber observado más de
uno de ellos.
Alta inercia y comportamiento casi clásico
La decoherencia por sí sola (que da lugar a una
ramificación de historias alternativas dotadas de probabilidades bien
definidas) no es la única propiedad importante del dominio cuasiclásico que
incluye la experiencia cotidiana. Este dominio exhibe también un comportamiento
en gran medida clásico —de ahí la denominación «cuasiclásico»—. No sólo las
posiciones sucesivas del planeta Marte en una secuencia discreta de instantes
tienen unas probabilidades bien definidas. Las posiciones en cada instante
están también altamente correlacionadas entre sí (probabilidades extremadamente
próximas a uno) y se corresponden, con una enorme aproximación, con la órbita
bien definida en torno al Sol predicha por la física clásica. Esta órbita
obedece las ecuaciones de Newton para el movimiento en el campo gravitatorio
creado por el Sol y los otros planetas, con pequeñas correcciones dadas por la
teoría clásica mejorada de Einstein (la relatividad general) y una pequeña
fuerza de fricción causada por colisiones con objetos ligeros, como los fotones
de la radiación de fondo. Recordemos que estos objetos son integrados e
ignorados en las historias no detalladas que siguen el movimiento de Marte, y
que esto es la causa de su decoherencia.
¿Cómo puede un planeta seguir una órbita clásica
determinista cuando se ve constantemente azotado en su camino por rachas
aleatorias de fotones? Es posible porque el objeto en órbita es muy grande;
cuando más masivo sea, con menor probabilidad exhibirá un comportamiento
errático y seguirá más plácidamente su trayectoria. La masa M del
planeta, su inercia, resiste este constante abofeteo y le permite comportarse
clásicamente con una buena aproximación. Un átomo o una molécula son demasiado
ligeros para seguir una trayectoria consistente en presencia de todos los
objetos del sistema solar con los que colisionarían. Un grano de arena grande
es lo suficientemente masivo como para seguir una órbita bastante bien
definida, y una pequeña nave espacial lo hace aún mejor. Pero hasta una
astronave resulta afectada por el viento solar, compuesto de electrones
emitidos por el Sol. Las colisiones de esos electrones con la nave podrían
bastar para perturbar ciertos experimentos delicados destinados a probar la
teoría einsteniana de la gravitación; por esta razón, sería deseable realizar
estos experimentos valiéndose de un radar emplazado en Marte y no sobre una
sonda espacial.
Aunque hemos asociado el comportamiento
cuasiclásico con la masa de los objetos, sería más exacto adscribirlo a los
movimientos cuya inercia es lo suficientemente grande. Un baño de helio líquido
ultrafrío puede ser grande y pesado y en cambio exhibir extraños efectos
cuánticos, como derramarse por encima del borde de un recipiente abierto,
debido a que sus movimientos internos tienen poca inercia.
Fluctuaciones
Los físicos distinguen entre fluctuaciones
cuánticas y clásicas; un ejemplo de estas últimas serían las fluctuaciones
térmicas asociadas con el movimiento de las moléculas en un gas caliente. La
baja resolución necesaria para lograr la decoherencia en mecánica estadística
implica la integración sobre muchas variables, entre las que fácilmente pueden
figurar algunas de las que describen tales movimientos moleculares. Las
fluctuaciones clásicas tienden así a confundirse con las cuánticas. Un objeto
masivo que siga una órbita clásica definida resiste los efectos de ambos tipos
de fluctuaciones a la vez. Análogamente, un objeto más ligero puede resultar
significativamente afectado por ambos.
El movimiento errático causado por reiteradas
colisiones con cosas muy pequeñas fue descubierto a principios del siglo XIX
por el botánico Robert Brown, en cuyo honor este fenómeno recibe el nombre de
movimiento browniano. Se puede observar fácilmente dejando caer una gota de
tinta en un recipiente con agua y mirando con un microscopio el comportamiento
de los gránulos de pigmento. Einstein explicó estos movimientos bruscos por las
fluctuaciones en las colisiones de las partículas con las moléculas de agua,
una interpretación que por primera vez hacía a las moléculas susceptibles de
observación experimental.
El gato de Schrödinger
En el dominio cuasiclásico, los objetos obedecen
aproximadamente las leyes de la mecánica clásica. Se encuentran sujetos a
fluctuaciones, pero éstas son sucesos individuales superpuestos a un patrón de
comportamiento clásico. Sin embargo, una vez se produce una fluctuación en la
historia de un objeto por lo demás clásico ésta puede verse arbitrariamente
amplificada. Un microscopio puede aumentar la imagen de una partícula de tinta
golpeada por una molécula y una fotografía puede preservar la imagen ampliada
indefinidamente.
Esto nos trae a la memoria el famoso experimento
mental del gato de Schrödinger, en el cual un suceso cuántico es amplificado de
manera que decide si un gato resulta envenenado o no. Tal amplificación, aunque
poco agradable, es perfectamente posible. Puede diseñarse un mecanismo de forma
que la vida del gato dependa, por ejemplo, de la dirección que tome una
partícula emitida por la desintegración de un núcleo atómico. (Empleando un
arma termonuclear, podría decidirse de igual manera el destino de una ciudad.)
La discusión clásica sobre el gato de Schrödinger
se basa en la interferencia cuántica entre los escenarios del gato vivo y del
gato muerto. Sin embargo, el gato vivo interacciona de modo considerable con el
resto del universo —a través de su respiración, por ejemplo— e incluso el gato
muerto interactúa hasta cierto punto con el aire. No sirve de nada encerrar al
felino en una caja, porque la caja interactúa con el resto del universo, así
como con el gato. De modo que hay abundantes oportunidades para la decoherencia
entre las historias no detalladas en las que el gato vive y en las que muere.
Los escenarios en los que el gato vive y aquellos en los que muere son
decoherentes, no hay interferencia entre ellos.
Es tal vez este aspecto de la interferencia en la
historia del gato lo que hace exclamar a Stephen Hawking, «Cuando oigo hablar
del gato de Schrödinger, echo mano a mi pistola». Esta frase es en cualquier
caso una parodia de otra que suele atribuirse a algún líder nazi, pero que de
hecho aparece en la obra de teatro Schlageter, de Hanns Johst,
«Cuando oigo la palabra Kultur, le quito el seguro a mi
Browning».
Supongamos que el suceso cuántico que determina el
destino del gato ha ocurrido ya; no sabremos lo que ha pasado hasta que
destapemos la caja que encierra al animal. Dado que los dos resultados posibles
son decoherentes, la situación no difiere del caso clásico en el que abrimos la
caja que contiene a un pobre animal después de un largo viaje, tras el que no
sabemos si está vivo o muerto. Se han gastados resmas de papel acerca del
supuestamente misterioso estado cuántico del gato, vivo y muerto al mismo tiempo.
Ningún objeto cuasiclásico real puede mostrar tal comportamiento, porque su
interacción con el resto del universo conducirá a la decoherencia de las
posibles alternativas.
Descenso de resolución adicional necesario para la
inercia y la cuasiclasicidad
Un dominio cuasiclásico requiere, de manera
natural, historias lo suficientemente poco detalladas para ser decoherentes con
una muy buena aproximación; también requiere que sean aún menos detalladas, de
modo que lo que se sigue en las historias tenga inercia suficiente como para
resistir las inevitables fluctuaciones asociadas con lo que se integra. Aquí
persisten continuas excursiones pequeñas fuera del comportamiento clásico y,
ocasionalmente, grandes.
La razón por la que la alta inercia requiere un
descenso de resolución adicional es que los fragmentos apreciables de materia
pueden entonces ser seguidos y tener grandes masas. (Si existiesen algunas
partículas elementales de gran masa que fuesen estables o cuasiestables,
representarían una fuente distinta de alta inercia. Todavía no se ha encontrado
ninguna partícula semejante, aunque podrían existir y, si así fuese, podrían
haber jugado un importante papel en los instantes iniciales de la expansión del
universo.)
Situaciones de medida y medidas
Un suceso cuántico puede correlacionarse totalmente
con algo perteneciente al dominio cuasiclásico. Esto es lo que sucede en la
parte sensata de la historia del gato, en la que un suceso de este tipo se
correlaciona con el destino del animal. Un ejemplo más simple y menos
caprichoso sería un núcleo radiactivo, presente como impureza en un cristal de
mica, que se desintegra, pongamos por caso, en dos fragmentos eléctricamente
cargados que se mueven en direcciones opuestas. La dirección del movimiento de uno
de los fragmentos está por completo indeterminada hasta que se produce la
desintegración, pero a partir de entonces se correlaciona perfectamente con el
rastro que deja en la mica. Las historias cuasiclásicas, que integran cosas
como la radiación blanda emitida al formarse el rastro en el cristal, producen
la decoherencia de las diferentes direcciones, con una pequeña dispersión.
Estos rastros, a temperaturas ordinarias, pueden durar decenas de miles de años
y, por supuesto, la mera persistencia es un ejemplo (aunque trivial) de
historia clásica. La desintegración radiactiva ha contactado así con el dominio
cuasiclásico.
La acumulación de rastros dejados por los productos
de la desintegración espontánea de núcleos fisibles se emplea en ocasiones para
datar minerales. Este método se conoce como datación radiactiva, y puede
aplicarse a rocas de cientos de miles de años de antigüedad. Imaginemos que un
científico que realiza una medición de este tipo estudia un rastro en
particular. Mientras procede a la datación, puede decirse que también está
midiendo la dirección de la desintegración de un núcleo radiactivo. Sin embargo,
el rastro ha estado allí desde que se formó; no comenzó a existir cuando el
físico le echó una mirada (como sugeriría alguna descripción torpe de la
mecánica cuántica). Ha existido una situación susceptible de medida desde que
el núcleo se desintegró y se formó el rastro, esto es, desde que se estableció
una fuerte correlación con el dominio cuasiclásico. La medición podría llevarla
a cabo una cucaracha u otro sistema complejo adaptativo cualquiera. Consiste en
«percatarse» de que se ha producido una alternativa particular de entre un
conjunto de alternativas decoherentes, dotadas de diferentes probabilidades.
Ocurre exactamente lo mismo en el hipódromo cuando se «observa» que un caballo
en particular ha ganado la carrera. Un registro de la victoria, ya presente en
algún lugar del dominio cuasiclásico, es registrado además en la memoria del
observador, sea éste de inteligencia elevada o pequeña. No obstante, muchos
autores sensatos, incluso brillantes, han apelado a la importancia de la
conciencia humana en el proceso de medida. ¿Es realmente tan importante? ¿Qué
significa realmente notar y observar?
IGUS: Un sistema complejo adaptativo como
observador
En este contexto, una observación es como una poda
del árbol de historias ramificadas. En una bifurcación concreta, sólo se
preserva una de las ramas (más precisamente, sobre cada rama, sólo se preserva
¡esa misma rama!). Las ramas podadas se eliminan, junto con las partes del
árbol que crecen a partir de las ramas podadas.
En cierto sentido, el cristal de mica con trazas de
desintegración radiactiva ha realizado ya una operación de poda, registrando la
dirección real del movimiento del fragmento de núcleo y descartando todas las
otras direcciones posibles. Pero un sistema complejo adaptativo que observe el
rastro realiza la poda de una forma más explícita, incorporando la observación
en el flujo de datos que da lugar a la evolución de sus esquemas. El
consiguiente comportamiento del sistema puede entonces reflejar su observación
de la dirección particular del rastro.
Un sistema complejo adaptativo que actúa como un
observador merece probablemente un buen nombre. Jim Hartle y yo lo llamamos
IGUS (Information Gathering and Utilizing System), es decir, sistema acumulador
y utilizador de información. Si el IGUS tiene un grado significativo de
conciencia o conocimiento de sí mismo (de modo que se percibe a sí mismo
percibiendo la dirección del rastro radiactivo) tanto mejor, pero ¿es esto
necesario? ¿Tiene realmente una medida hecha por un ser humano cualquiera,
aunque sea uno muy estúpido, mayor significado que la hecha por un gorila o un
chimpancé? Y si no es así, ¿por qué no sustituir al simio por una chinchilla o
una cucaracha?
Al comenzar a podar el árbol de historias
ramificadas, tal vez habría que distinguir entre un observador humano que sabe
algo sobre mecánica cuántica (y así conoce el origen del árbol) y cualquier
otro que no sabe nada. En cierto sentido, la diferencia entre ellos es mayor
que entre un humano ignorante de la mecánica cuántica y una chinchilla.
Un IGUS puede hacer algo más que eliminar ramas
alternativas cuando ya es conocido el resultado de un suceso determinado, puede
apostar de antemano sobre dicho resultado, utilizando alguna versión aproximada
de las probabilidades que proporciona la mecánica cuántica. Sólo un sistema
complejo adaptativo puede hacer eso. A diferencia de un cristal de mica, un
IGUS puede incorporar sus propias probabilidades estimadas de sucesos futuros
en un esquema, y basar su comportamiento futuro en dicho esquema. Por ejemplo,
un mamífero que habite en el desierto puede emprender un largo camino hacia un
pozo profundo algunos días después de que haya llovido, pero no se dirigirá
hacia uno poco profundo, porque es más probable que haya agua en el primero que
en el segundo.
La poda de ramas sustituye a lo que se denomina
«colapso de la función de onda» en la interpretación tradicional de la mecánica
cuántica. Ambas descripciones pueden relacionarse matemáticamente, pero el
colapso se presenta a menudo como un fenómeno misterioso propio de la mecánica
cuántica. Dado que la poda representa simplemente el reconocimiento de la
ocurrencia de una de entre un conjunto de alternativas decoherentes, nos
resulta más familiar. Un ejemplo es la constatación de que, después de todo, no
me fui a París, sino que me quedé en casa. Todas las ramas de la historia que
dependían de mi partida a París han sido descartadas; sus probabilidades son
ahora nulas, fuera cual fuese antes su valor.
El punto confuso que resta en las discusiones sobre
el llamado colapso es que aunque la poda implique la medida de un suceso
cuántico, continúa siendo una simple discriminación entre alternativas
decoherentes. Los sucesos cuánticos sólo pueden detectarse al nivel del dominio
cuasiclásico. Ahí la situación es la de unas probabilidades clásicas, como en
el lanzamiento de un dado o una moneda, que se hacen cero o uno cuando se
conoce el resultado. El dominio cuasiclásico admite la posibilidad de un
registro razonablemente persistente del resultado, registro que puede ampliarse
o copiarse una y otra vez en una cadena cuasiclásica de concordancia casi
exacta entre un registro y el precedente. Una vez que un suceso cuántico queda
correlacionado con el dominio cuasiclásico (creando una situación susceptible
de medida), el resultado particular del suceso en una rama histórica dada se
convierte en un hecho.
Conciencia de uno mismo y libre albedrío
Ya que hemos mencionado el tema de la conciencia,
vamos a explorarlo brevemente un poco más. El cerebro humano tiene unos lóbulos
frontales muy grandes comparados con los de nuestros parientes cercanos los
grandes simios. Los neurobiólogos han identificado en ellos áreas que parecen
estar relacionadas con la conciencia y la voluntad, y se piensa que están
especialmente bien desarrolladas en los seres humanos.
Junto a los muchos procesos que operan en paralelo
en la mente humana, la conciencia parece referirse a un proceso secuencial, una
especie de foco que puede pasar de una idea o impresión sensorial a otra, en
rápida sucesión. Cuando pensamos que prestamos atención a muchas cosas a la
vez, en realidad estamos empleando este foco a tiempo compartido, desplazándolo
entre los diferentes objetos de nuestra atención. Las diferentes líneas de
proceso en paralelo difieren en su accesibilidad al pensamiento consciente, y
algunas de las fuentes del comportamiento humano yacen enterradas en niveles
profundos del pensamiento desde donde es difícil que accedan a la conciencia.
A pesar de ello, afirmamos que la expresión oral y
otros actos están, en considerable grado, bajo un control consciente, y esto
refleja no sólo el reconocimiento del faro de la conciencia, sino nuestra
profunda creencia en que poseemos libre albedrío, que podemos escoger entre
distintas alternativas de comportamiento.
¿Qué tipo de fenómenos objetivos producen esa
impresión tan subjetiva que es el libre albedrío? Decir que una decisión se
toma libremente significa que no está estrictamente determinada por todo lo que
ha sucedido anteriormente. ¿De dónde surge esta aparente indeterminación?
Una explicación posible es que está conectada con
indeterminaciones fundamentales, probablemente la propia de la mecánica
cuántica realzada por fenómenos clásicos como el caos. Una decisión humana
tendría así un carácter impredictible, y podría decirse retrospectivamente que
ha sido tomada libremente. No obstante, uno podría preguntarse cuáles son los
rasgos distintivos del córtex cerebral humano que hacen que las contribuciones
de las fluctuaciones cuánticas y el caos sean tan preponderantes.
En lugar de invocar sólo estos factores puramente
físicos, podríamos considerar también procesos más directamente asociados con
el cerebro y la mente. Recordemos que, para una resolución dada, todos los
fenómenos accesorios pueden contribuir con indeterminaciones aparentes (por
ejemplo fluctuaciones térmicas) que se suman a las fluctuaciones cuánticas.
Dado que hay siempre muchos procesos mentales no iluminados por el faro de la
conciencia, estos procesos se integran en las historias extremadamente poco detalladas
que recordamos conscientemente. Las indeterminaciones resultantes contribuirían
más verosímilmente a la impresión subjetiva de libre albedrío que las
indeterminaciones más estrechamente asociadas con la física. En otras palabras,
los seres humanos probablemente actúan impulsados por motivaciones ocultas con
mayor frecuencia que por un generador interno de números aleatorios o
pseudoaleatorios. Pero todas estas cuestiones están muy mal comprendidas y, por
ahora, lo único que podemos hacer es especular. (Las especulaciones sobre esta
materia no son ni mucho menos recientes. Con todo, no veo ninguna razón por la
cual estas cuestiones no debieran tratarse en el marco de una investigación
científica sobre el posible papel de las indeterminaciones en el funcionamiento
del córtex cerebral humano y los correspondientes procesos mentales.)
¿Qué caracteriza el dominio cuasiclásico familiar?
En las historias no detalladas que incorporan las
experiencias cotidianas dentro del dominio cuasiclásico, se siguen ciertas
clases de variables, mientras que el resto se integra, es decir, se ignora. En
pocas palabras, el dominio cuasiclásico usual obedece las leyes de la gravedad
y el electromagnetismo, y las leyes de conservación de magnitudes como la
energía, el momento o la carga eléctrica, junto con otras que se conservan
aproximadamente, como el número de dislocaciones (irregularidades) producidas
en un cristal por el paso de una partícula cargada. Se dice que una magnitud se
conserva cuando la cantidad total de ésta presente en un sistema cerrado
permanece invariable con el tiempo; se conserva aproximadamente cuando la
cantidad total apenas varía con el tiempo. Una magnitud conservada como la
energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse. Las dislocaciones
en un cristal pueden obviamente crearse, por ejemplo por el paso de una
partícula cargada; sin embargo, pueden durar cientos de miles de años una vez
creadas, y en este sentido son cuasiconservadas.
El dominio cuasiclásico familiar implica la
integración de todo menos ciertos rangos de valores de los campos
electromagnético y gravitatorio y de las magnitudes conservadas y
cuasiconservadas, dentro de volúmenes de espacio pequeños pero lo bastante grandes
como para tener la inercia necesaria para resistir las fluctuaciones asociadas
con los efectos de las variables integradas. Es decir, la resistencia a las
fluctuaciones es suficiente para que las magnitudes que se siguen manifiesten
un comportamiento cuasiclásico.
Estas magnitudes deben seguirse a intervalos de
tiempo no demasiado estrechos, para que las historias no detalladas puedan ser
decoherentes. En general, si la resolución es demasiado alta (debido a
intervalos de tiempo demasiado cortos, volúmenes demasiado pequeños o rangos de
magnitudes demasiado estrechos), el peligro de interferencia entre historias se
hace mayor.
Consideremos un conjunto de historias no detalladas
alternativas refinadas al máximo, de manera que cualquier aumento de resolución
arruinaría la decoherencia, el carácter cuasiclásico de las historias o ambas
cosas a la vez. Los pequeños volúmenes de espacio en los cuales se siguen, a
intervalos de tiempo apropiados, las magnitudes conservadas y cuasiconservadas
pueden cubrir entonces todo el universo, pero con una resolución
espaciotemporal (y de los rangos de las magnitudes) adecuada para producir la
decoherencia y dar como resultado historias alternativas cuasiclásicas.
La experiencia humana y de los sistemas con los que
estamos en contacto es la de un dominio de mucha menor resolución que este
dominio cuasiclásico maximal que acabamos de describir. Se requiere una gran
pérdida de detalle para pasar del dominio cuasiclásico maximal al dominio
accesible a nuestra experiencia cotidiana. Nuestro dominio accesible cubre
únicamente regiones muy limitadas del espacio-tiempo, y el alcance de sus
variables es muy corto. (El interior de las estrellas y de otros planetas, por
ejemplo, resulta prácticamente inaccesible, y lo que ocurre en la superficie
sólo puede detectarse de una manera no detallada.)
Por contra, las historias no detalladas del dominio
cuasiclásico maximal no tienen por qué integrar, y por tanto ignorar, todas las
variables inaccesibles a la observación humana. En su lugar, esas historias
pueden incluir descripciones de resultados alternativos de procesos
arbitrariamente remotos en el espacio y en el tiempo. Pueden incluso abarcar
sucesos cerca del inicio de la expansión del universo, cuando presumiblemente
no existían sistemas complejos adaptativos que pudiesen actuar como observadores.
En suma, un dominio cuasiclásico maximal es un
conjunto exhaustivo de historias no detalladas del universo mutuamente
excluyentes que cubren todo el espacio-tiempo, que son mutuamente decoherentes
y cuasiclásicas la mayor parte del tiempo, y que poseen la máxima resolución
compatible con las otras condiciones. En este tipo particular de dominio
cuasiclásico maximal, las magnitudes que se siguen son rangos de valores de
magnitudes conservadas y cuasiconservadas integradas sobre pequeños volúmenes.
El dominio de la experiencia humana cotidiana se obtiene a partir de estos
dominios maximales reduciendo de modo extremo la resolución, en correspondencia
con las posibilidades de nuestros sentidos e instrumentos.
La dependencia histórica de las magnitudes que se
siguen
Es importante hacer hincapié en que las magnitudes
específicas que se siguen en un instante dado pueden depender del resultado de
las ramificaciones previas de las historias. Por ejemplo, la distribución de
masa de la Tierra, representada por la cantidad de energía contenida en cada
uno de un gran número de pequeños volúmenes que componen el planeta, podría
seguirse en una historia no detallada siempre y cuando la Tierra exista. ¿Pero
qué ocurriría si la Tierra explotase algún día en pedacitos, a causa de alguna
catástrofe imprevista? ¿Qué pasaría si esta catástrofe volatilizase el planeta,
como en algunas películas de serie B? Presumiblemente, en las historias en las
que esto ocurra las magnitudes que se siguen serán muy diferentes antes y
después de la catástrofe. En otras palabras, las magnitudes que se siguen en
historias de una resolución dada pueden depender de las ramificaciones de las
mismas.
Objetos individuales
Hemos discutido el dominio cuasiclásico que incluye
la experiencia cotidiana en términos de rangos de valores de campos y de
magnitudes conservadas o cuasiconservadas en pequeños volúmenes de espacio.
Pero ¿qué ocurre cuando entran en escena objetos individuales como un planeta?
Al principio de la historia del universo, las masas
de materia comenzaron a condensarse bajo la influencia de la atracción
gravitatoria. El contenido de las diversas historias no detalladas alternativas
posteriores es mucho más conciso cuando se describe en términos de los objetos
de nueva formación. Es mucho más simple registrar el movimiento de una galaxia
que listar por separado todos los cambios en la densidad de materia de un
billón de billones de pequeños volúmenes de espacio a medida que la galaxia se
mueve.
Cuando las galaxias dieron origen a estrellas,
planetas, rocas y, en algunos lugares, a sistemas complejos adaptativos como
los seres vivos de la Tierra, la existencia de objetos individuales se
convirtió en una característica cada vez más marcada del dominio cuasiclásico.
Muchas de las regularidades del universo pueden describirse con mucha más
concisión en términos de estos objetos; las propiedades de las cosas
individuales representan una gran proporción de la complejidad efectiva del
universo.
En la mayor parte de casos, la descripción de
objetos individuales es más simple cuando su definición permite el aumento o la
pérdida de cantidades de materia comparativamente pequeñas. Cuando un planeta
absorbe un meteorito o un gato respira, la identidad del planeta o el gato no
se alteran.
¿Cómo puede medirse la individualidad? Una forma
consiste en observar un conjunto de objetos comparables y, para una cierta
resolución, describir de la manera más breve posible las propiedades que los
distinguen (tales como las plumas perdidas de los once cóndores de California
que contemplé encima del ternero). El número de bits en la descripción de un
individuo típico puede entonces compararse con la cantidad necesaria para
enumerar a los individuos del conjunto. Si, para una resolución particular, la
descripción contiene muchos más bits que la enumeración, entonces los objetos
del conjunto muestran individualidad.
Consideremos el conjunto de todos los seres
humanos, en la actualidad cerca de 5 500 millones. Asignar un número diferente
a cada persona requiere unos 32 bits, porque 2 multiplicado 32 veces por sí
mismo es igual a 4 294 967 296. Pero incluso un simple vistazo, acompañado de
una breve entrevista, revelerá fácilmente muchísimo más de 32 bits de
información sobre una persona. Cuando la estudiemos más de cerca revelerá una
individualidad aún mayor. E imaginemos de cuánta información adicional
dispondremos cuando pueda leerse su genoma individual.
El número de estrellas en nuestra galaxia, sin
contar posibles astros oscuros que los astrónomos puedan descubrir algún día,
se eleva a unos cien mil millones. Asignar a cada una un número consecutivo
requería unos 37 bits. Los astrónomos han obtenido del Sol, la estrella más
cercana, una cantidad de información muy superior a ésta, pero la resolución es
muy inferior para las otras estrellas. La posición en el cielo, la luminosidad,
el espectro de emisión y el movimiento pueden medirse de alguna forma, con mayor
o menor precisión según la distancia. El número total de bits de información no
suele ser muy superior a 37, y en algunos casos es inferior. Tal como las ven
los astrónomos en la actualidad, las estrellas, exceptuando el Sol, tienen
alguna individualidad, pero no mucha.
La baja resolución característica de las
observaciones actuales puede evitarse pasando a un dominio cuasiclásico
maximal, consistente en historias alternativas que cubren todo el espacio-
tiempo, y que no sólo son decoherentes y casi clásicas, sino también, en algún
sentido, de máxima resolución, dada su decoherencia y carácter cuasiclásico.
Cuando resulta apropiado, estas historias pueden expresarse en términos de
objetos individuales, que pueden seguirse con extraordinario detalle y exhiben,
en correspondencia, un alto grado de individualidad.
En el dominio cuasiclásico maximal ordinario, la
información disponible sobre cualquier estrella es enormemente mayor que la que
poseemos sobre el Sol. Análogamente, la información sobre cualquier ser humano
es mucho más rica que la disponible en la actualidad. De hecho, ningún sistema
complejo adaptativo que observase una estrella o un hombre en este dominio
podría hacer uso de tan gigantesca cantidad de información. Por otra parte, la
mayor parte de los datos se referiría a fluctuaciones aleatorias o pseudoaleatorias
de la densidad de materia en el núcleo de la estrella o en el interior de algún
hueso o músculo. Resulta difícil imaginar qué uso podría hacer un sistema
complejo adaptativo de esta masa de información. A pesar de ello, las
regularidades en los datos podrían ser muy útiles; de hecho, los médicos se
sirven de tales regularidades cuando emplean la resonancia magnética nuclear
(RMN) o la tomografía axial computerizada (TAC) para diagnosticar una
enfermedad. Como siempre, un esquema descriptivo formulado por un sistema
complejo adaptativo observador es una lista concisa de regularidades, y la
longitud de dicha lista es una medida de la complejidad efectiva del objeto
observado.
El carácter proteico de la mecánica cuántica
Al igual que las probabilidades clásicas que surgen
en una serie de carreras de caballos, las historias alternativas no detalladas
del universo que constituyen el dominio cuasiclásico maximal forman una
estructura ramificada, con probabilidades bien definidas para las diferentes
posibilidades en cada bifurcación. Entonces, ¿en qué difiere la mecánica
cuántica de la mecánica clásica? Una diferencia obvia es que, en mecánica
cuántica, la baja resolución es necesaria para que la teoría produzca
resultados útiles, mientras que en mecánica clásica obedece a la imprecisión en
las medidas u otras limitaciones de orden práctico. Pero existe otra
diferencia, de mayor entidad, responsable de la naturaleza no intuitiva de la
mecánica cuántica: su carácter proteico. Recordemos que Proteo, en la mitología
clásica, era un adivino reticente que tenía el don de transformarse en
diferentes criaturas. Para obtener predicciones de él, era necesario sujetarlo
firmemente mientras cambiaba de forma sin cesar.
Retomemos a nuestras historias detalladas de un
universo simplificado, que especifican la posición de cada partícula del mismo
en todo momento. En mecánica cuántica, la posición es una elección arbitraria.
Mientras que el principio de incertidumbre de Heisenberg imposibilita
especificar simultáneamente la posición y el momento de una partícula dada con
precisión arbitraria, no impide especificar el momento en lugar de la posición.
En consecuencia, las historias detalladas pueden escogerse de muchas formas distintas,
cada partícula caracterizada en ciertos instantes por su momento, y el resto
del tiempo por su posición. Por otra parte, existe una infinita variedad de
formas, más sutiles, de construir historias detalladas del universo.
¿Hay muchos dominios cuasiclásicos no equivalentes?
Para cada uno de estos conjuntos de historias
detalladas es posible considerar muchas formas de eliminar información y
preguntar cuáles, si es que las hay, conducen a un dominio cuasiclásico maximal
caracterizado por historias no detalladas decoherentes que exhiban un
comportamiento casi clásico, con continuas excursiones pequeñas y,
ocasionalmente, alguna notable. Además, podemos preguntamos si existen
distinciones realmente significativas entre estos dominios o si todos son más o
menos equivalentes.
Jim Hartle y yo, entre otros, estamos intentando
dar respuesta a esta cuestión. A menos que se demuestre lo contrario, siempre
será concebible que haya un gran conjunto de dominios cuasiclásicos no
equivalentes, de los cuales el que nos es familiar no es más que un ejemplo. Si
ello es cierto, ¿qué distingue el dominio cuasiclásico familiar de todos los
demás?
Quienes se adhieran a la visión temprana de la
mecánica cuántica podrían pensar que los seres humanos hemos decidido medir
ciertas magnitudes y que nuestra elección determina el dominio cuasiclásico con
que nos enfrentamos. O, con un poco más de generalidad, podrían decir que los
seres humanos sólo son capaces de medir ciertos tipos de magnitudes, y que el
dominio cuasiclásico debe basarse, al menos en parte, en ellas.
Un lugar para los sistemas complejos adaptativos
El carácter cuasiclásico garantiza a todos los
seres humanos, y a todos los sistemas en contacto con nosotros, la posibilidad
de comparar registros, de forma que todos nos referimos siempre al mismo
dominio. Pero ¿hemos seleccionado colectivamente este dominio?
Tal punto de vista puede resultar innecesariamente antropocéntrico, como otros
aspectos de la interpretación anticuada de la mecánica cuántica.
Otra aproximación menos subjetiva consiste en
partir de un dominio cuasiclásico maximal y reparar en que a lo largo de
determinadas ramas, en ciertas épocas y lugares, puede mostrar la
característica mezcla de regularidad y azar que favorece la evolución de los
sistemas complejos adaptativos. El comportamiento casi clásico proporciona la
regularidad, mientras que las excursiones fuera del determinismo —las
fluctuaciones— proporcionan el elemento aleatorio. Los mecanismos de
amplificación, entre ellos el caos, permiten que algunas de estas fluctuaciones
aleatorias lleguen a correlacionarse con el dominio cuasiclásico y den lugar a
ramificaciones. Por ello, cuando los sistemas complejos adaptativos
evolucionan, lo hacen en conexión con un dominio cuasiclásico particular, que
no ha de considerarse como algo elegido por los sistemas de acuerdo a sus
capacidades. En vez de eso, la localización y las capacidades de los sistemas
determinan el descenso de resolución adicional (en nuestro caso, muy grande)
que se aplica a un dominio cuasiclásico maximal particular para llegar al
dominio percibido por los sistemas.
Supongamos que la mecánica cuántica del universo
permitiese matemáticamente la existencia de varios dominios cuasiclásicos
maximales posibles, genuinamente no equivalentes. Supongamos, también, que los
sistemas complejos adaptativos evolucionasen realmente para explotar cierta
disminución de resolución en cada uno de estos dominios. Cada dominio
proporcionaría entonces un conjunto de historias no detalladas alternativas del
universo, y los sistemas acumuladores y procesadores de información (IGUS)
registrarían en cada caso los resultados de varias ramificaciones
probabilísticas dentro del árbol de historias posibles, ¡un árbol que sería
bien diferente en cada caso!
Si existiese algún grado de concordancia en los
fenómenos que se siguen en cada dominio cuasiclásico distinto, los diferentes
IGUS podrían percibirse mutuamente, e incluso comunicarse de alguna forma. Pero
una gran parte de lo que es seguido por un IGUS no puede ser aprehendido de
forma directa por los otros. Sólo por medio de mediciones o cálculos
mecanocuánticos podría un IGUS hacerse alguna idea de todo el dominio de
fenómenos que percibe otro distinto (esto podría recordar a alguien la relación
entre hombres y mujeres).
¿Podría un observador dentro de cierto dominio
llegar a ser realmente consciente de que hay otros dominios, con sus propios
conjuntos de historias ramificadas y observadores, disponibles como
descripciones alternativas de las posibles historias del universo? Este
fascinante tema ha sido tratado por los escritores de ciencia ficción (que a
veces emplean la expresión «mundos de duendes», de acuerdo con el teórico ruso
Starobinsky), pero sólo ahora está mereciendo la atención de los teóricos de la
mecánica cuántica.
Los que trabajamos en la construcción de una
interpretación moderna de la mecánica cuántica tenemos como objetivo poder dar
por finalizada la era regida por el dicho de Niels Bohr: «Si alguien dice que
puede pensar en la mecánica cuántica sin sentir vértigo, entonces es que no ha
entendido nada de nada».
Capítulo 12
Mecánica cuántica y verborrea
Aunque muchas cuestiones sobre la mecánica cuántica
todavía no tienen una respuesta satisfactoria, no hay necesidad de introducir
mistificaciones innecesarias donde de hecho no existe ningún problema. Sin
embargo, esto es lo que se ha hecho en un gran número de escritos recientes
sobre mecánica cuántica.
Como esta disciplina sólo predice probabilidades,
en algunos círculos se piensa que la mecánica cuántica permite que ocurra
prácticamente cualquier cosa. ¿Es eso cierto? Todo depende de si se toman en
consideración sucesos de una probabilidad pequeñísima. Recuerdo que cuando era
estudiante me propusieron el problema de calcular la probabilidad de que un
objeto macroscópico masivo se elevase un metro en el aire durante un cierto
tiempo como consecuencia de una fluctuación cuántica. La respuesta era, aproximadamente,
uno dividido por un número con sesenta y dos ceros. La finalidad del problema
era enseñamos que en la práctica no hay diferencia entre una probabilidad así y
cero. Algo tan improbable resulta, de hecho, imposible.
Cuando nos fijamos en las cosas que pueden pasar en
la realidad con una probabilidad significativa, encontramos que muchos
fenómenos que resultaban imposibles en el marco de la física clásica continúan
siéndolo en el universo cuántico. Sin embargo, la comprensión de esto por parte
del público se ha visto dificultada en los últimos años por una fiebre de
libros y artículos con referencias equívocas a ciertos elegantes desarrollos
teóricos obra de John Bell y a los resultados de un experimento relacionado con
ellos. Algunas de las referencias a este experimento, que implica dos fotones
que se mueven en direcciones opuestas, han dado a los lectores la falsa
impresión de que la medida de las propiedades de uno de los fotones afecta
instantáneamente las del otro. La conclusión que se extrae es que la mecánica
cuántica permite la comunicación a mayor velocidad que la luz. ¡Incluso se ha
llegado a decir que hace plausibles fenómenos «paranormales» como la
precognición! ¿Cómo se ha llegado a esta situación?
Las objeciones de Einstein a la mecánica cuántica
En cierto modo, la historia parte de la actitud de
Einstein hacia la mecánica cuántica. Aunque colaboró en la preparación del
camino que conduciría hasta ella a principios de siglo con su brillante trabajo
sobre los fotones, en el que por primera vez tomó en consideración la hipótesis
cuántica original de Max Planck, a Einstein nunca le gustó la mecánica cuántica
en sí misma. En la Conferencia Solvay de 1930 en Bruselas, Einstein presentó lo
que pretendía ser una demostración de la inconsistencia de la mecánica
cuántica. Niels Bohr y sus aliados trabajaron frenéticamente en los días
siguientes para encontrar el fallo en el argumento de aquel gran hombre. Antes
del fin de las sesiones, pudieron demostrar que Einstein había omitido algo;
curiosamente, su olvido había sido precisamente la relatividad general. Cuando
concluyó la conferencia, la alegada inconsistencia había desaparecido.
Después de aquello, Einstein abandonó sus intentos
de probar que la mecánica cuántica era internamente inconsistente. En lugar de
eso, se concentró en identificar el principio que esta disciplina violaba y
que, según él creía, debía obedecer cualquier marco teórico correcto. En 1935,
junto con dos jóvenes colaboradores, Podolsky y Rosen, publicó un artículo en
el que describía dicho principio y un experimento hipotético en el que la
mecánica cuántica dejaría de satisfacerlo. El principio, que él llamó «de completitud»,
desafiaba la naturaleza esencial de la mecánica cuántica.
Podemos describir el principio de completitud como
sigue: si por medio de cierta medida podemos predecir con certidumbre el valor
de una cierta magnitud Q, y si por medio de otra medida alternativa y diferente
podemos estimar con certeza el valor de la magnitud R, entonces, de acuerdo con
la noción de completitud, debería ser posible asignar valores simultáneos
exactos a ambas magnitudes Q y R. Einstein y sus colegas aplicaron el principio
a dos cantidades que en mecánica cuántica no pueden medirse simultáneamente con
precisión, a saber, el momento y la posición de un mismo objeto. Se establecía
así una contradicción entre la mecánica cuántica y el principio de completitud.
¿Cuál es la relación real, dentro del marco de la mecánica cuántica, entre una
medida que permite establecer el valor exacto de la posición de una partícula
en un instante determinado y otra medida que permite obtener el valor del
momento en el mismo instante? Esas medidas tienen lugar en dos ramas
diferentes, decoherentes entre sí (como una rama histórica en la que un caballo
gana la carrera y otra en la que gana un caballo distinto). La exigencia de
Einstein equivale a aceptar que los resultados de dos ramas alternativas deben
aceptarse simultáneamente. Y eso implica claramente abandonar
la mecánica cuántica.
Las variables ocultas
Einstein quería en realidad reemplazar la mecánica
cuántica por un marco teórico diferente. En comentarios hechos aquí y allá,
manifestó su creencia en que el éxito de la mecánica cuántica tenía sus raíces
en resultados teóricos que sólo aproximadamente eran correctos, y que
representaban una especie de promedio estadístico sobre las predicciones de
otra clase de teoría.
Esta concepción einsteniana asumió una forma más
definida cuando diversos teóricos, en diferentes momentos, sugirieron que había
que sustituir la mecánica cuántica por una teoría clásica y determinista —pero
en la que hay presente un gran número de «variables ocultas»—. Estas variables
pueden imaginarse como si describiesen un enjambre de moscas invisibles
zumbando por todas partes en el universo más o menos al azar, interactuando con
las partículas elementales y afectando su comportamiento. Puesto que estas
moscas son indetectables, lo mejor que puede hacer un físico teórico a la hora
de realizar predicciones es tomar un promedio estadístico sobre sus
movimientos. Pero estas moscas invisibles generan fluctuaciones imprevisibles,
creando así indeterminaciones. La esperanza era que estas indeterminaciones
encajasen de alguna manera con las de la mecánica cuántica, de modo que las
predicciones del nuevo esquema concordaran con las predicciones mecanocuánticas
en todos los casos en que la experiencia confirmaba éstas últimas.
Bohm y Einstein
Conocí a un físico teórico que estuvo vacilando, al
menos por un tiempo, entre la aceptación de la mecánica cuántica y la idea de
que podría ser sustituida por alguna teoría de «variables ocultas». Era David
Bohm, quien durante toda su carrera profesional se preocupó de comprender el
significado de la mecánica cuántica.
En 1953, cuando acababa de doctorarse y era un
estudiante postdoctoral en el Instituto de Estudios Avanzados, David trabajaba
como profesor asistente en la Universidad de Princeton. Los dos estábamos
solteros y a veces pasábamos la tarde paseando por los alrededores de
Princeton, discutiendo de física. David me confesó que, como marxista que era,
le costaba aceptar la mecánica cuántica (el marxismo tiende a preferir teorías
completamente deterministas). Dado que la mecánica cuántica tenía un éxito
arrollador, no contradicho por ninguna experiencia, había intentado convencerse
a sí mismo de que esta teoría era, después de todo, filosóficamente aceptable.
En su intento de reconciliar la mecánica cuántica con sus convicciones
marxistas, había escrito un manual elemental sobre teoría cuántica, poniendo
especial énfasis en su interpretación. El libro estaba a punto de publicarse, y
David estaba ansioso por mostrar a Einstein los capítulos más relevantes y ver
si podía así vencer las objeciones de aquel gran hombre. Me pidió que le
concertase una cita. Le respondí que yo no era la persona más indicada, pues
apenas le conocía, pero que hablaría con la señorita Dukas, la formidable
secretaria de Einstein, para ver qué se podía hacer.
Cuando me encontré a David uno o dos días más tarde
y me disponía a decirle que estaba preparando su cita, me interrumpió
entusiasmado para anunciarme que ya no era necesaria. Su libro había salido a
la venta y Einstein ya lo había leído y le había telefoneado para decirle que
la suya era la mejor presentación del caso en su contra que jamás había visto,
y que estaría encantado de encontrarse con él para discutirla. Naturalmente,
cuando vi a David al día siguiente, me moría por saber cómo se había desarrollado
la conversación, y así se lo pregunté. David me miró un tanto avergonzado y me
dijo: «Me ha disuadido de todo. Estoy de nuevo donde estaba antes de escribir
el libro». Desde entonces, y durante más de cuarenta años, David intentó
reformular y reinterpretar la mecánica cuántica para superar sus dudas. Hace
muy poco me enteré, con gran pesar, de que había muerto.
El experimento EPRB
Hace muchos años, David Bohm propuso sustituir el
hipotético experimento de «completitud» de Einstein, Podolsky y Rosen (que no
hace falta describir aquí) por una versión modificada, más práctica. El
experimento de Bohm (llamado EPRB en honor a los cuatro físicos) implica la
desintegración de una partícula en dos fotones. Si la partícula está
inicialmente en reposo y no tiene «espín» intrínseco, los dos fotones
producidos viajan en direcciones opuestas, poseen la misma masa y tienen
idéntica polarización. Si uno de los fotones tiene una polarización circular
levógira (es decir, «gira» hacia la izquierda), el otro está en el mismo
estado, y lo mismo ocurre con la polarización dextrógira. Si uno está
polarizado linealmente (es decir, su campo eléctrico oscila según un cierto
eje) entonces también lo está el otro.
Se asume que todo está dispuesto de manera que nada
perturba a los fotones hasta que penetran en un detector. Si se mide la
polarización circular de uno de los fotones, se conoce también la polarización
del otro —es la misma—. Análogamente, si se mide el plano de polarización de un
fotón, se conoce igualmente el del otro —de nuevo el mismo—. La condición de
completitud de Einstein implicaría que se puede asociar un valor definido a la
polarización plana o circular del segundo fotón. Pero no se puede determinar
simultáneamente la polarización plana y la polarización circular de un fotón
(no más que la posición y el momento de una partícula). En consecuencia, el
requerimiento de completitud tampoco es razonable en este caso desde el punto
de vista de la mecánica cuántica. Las dos medidas, una de la polarización plana
y otra de la circular, son alternativas; tienen lugar en ramas diferentes de la
historia y no hay razón para considerar los resultados de ambas a la vez.
EPRB y la alternativa de las variables ocultas
Más tarde, los trabajos de John Bell demostraron
que el experimento EPRB podía emplearse para distinguir la mecánica cuántica de
las hipotéticas teorías de variables ocultas, a través de ciertas medidas de la
polarización de ambos fotones. El teorema de Bell (también conocido como
desigualdades de Bell) se refiere a una magnitud particular que especifica la
correlación entre las polarizaciones de ambos fotones. En mecánica cuántica,
esta cantidad puede tomar valores no permitidos en una teoría clásica de variables
ocultas.
Tras la publicación de la obra de Bell, varios
equipos de físicos experimentales realizaron el experimento EPRB. Los
resultados fueron esperados con ansiedad, pese a que virtualmente todos los
físicos apostaban por la corrección de la mecánica cuántica; las experiencias
acabaron dándoles la razón. Uno podría haber esperado que la gente de todo el
mundo interesada en el tema soltase un suspiro de alivio al oír las noticias,
para luego seguir con su vida normal. En vez de eso, empezó a propagarse una
ola de artículos alegando que la mecánica cuántica había demostrado tener
propiedades fantásticas e inquietantes. Por supuesto, se trataba de la misma
mecánica cuántica de siempre. No había nada nuevo, salvo su confirmación y la
subsiguiente verborrea desbordada.
La historia distorsionada
La principal distorsión diseminada por los medios
de comunicación y por varios libros fue la implicación, incluso la afirmación
taxativa, de que el medir la polarización, plana o circular, de uno de los
fotones afectaba de alguna manera al otro fotón. En realidad, la medida no
causa la propagación de ningún efecto físico de un fotón al otro. ¿Qué es lo
que ocurre entonces? Si, sobre una particular rama de la historia, se mide la
polarización plana de uno de los fotones y se especifica así con certeza, entonces,
sobre la misma rama de la historia, la polarización plana del otro fotón queda
igualmente especificada con total certidumbre. En una rama diferente de la
historia puede especificarse la polarización circular de uno de los fotones, en
cuyo caso queda especificada con certeza la polarización circular de ambos
fotones. En cada rama la situación es similar a la de los calcetines de
Bertlmann, descrita por John Bell en uno de sus artículos. Bertlmann es un
matemático que siempre lleva un calcetín de color rosa y otro de color verde.
Si se le mira un pie y se ve un calcetín verde, se sabe inmediatamente que en
el otro pie lleva uno rosa. Y, sin embargo, no se ha propagado ninguna señal de
un pie al otro. Tampoco viaja ninguna señal de un fotón a otro en el experimento
que confirma la mecánica cuántica. No se produce ninguna acción a distancia.
La falsa afirmación de que la medida de uno de los
fotones afecta instantáneamente al otro conduce a toda clase de conclusiones
desafortunadas. En primer lugar, el efecto alegado, al ser instantáneo, viola
el requerimiento de la teoría de la relatividad de que ninguna señal —ningún
efecto físico— puede viajar a una velocidad mayor que la de la luz. Si una
señal pudiese viajar a una velocidad superior, habría observadores en
determinados estados de movimiento que la verían propagándose hacia atrás en el
tiempo. De aquí el ripio:
Había una señorita llamada Resplandor
Que podía viajar más deprisa que la luz.
Un día partió por una ruta relativa,
Y regresó a casa la noche anterior
Después, ciertos escritores han afirmado que la
mecánica cuántica podría dar cabida a fenómenos «paranormales» como la
precognición, en que se supone que individuos «psíquicos» pueden conocer de
antemano el resultado de procesos aleatorios. Es innecesario decir que estos
supuestos fenómenos resultan tan molestos para la mecánica cuántica como para
la física clásica; si resultaran ser verdaderos, su explicación requeriría una
total reformulación de las leyes de la naturaleza tal como las conocemos ahora.
Otro producto de la verborrea es la presentación de
propuestas, dirigidas por ejemplo al Departamento de Defensa de los Estados
Unidos, para aplicar la mecánica cuántica al diseño de sistemas de comunicación
militares más rápidos que la luz. Uno se pregunta si el advenimiento de esta
nueva categoría de proyectos estrafalarios no representará el declive de otros
más antiguos, como la antigravedad o el movimiento perpetuo. Si no es así, la
burocracia que se encarga de ellos deberá emplear más personal.
Aplicaciones potenciales serias del efecto EPRB
Mientras tanto, investigadores serios han comenzado
a pensar en las posibles aplicaciones del efecto EPRB. En lugar de ideas
estrafalarias, se están considerando aplicaciones potenciales fascinantes. Por
ejemplo, Charlie Bennett, Gilíes Brassard y Arthur Ekert han estado
desarrollando una forma de criptografía cuántica en la que el efecto EPRB se
emplea reiteradamente para generar una cadena aleatoria de bits conocida por
dos personas y por nadie más. Esta cadena se puede usar como base de un cifrado
impenetrable para transmitirse mensajes secretos entre ambas.
El método funciona más o menos de la siguiente
forma. Supongamos que Alice y Bob disponen de un suministro estable de pares de
fotones EPRB. De cada par, un fotón llega a Alice y otro a Bob.
Previamente acuerdan hacer una larga serie de
medidas de la polarización plana de sus fotones respectivos, distinguiendo la
mitad de las veces entre dos direcciones perpendiculares, llamadas x e y,
y la otra mitad entre otras dos direcciones perpendiculares (en medio de x e y),
llamadas X e Y. (Los ejes X e Y se
obtienen girando 45° los ejes x e y, como muestra
la ilustración de la Figura 11). Para cada uno de sus fotones, Alice elige al
azar si medirá su polarización respecto a los ejes x e y o
respecto a los ejes X e Y. Bob por su parte
hace lo mismo.
Figura 11. Ejes de polarización usados en criptografía cuántica
Una vez han terminado, Alice comunica a Bob la
clase de medidas que ha hecho en cada uno de sus fotones, x e y o X e
Y, y Bob da a Alice la misma información (la conversación puede hacerse en un
teléfono público intervenido por espías sin ningún problema). De esta manera
averiguan cuándo hicieron ambos el mismo tipo de medida (lo que habrá sucedido
más o menos la mitad de las veces). Para cada medida común, los resultados
obtenidos por Alice y Bob deben ser idénticos, a causa del efecto EPRB. Los
resultados de esas medidas comunes son conocidos por ambos y por ninguna otra
persona (asumiendo que cada uno hizo las medidas en secreto y que no divulgó
nada). Estos resultados se pueden representar por una cadena de unos
(correspondiente a x o X) y de ceros
(correspondiente a y o Y), conocida sólo por
Alice y Bob. Esta cadena puede servir como base de un código secreto
indescifrable que pueden usar entre ellos.
Si Alice y Bob están especialmente preocupados por
la seguridad, pueden emplear los resultados de algunas de las medidas comunes
para comprobar, a través de una línea telefónica abierta, que los unos y ceros
correspondientes son ciertamente idénticos (dejando el resto de la cadena para
sus mensajes secretos). Un espía que de alguna manera hubiese realizado sus
propias medidas sobre los fotones habría destruido la perfecta concordancia
entre los resultados de Alice y Bob. La comparación entre algunas de las medidas
revelaría la presencia del espía.
En realidad la criptografía cuántica no requiere el
efecto EPRB. Por ello, un grupo de seis físicos (entre ellos el propio Bennett)
ha inventado un ingenioso procedimiento, en el que el efecto EPRB es esencial,
consistente en destruir un fotón y crear otro en el mismo estado de
polarización pero en otra parte (es decir, con una distribución de probabilidad
en el espacio diferente).
A medida que hemos ido sabiendo más cosas sobre las
partículas elementales, se ha puesto de manifiesto la notable interrelación
entre la aparente complejidad revelada por los experimentos y la simplificación
lograda por la teoría. El descubrimiento de gran número de partículas
diferentes y de las diversas interacciones entre ellas ha reforzado la
impresión de que la física de partículas es complicada. Al mismo tiempo, desde
la perspectiva teórica, los progresos en la unificación de la descripción de
las partículas y sus interacciones han mostrado su simplicidad subyacente.
Aunque la física de las partículas elementales tiene menos de un siglo de edad,
quizá hayamos alcanzado ya una fase en que su unidad haya comenzado a revelarse
en la forma de un principio único, del cual se espera que pueda predecir la
existencia de la diversidad de partículas elementales observadas.
Capítulo 13
Quarks y todo lo demás: El modelo estándar
Toda teoría respetable sobre las partículas
elementales se desarrolla dentro del marco de la teoría cuántica de campos, que
incluye tanto el modelo estándar como la teoría de supercuerdas. La teoría
cuántica de campos está basada en tres supuestos fundamentales: la validez de
la mecánica cuántica, la validez del principio de relatividad de Einstein (la
relatividad especial cuando no se incluye la gravedad, y la relatividad general
en caso contrario) y la localidad (es decir, todas las fuerzas fundamentales surgen
de procesos locales y no de la acción a distancia). Esos procesos locales
incluyen la emisión y absorción de partículas.
Electrodinámica cuántica (QED)
El primer ejemplo satisfactorio de una teoría
cuántica de campos fue la electrodinámica cuántica (también conocida por las
siglas QED, del inglés quantum electrodynamics), la teoría del
electrón y el fotón. El electrón es un fermión (esto es, obedece el principio
de exclusión de Pauli) y posee una unidad fundamental de carga eléctrica
(denominada «negativa», según un criterio que data de Benjamín Franklin). El
fotón es un bosón (en otras palabras, obedece el principio de antiexclusión) y
es eléctricamente neutro.
En el marco de la electrodinámica cuántica, la
fuerza electromagnética entre dos electrones surge de la emisión de un fotón
por una de las partículas y su absorción por la otra. Si uno sabe algo de
física clásica, puede objetar que un electrón que emita un fotón (es decir, que
se transforme en un electrón más un fotón) viola el principio de conservación
de la energía, el de conservación del momento, o ambos a la vez; lo mismo
ocurre con la absorción del fotón. Pero si uno conoce un poco de física cuántica,
probablemente sabrá que la conservación de la energía no rige en intervalos
finitos de tiempo, sino sólo a largo plazo. Esta propiedad de la mecánica
cuántica es una manifestación del principio de incertidumbre de Heisenberg
aplicado a la energía y el tiempo. El sistema puede tomar prestado por un
momento un poco de energía para permitir que el primer electrón emita un fotón,
energía que será devuelta cuando el otro electrón lo absorba. Este proceso se
conoce como intercambio «virtual» de un fotón entre dos electrones. El fotón es
emitido y absorbido sólo en el sentido peculiar de la mecánica cuántica.
En cualquier teoría cuántica de campos se pueden
trazar unos graciosos dibujos, inventados por mi antiguo colega Dick Feynman,
que nos dan una idea ilusoria de lo que pasa. En el de la Figura 12, dos
electrones intercambian un fotón virtual que mediatiza la interacción
electromagnética entre ellos. Cada electrón se indica por una «e» con un signo
menos que indica una unidad de carga eléctrica negativa. El fotón lleva un cero
como superíndice, lo que indica que es eléctricamente neutro. Una «e» con un signo
más representaría el positrón, la antipartícula del electrón. Pero ¿qué es una
antipartícula?
Figura 12. Dos electrones intercambian un fotón virtual, lo que da lugar a
la tuerca electromagnética entre ellos
La simetría partícula-antipartícula
La teoría cuántica de campos implica una simetría
fundamental entre las partículas elementales y sus «antipartículas». Para cada
partícula hay una antipartícula correspondiente, que se comporta como una
partícula moviéndose hacia atrás en el espacio y en el tiempo. La antipartícula
de la antipartícula es la propia partícula. Si dos partículas son cada una
antipartícula de la otra, entonces poseen cargas eléctricas opuestas (cargas de
la misma magnitud pero de signo contrario) y la misma masa. La antipartícula
del electrón recibe el nombre de positrón por su carga positiva. Algunas
partículas eléctricamente neutras, como el fotón, son sus propias
antipartículas.
Cuando Dirac publicó su ecuación relativista para
el electrón en 1928, abrió las puertas para el desarrollo posterior de la
electrodinámica cuántica. La interpretación de la ecuación de Dirac apuntaba la
necesidad de la existencia del positrón, pero inicialmente Dirac no la predijo.
En vez de eso, señaló que aquel esperado objeto de carga positiva debía
identificarse de alguna manera con el protón, bien conocido experimentalmente,
aunque dos mil veces más pesado que el electrón (del cual se diferencia también
en otros aspectos fundamentales). Décadas después, cuando pregunté a Dirac por
qué no había predicho inmediatamente el positrón, me replicó con su habitual
tono lacónico: «Pura cobardía». El descubrimiento se dejó en manos de los
experimentadores. El positrón se reveló en 1932 en los laboratorios de mi
antiguo colega Carl Anderson, en Caltech, y de Patrick Blackett, en Inglaterra.
Ambos compartieron el Premio Nobel de Física pocos años después. Sus
experimentos establecieron que la simetría partícula-antipartícula propia de la
teoría cuántica de campos es un fenómeno real.
El modelo estándar puede considerarse en gran
medida como una generalización de la electrodinámica cuántica. El electrón y el
positrón se suplementan con otros muchos pares fermiónicos
partícula-antipartícula, y los fotones con otros cuantos. Así como el fotón es
el cuanto o portador de la fuerza electromagnética, los otros cuantos son los
mediadores de otras fuerzas fundamentales.
Quarks
Durante mucho tiempo se pensó que los compañeros
del electrón en la lista de fermiones fundamentales serían únicamente el protón
y el neutrón, los constituyentes del núcleo atómico. Pero esto resultó ser
falso: el neutrón y el protón no son elementales. También en otras ocasiones
los físicos han descubierto que objetos que originalmente se creían
fundamentales estaban compuestos de partes más simples. Las moléculas están
formadas por átomos. Los átomos, pese a que su nombre procede de la palabra
griega que significa «indivisible», están formados por un núcleo con electrones
en torno a él. Los núcleos están compuestos a su vez por protones y neutrones,
como se comenzó a vislumbrar en 1932 con el descubrimiento del neutrón. Ahora
sabemos que protones y neutrones son también entidades compuestas: están
formados por quarks. Los teóricos están ahora seguros de que los quarks son los
análogos de los electrones. (Si los quarks resultan estar compuestos por
entidades menores, cosa que hoy parece poco probable, entonces el electrón
también tendría que estarlo.)
En 1963, cuando bauticé con el nombre de «quark» a
los constituyentes elementales de los nucleones, partí de un sonido que no se
escribía de esa forma, algo parecido a «cuorc». Entonces, en una de mis
lecturas ocasionales de Finnegans Wake, de James Joyce,
descubrí la palabra «quark» en la frase «Tres quarks para Muster Mark». Dado
que «quark» (que se aplica más que nada al grito de una gaviota) estaba para
rimar con «Mark», tenía que buscar alguna excusa para pronunciarlo como «cuorc».
Pero el libro narra los sueños de un tabernero llamado Humphrey Chipmden
Earwicker. Las palabras del texto suelen proceder simultáneamente de varias
fuentes, como las «palabras híbridas» en A través del espejo, de
Lewis Carroll. De vez en cuando aparecen frases parcialmente determinadas por
la jerga de los bares. Razoné, por tanto, que tal vez una de las fuentes de la
expresión «Tres quarks para Muster Mark» podría ser «Tres cuartos para Mister
Mark» (cuarto en inglés es quart) en cuyo caso la
pronunciación «cuorc» no estaría totalmente injustificada. En cualquier caso,
el número tres encajaba perfectamente con el número de quarks presentes en la
naturaleza.
La receta para elaborar un neutrón o un protón a
partir de quarks es, más o menos, «mezclar tres quarks». El protón está
compuesto de dos quarks u [de up, «arriba»] y
un quark d [de down, «abajo»], mientras que
el neutrón lo componen dos quarks d y un quark u.
Los quarks u y d poseen diferente carga
eléctrica. En las mismas unidades en que el electrón tiene carga -1, el protón
tiene carga +1 y el neutrón carga nula. En estas mismas unidades, el
quark u tiene carga 2/3 y el quark d -1/3. Si
sumamos 2/3, 2/3 y -1/3, obtenemos la carga del protón, +1; y si sumamos -1/3,
-1/3 y 2/3, obtenemos 0, la carga del neutrón.
Se dice que u y d son
diferentes «sabores» de quark. Además del sabor, los quarks tienen otra
propiedad aún más importante llamada «color», aunque no tiene que ver con los
colores reales más que el sabor en este contexto con el sabor de un helado.
Aunque el término «color» es más que nada un nombre gracioso, sirve también
como metáfora. Hay tres colores, denominados rojo, verde y azul a semejanza de
los tres colores básicos en una teoría simple de la visión humana del color (en
el caso de la pintura, los tres colores primarios suelen ser el rojo, el
amarillo y el azul, pero para mezclar luces en vez de pigmentos, el amarillo se
sustituye por el verde). La receta para un neutrón o un protón consiste en
tomar un quark de cada color, es decir, uno rojo, uno verde y uno azul, de modo
que la suma de colores se anule. Como en la visión el color blanco se puede
considerar una mezcla de rojo, verde y azul, podemos decir metafóricamente que
el neutrón y el protón son blancos.
Quarks confinados
Los quarks poseen la notable propiedad de estar
permanentemente atrapados dentro de partículas «blancas» como el protón y el
neutrón. Sólo las partículas blancas son directamente observables en el
laboratorio. En éstas el color se promedia y cancela, y sólo en su interior
pueden existir objetos coloreados. De la misma forma, la carga eléctrica de un
objeto observable es siempre un número entero (como 0, 1, -1 o 2), y las
partículas con carga fraccionaria sólo pueden existir en su interior.
Cuando propuse la existencia de los quarks, creía
desde el principio que estarían permanentemente confinados de alguna manera. Me
refería a ellos como entes «matemáticos», explicando cuidadosamente qué quería
decir con eso y contrastándolo con lo que yo llamaba «quarks reales»,
susceptibles de emerger y ser detectados como entidades singulares. La razón
para esta elección de lenguaje era que no tenía ganas de entablar discusiones
con críticos de inclinación filosófica que me exigiesen explicar cómo podía calificar
de «reales» a los quarks si siempre estaban ocultos. La terminología se
demostró, no obstante, desafortunada. Muchos autores, ignorando mi explicación
de los términos «matemático» y «real», así como el hecho de que la situación
que yo describía es la que actualmente se considera correcta, han afirmado que
yo en realidad no creía en la presencia física de los quarks. Una vez que un
malentendido como éste queda establecido en la literatura popular tiende a
perpetuarse, porque los escritores muchas veces se limitan a copiarse entre sí.
Gluones coloreados
Para que los quarks permanezcan confinados, deben
existir fuerzas entre ellos muy diferentes de las electromagnéticas u otras
fuerzas familiares. ¿De dónde surge esta diferencia?
Así como la fuerza electromagnética entre
electrones está mediatizada por el intercambio virtual de fotones, los quarks
están ligados entre sí por una fuerza que surge del intercambio de otros
cuantos: los gluones (del inglés glue, pegar), llamados así
porque hacen que los quarks se peguen formando objetos observables blancos como
el protón y el neutrón. Los gluones son indiferentes al sabor —podríamos decir
que no tienen sentido del gusto—. En cambio, son muy sensibles al color. De
hecho, el color juega el mismo papel para ellos que la carga eléctrica para los
fotones: los gluones interaccionan con el color de modo muy parecido a como el
fotón interacciona con la carga eléctrica.
La triple naturaleza del color requiere de los
gluones una propiedad que no comparten con el fotón: existen diferentes gluones
para las diferentes interacciones de color. En los diagramas de la Figura 13 se
muestra a la izquierda un quark rojo que se convierte en azul emitiendo un
gluón virtual rojo-azul, el cual es absorbido por un quark azul que se
convierte a su vez en rojo. El diagrama de la derecha muestra otra situación en
la que un quark azul se convierte en uno verde, emitiendo un gluón virtual azul-verde
que es absorbido por un quark verde, el cual se transforma en un quark azul. (A
propósito, nótese que la antipartícula de un gluón es también un gluón; por
ejemplo, los gluones azul-verde y verde-azul son cada uno la antipartícula del
otro.) Los sabores se han elegido diferentes en uno y otro diagrama para
ilustrar el carácter irrelevante del sabor en los procesos de color
mediatizados por gluones.
Figura 13. Fuerzas entre quarks a partir del intercambio de gluones
virtuales
Cromodinámica cuántica
Hacia 1972, algunos de nosotros contribuimos a la
formulación de una teoría cuántica de campos definida para quarks y gluones. La
denominé cromodinámica cuántica, empleando la raíz griega chromos (color).
Parece que es la teoría correcta y como tal se la reconoce por lo general,
aunque todavía queda mucho trabajo matemático por hacer antes de que podamos
asegurar que sus detalladas predicciones cuantitativas están de acuerdo con la
experiencia, confirmándose así que los quarks, antiquarks y gluones (los componentes
de todos los objetos nucleares, como el neutrón y el protón) se comportan
realmente según las leyes de la cromodinámica cuántica.
Para comparar la electrodinámica cuántica (QED) con
la cromodinámica cuántica (QCD, del inglés quantum chromodynamics) podemos
elaborar una especie de diccionario como el que se muestra en la Figura 14. En
la QED, electrones y positrones interactúan a través del intercambio de fotones
virtuales, mientras que en la QCD quarks y antiquarks lo hacen intercambiando
gluones virtuales. La fuerza electromagnética surge de las cargas eléctricas;
podemos pensar que la fuerza de color surge de cargas de color. Tanto la carga
eléctrica como la de color son magnitudes perfectamente conservadas —la carga
de color, como la carga eléctrica, no puede crearse ni destruirse.
No obstante, existe una diferencia crucial entre
ambas teorías: en la QED, el fotón, mediador de la interacción
electromagnética, es eléctricamente neutro, mientras que en la QCD los gluones,
que mediatizan la fuerza de color, están a su vez coloreados. Esto hace que
interactúen entre sí de una manera imposible para los fotones, lo que da como
resultado la aparición de términos en las ecuaciones de la QCD que no tienen
análogo en la QED. La fuerza de color se comporta de manera muy distinta a la
electromagnética o cualquier otra fuerza antes conocida: no se desvanece a
largas distancias. Esta propiedad explica por qué quarks, antiquarks y gluones
coloreados se encuentran permanentemente confinados en el interior de objetos
blancos como el neutrón y el protón. La fuerza de color actúa como una especie
de resorte que los mantiene unidos.
Pese a que los quarks están eternamente confinados
y no pueden detectarse directamente en el laboratorio, se han realizado
elegantes experimentos que han confirmado su existencia. Por ejemplo, se puede
usar un haz de electrones energéticos para hacer una especie de micrografía
electrónica del interior del protón; se ha revelado así la estructura de quarks
que esconde. Me sentí encantado cuando mis colegas Dick Taylor, Henry Kendall y
Jerry Friedman compartieron el Premio Nobel de Física por este experimento. (Me
hubiese gustado haberme dado cuenta antes de que éste era un buen método para
confirmar la existencia de los quarks.)
La simplicidad revelada por la QCD
Dentro del núcleo atómico, neutrones y protones se
encuentran ligados (a diferencia de los quarks, no están confinados y pueden
extraerse individualmente). Ahora que se sabe que estas partículas están
compuestas por quarks, ¿cómo se describen las fuerzas nucleares entre ellas?
Cuando era estudiante graduado, uno de los grandes misterios que esperábamos
resolver algún día era el carácter de esas fuerzas. La mayoría de teóricos
piensa hoy día que la QCD proporciona la solución del problema, aunque ni de lejos
están resueltos todos los cálculos relevantes. La situación es análoga a la de
las fuerzas entre átomos o moléculas, explicadas a finales de los años veinte
tras el descubrimiento de la mecánica cuántica. Tales fuerzas no son en
absoluto fundamentales, sino una consecuencia indirecta del tratamiento
cuántico de la fuerza electromagnética. Análogamente, la fuerza nuclear no es
fundamental, sino que surge como efecto secundario de la fuerza de color, que a
su vez procede de la interacción entre quarks y gluones.
Figura 14. Comparación entre la QED y la QCD. Los quarks y antiquarks se
asocian con el fotón a través de su carga eléctrica, pero el electrón y el
positrón no se asocian con los gluones
El protón y el neutrón no son las únicas partículas
blancas observables, aunque sí las más conocidas. Cientos de partículas
nucleares diferentes han sido descubiertas desde finales de los años cuarenta
en colisiones de alta energía, primero en los experimentos con rayos cósmicos y
más tarde en los aceleradores de partículas. Todas ellas han sido explicadas
como combinaciones de quarks, antiquarks y gluones. El esquema de los quarks,
incorporado dentro de una teoría dinámica explícita como la cromodinámica cuántica,
ha revelado la simplicidad subyacente en el aparentemente complicado cuadro de
partículas. Por otra parte, todas estas partículas interaccionan entre sí a
través de la «interacción fuerte», que incluye la fuerza nuclear. Se piensa que
las muchas manifestaciones de la interacción fuerte se pueden describir como
consecuencia indirecta de la interacción fundamental quark-gluón. La
cromodinámica cuántica ha revelado la simplicidad de la interacción fuerte, así
como la simplicidad de las partículas nucleares que son los actores de dicha
interacción.
Electrón y neutrino electrónico: La fuerza débil
Las partículas nucleares y sus constituyentes
fundamentales no son lo único importante. El electrón, por ejemplo, no posee
color y no percibe la fuerza de color ni la fuerza nuclear resultante. De
hecho, en un átomo pesado los electrones interiores pasan la mayor parte del
tiempo dentro del núcleo sin reaccionar a la fuerza nuclear, aunque
naturalmente sí son susceptibles a efectos electromagnéticos tales como la
atracción eléctrica de los protones.
Pese a que el electrón no tiene color, posee sabor.
Así como el quark d tiene al quark u como
compañero de color, el electrón tiene por compañero al neutrino electrónico. El
neutrino electrónico es una especie de compañero silencioso porque, al ser
eléctricamente neutro, ignora no sólo la fuerza nuclear (lo mismo que el
electrón), sino también la fuerza electromagnética. Es muy probable, por
ejemplo, que atraviese la Tierra sin interaccionar con partícula alguna. Los
neutrinos producidos en las reacciones termonucleares que tienen lugar en el
interior del Sol llueven sobre nosotros durante el día, pero también nos
alcanzan durante la noche atravesando todo el planeta. Cuando el escritor John
Updike conoció este aspecto del comportamiento de los neutrinos, compuso el
siguiente poema, titulado «Descaro cósmico»:
Los neutrinos son muy pequeños.
No tienen carga ni masa
Y no interaccionan en absoluto.
La Tierra es sólo una tonta pelota
Para ellos, que la atraviesan como si nada.
Como una doncella por un salón impoluto,
O como fotones por una lámina de cristal,
Desprecian el gas más exquisito,
Ignoran la pared más sustancial.
Hombros de acero, latón resonante,
Insultan al semental en su establo,
Y, burlándose de las barreras entre clases,
¡Se infiltran en ti y en mí!
Como altas E indoloras guillotinas, caen
Sobre nuestras cabezas en la hierba.
Por la noche, entran en Nepal
Y traspasan al amante y a su amada Desde debajo de la cama
—dices que es Maravilloso, yo digo que es craso.
(Resulta tentador permitirse una licencia
científica y sustituir en la tercera línea «no» por «apenas».)
Desafortunadamente, la detección de neutrinos
solares está plagada de dificultades. El porcentaje de detecciones parece ser
menor que el predicho, lo que induce a los físicos a proponer explicaciones con
diversos grados de plausibilidad. Mi colega Willy Fowler llegó a sugerir que
tal vez el horno nuclear del interior del Sol se apagó hace tiempo, pero que
los mecanismos de transferencia de energía en el Sol son tan lentos que la mala
nueva todavía no ha alcanzado la superficie. Poca gente cree que sea ésta la
explicación correcta, pero si es así, ciertamente nos espera una auténtica
crisis energética.
¿Cómo se producen los neutrinos en el interior del
Sol y cómo pueden detectarse en los laboratorios aquí en la Tierra, si no están
sujetos ni a la fuerza nuclear fuerte ni a la electromagnética?
La responsable es la denominada fuerza débil. El
neutrino electrónico participa en esta interacción, junto con el electrón. De
aquí la revisión sugerida de la frase de John Updike «no interaccionan en
absoluto».
La interacción débil produce reacciones como las
siguientes:
1. Un electrón se transforma en un neutrino
electrónico, mientras que un protón se convierte en un neutrón. Esta reacción
es un ejemplo de producción de neutrinos; el protón involucrado forma parte de
un núcleo pesado y el electrón es uno de los más internos que orbitan alrededor
de ese núcleo, dentro del cual pasa una parte apreciable del tiempo.
2. El proceso inverso, en el cual un neutrino
electrónico se transforma en un electrón, mientras que un neutrón se convierte
en un protón. Esta reacción ilustra un mecanismo de detección de neutrinos, en
el que el neutrón está situado dentro de un núcleo.
Figura 15. Un electrón se transforma en un neutrino electrónico a la vez que
un quaric u se convierte en un quaric d. Dos versiones del mismo diagrama de
Feynman
No obstante, dado que ni el neutrón ni el protón
son elementales, estas reacciones no son procesos básicos. Los auténticos
procesos básicos, en los que intervienen quarks, son:
1. Un electrón se transforma en un neutrino
electrónico mientras que un quark u se convierte en un
quark d.
2. Un neutrino electrónico se convierte en un
electrón, al tiempo que un quark d pasa a ser un quark u.
Estas reacciones implican un cambio de sabor, tanto
por parte del electrón que se transforma en neutrino electrónico (o viceversa)
como del quark u que se convierte en quark d (o
viceversa). Como en cualquier proceso descrito por una teoría cuántica de
campos, se produce el intercambio de un cuanto. Para cada una de estas
reacciones (la primera de las cuales está ilustrada en la Figura 15) hay dos
versiones posibles del mismo diagrama de Feynman, una en la que se intercambia
un cuanto cargado positivamente y otra en la que se intercambia un cuanto de
carga negativa. La existencia de estos cuantos fue propuesta por algunos de
nosotros a finales de los cincuenta, y veinticinco años después fueron
descubiertos en el CERN, en los experimentos que proporcionaron el Premio Nobel
a Carlo Rubbia y Simon Van de Meer. Suelen denotarse por W y W,
como fueron designados por T. D. Lee y C. N. Yang en un célebre artículo,
aunque a menudo se les denota por XX y X-, como
acostumbramos Dick Feynman y yo.
Figura 16. Dispersión de un neutrino electrónico en un quaric d
Dinámica cuántica del sabor y corrientes neutras
Tanto el electromagnetismo como las interacciones
débiles pueden considerarse fuerzas de sabor, dado que la carga eléctrica varía
con el sabor y las fuerzas débiles tienen que ver con cambios de sabor. Durante
los años cincuenta y sesenta se formuló una especie de dinámica cuántica del
sabor, que incorporaba el electromagnetismo y una teoría de las interacciones
débiles. La dinámica cuántica del sabor (asociada especialmente con los nombres
de Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam) predijo, entre otras cosas,
la existencia de una nueva fuerza de sabor que causa la dispersión de los
neutrinos electrónicos por parte de protones o neutrones, sin ningún cambio de
sabor.
En términos de quarks, esta nueva fuerza causa la
dispersión de los neutrinos electrónicos frente a quarks u y
d, de nuevo sin cambio de sabor La dispersión tiene lugar a través del
intercambio de un nuevo cuanto eléctricamente neutro, denotado por ZZ como
se ilustra en la página anterior. La existencia de este cuanto fue confirmada
de nuevo por Rubbia, Van der Meer y sus colegas.
Familias de fermiones
El diagrama de la Figura 17 resume todo lo dicho
sobre partículas y fuerzas. Existe una familia fermiónica compuesta por el
electrón y el neutrino electrónico y dos sabores de quarks con tres colores; la
antifamilia correspondiente consta del positrón y el antineutrino electrónico y
de dos sabores de antiquarks de tres colores. Asociados a la variable color
(inexistente en el electrón y su neutrino, y en las antipartículas de éstos)
encontramos los gluones de la cromodinámica cuántica. Asociados a la variable
sabor, existente en toda la familia y en su antifamilia, están los cuatro
cuantos de la dinámica cuántica del sabor.
Esta familia fermiónica no es única. Existen otras
dos familias de estructura muy similar. Cada una consiste en una partícula
similar al electrón, su correspondiente neutrino y dos sabores de quarks con
cargas eléctricas -1/3 y 2/3, como los quarks u y d.
La partícula análoga al electrón de la segunda
familia es el muón, descubierto en 1937 por Carl Anderson y Seth Neddermeyer en
Caltech. Es una versión pesada del electrón, con una masa unas cien veces
mayor, y posee su propio neutrino —el neutrino muónico—. Los quarks de esta
segunda familia fermiónica son el s (de strange, «extraño»,
análogo al d) y el c (o charmed, «encantado»,
análogo al u). Como el muón, son más pesados que sus contrapartidas en la
primera familia.
Se conoce también una tercera familia fermiónica,
que incluye el leptón tau o tauón (veinte veces más pesado que el muón), el
neutrino tauónico, el quark b (de bottom, «base»),
con carga -1/3 y el quark t (de top, «techo»),
de carga +2/3, detectado muy recientemente. Si los experimentadores no
confirman la masa aproximada predicha para el quark t, los teóricos deberemos
«clavarnos nuestras estilográficas», como solía decir mi antiguo colega Marvin
«Murph» Goldberger. Menos mal que las estilográficas son raras hoy en día.
Además, el antiguo héroe romano que quería suicidarse después de una derrota
siempre tenía al lado un criado fiel para detener la espada —no está claro que
una estilográfica pueda ser detenida con la suficiente firmeza por un
estudiante.
Figura 17. Partículas elementales e interacciones presentadas hasta ahora.
(Para más simplicidad se han omitido las antipartículas de los fermiones)
¿Es posible que haya más familias fermiónicas
además de las tres conocidas? Recientes experimentos sobre la desintegración
del cuanto ZZ han arrojado algo de luz sobre esta cuestión.
Los resultados concordaban con las predicciones teóricas, que permitían la
desintegración del ZZ en tres clases de pares
neutrino-antineutrino correspondientes precisamente a los neutrinos
electrónico, muónico y tauónico. No hay lugar para una cuarta clase de
neutrino, a menos que, a diferencia de los otros tres, tenga una masa
gigantesca. Una cuarta familia queda excluida, salvo que su neutrino sea muy
diferente de los demás.
Con las tres familias de fermiones, sus
antipartículas y los cuantos de las interacciones electromagnética, débil y
gluónica, hemos llegado casi al final de nuestra descripción del modelo
estándar, y todavía sigue siendo una extensión trivial de la QED. El fotón está
acompañado por otros cuantos y el electrón por otros fermiones. El cuadro
general de cuantos y fermiones, incluyendo sus masas y la intensidad de las
fuerzas mediatizadas por los cuantos, muestra cierta complejidad aparente. Pero
el modelo estándar no es todavía la teoría fundamental, y sólo en el nivel más
fundamental puede revelarse la simplicidad de la teoría subyacente.
La aproximación de masa nula
Una manera de poner de manifiesto la simplicidad
del modelo estándar es considerar la aproximación en que a todas las partículas
hasta ahora mencionadas se les asigna masa nula, lo que implica que se mueven
siempre a la velocidad de la luz y no pueden estar nunca en reposo. Cuando los
cuantos de la fuerza débil se tratan como partículas sin masa, se hace
manifiesta la similitud entre las tres interacciones. La dinámica cuántica del
sabor y la cromodinámica cuántica tienen una estructura matemática semejante;
ambas pertenecen a la misma clase de teorías: las llamadas teorías gauge o de
Yang-Mills (como propusimos Shelly Glashow y yo hace años).
Cuando también se asigna masa nula a los fermiones,
aparecen muchas simetrías. En particular, las tres familias fermiónicas
comparten idénticas propiedades.
La cuestión que surge inmediatamente es cómo se
rompe la aproximación de masa nula. Pero antes de describir el mecanismo que
induce la existencia de masas no nulas, echemos un vistazo a las masas reales.
Masas (o energías) grandes y pequeñas
Cuando operamos con masas y energías, es esencial
tener en cuenta la célebre relación de Einstein que establece que una partícula
de masa en reposo no nula posee una energía igual a su masa por el cuadrado de
c, donde c es la velocidad de la luz. Esta equivalencia entre
masa en reposo y energía puede servir para asignar una energía equivalente a
cualquier masa. Las masas del protón y el neutrón, una vez convertidas en
energía, se acercan a un gigaelectronvoltio (GeV). El prefijo giga- indica
mil millones; un GeV es la energía que tendría un electrón acelerado por una
diferencia de potencial de mil millones de voltios. Ésta es una unidad
conveniente para medir la energía equivalente a la masa de las partículas
subatómicas.
Las masas no nulas de las partículas elementales
del modelo estándar son en su mayoría muy distintas unas de otras. La masa del
electrón es de unas cinco diezmilésimas de GeV. La masa del neutrino, caso de
que posea, es del orden de una cienmillonésima de GeV. La masa del tauón es de
unos 2 GeV. Los bosones X+ y Z0 tienen masas cercanas a 100
GeV. El quark t, el más pesado, tiene una masa estimada de unos 170 GeV. T odas
estas masas violan la simetría propia de la aproximación de masa nula.
Violación espontánea de simetría
¿Cuál es el origen de estas masas no nulas, tan
diferentes unas de otras? El mecanismo que opera en el modelo estándar ha sido
comprendido al menos en parte. Tiene que ver con la existencia de una nueva
clase (o varias) de bosón. Al menos uno de ellos podría ser observable dentro
de la gama de energías disponibles en el nuevo acelerador del CERN. Es el
llamado bosón de Higgs. Esta partícula no sólo fue considerada (en un elegante
trabajo teórico) por Peter Higgs, de Edinburgh, sino también por otros físicos,
entre ellos Tom Kibble, Gerald Guralnik y C. R. Hagen, y también Robert Brout y
Francis Englert. Además, su existencia fue propuesta con anterioridad en
términos generales por mi amigo Phillip Anderson, un físico teórico
especialista en materia condensada y en la actualidad vicepresidente del comité
científico del Instituto de Santa Fe. Obtuvo el Premio Nobel por sus trabajos
en física de la materia condensada, pero su anticipación a la idea general de
Higgs no ha sido nunca totalmente reconocida por la comunidad de físicos de
partículas. No puedo evitar la sospecha de que si sus contribuciones hubiesen
sido más ampliamente reconocidas nos habríamos ahorrado algunas de sus
diatribas públicas en contra de la construcción de nuevos aceleradores. ¿Cómo
puede oponerse a la construcción de una máquina destinada en parte a la
búsqueda del bosón de Anderson- Higgs, o aunque sea el de Higgs-Anderson?
Para ser imparciales, sugiero que retengamos el
término «bosón de Higgs», pero que empleemos la etiqueta «Anderson-Higgs» para
el mecanismo que rompe la simetría de la aproximación de masa nula y es
responsable de las diversas masas de las partículas en el modelo estándar. El
mecanismo de Anderson-Higgs es un caso especial de un proceso más general,
llamado ruptura espontánea de simetría.
Como ejemplo familiar de este proceso, podemos
pensar en un imán ordinario, en el cual todos los minúsculos imanes elementales
que lo componen están alineados. Las ecuaciones para las partículas elementales
que constituyen el imán, en interacción mutua pero sin influencias externas,
son perfectamente simétricas con respecto a las direcciones del espacio; por
así decirlo, son indiferentes a la dirección en que apunta el imán. Pero
cualquier perturbación externa, por tenue que sea (por ejemplo, un débil campo
magnético exterior), puede determinar la orientación del imán, que en otro caso
sería totalmente arbitraria.
Las ecuaciones para las partículas que componen el
imán poseen simetría porque tratan todas las direcciones por igual, pero cada
solución individual, al estar orientada en una dirección definida, viola la
simetría. Ahora bien, el conjunto de todas estas soluciones asimétricas posee
simetría, porque cada dirección se corresponde con una solución y el conjunto
de todas las direcciones es perfectamente simétrico.
La esencia de la ruptura espontánea de simetría
reside en esta misma circunstancia: las ecuaciones con una simetría particular
pueden tener soluciones que violen individualmente esa simetría, aunque el
conjunto de todas las soluciones sea simétrico.
La mayor virtud del mecanismo de Anderson-Higgs
para la ruptura espontánea de simetría es que permite que los fermiones y los
cuantos de la interacción débil adquieran masa no nula sin introducir
desastrosos infinitos en los cálculos de la dinámica cuántica del sabor. Los
teóricos de partículas buscaban hacía tiempo un mecanismo de este tipo para
producir masas no nulas antes de que se demostrase que en el bosón de Higgs
estaba la solución.
Violación de la simetría temporal
El mecanismo de Anderson-Higgs puede ser también el
responsable de la pequeña desviación de la simetría de inversión temporal
observada en la física de partículas elementales. Las ecuaciones de la teoría
fundamental subyacente deberían ser entonces simétricas frente a la inversión
temporal (de hecho, la teoría de supercuerdas heteróticas, el único candidato
serio a teoría unificada de las partículas elementales, posee esta simetría).
Su violación representaría otro ejemplo de ecuación simétrica con un conjunto
simétrico de soluciones asimétricas, de las cuales sólo una se observa en la
naturaleza. En este caso habría dos soluciones, que difieren en el sentido del
tiempo.
En cualquier caso, la violación de la simetría
temporal en el nivel de las partículas elementales no parece capaz de explicar
la flecha (o flechas) del tiempo —las claras diferencias que observamos
continuamente entre los acontecimientos que discurren hacia adelante en el
tiempo y su correspondiente versión hacia atrás—. Estas diferencias surgen de
las especiales condiciones iniciales en el comienzo de la expansión del
universo, como ya hemos mencionado y discutiremos en detalle más adelante.
Violación de la simetría materia-antimateria
Si la operación matemática que intercambia el
sentido del tiempo se combina con la que intercambia derecha e izquierda y con
la que intercambia materia y antimateria, la operación resultante (llamada
simetría CPT) es una simetría exacta de la teoría cuántica de campos. De modo
que no debería resultar muy sorprendente que la violación espontánea de la
simetría temporal suponga también la violación de la simetría entre materia y
antimateria. ¿Podría esta violación ser la responsable de la enorme asimetría
del mundo que nos rodea, en el que todo está compuesto de materia, mientras que
la antimateria se produce sólo en colisiones raras de alta energía?
Esta proposición fue hecha hace años por el físico
ruso Andréi Sajarov, bien conocido por su papel decisivo (junto a Ya. B.
Zeldovich) en la construcción de la bomba de hidrógeno soviética, y más tarde
por su activa lucha en pro de la paz y los derechos humanos en la antigua Unión
Soviética. Sajarov elaboró un modelo teórico que ha sufrido modificaciones
considerables a manos de otros físicos, pero que siempre ha incluido el
siguiente punto clave: en sus primeros instantes, el universo era simétrico en lo
que respecta a la materia y la antimateria, pero pronto se produjo la presente
asimetría a través del mismo efecto que induce la violación espontánea de la
simetría temporal. La propuesta de Sajarov parecía muy peregrina en principio,
pero las sucesivas transformaciones la han mejorado cada vez más. Parece en
efecto que el mecanismo responsable del predominio de la materia sobre la
antimateria es una ruptura espontánea de simetría.
Espín
El bosón de Higgs implicado en el mecanismo de
Anderson-Higgs para la ruptura espontánea de simetría es distinto de los
cuantos mediadores de las interacciones gluónica, débil y electromagnética. Una
diferencia muy importante estriba en el valor del momento angular de espín
(espín para abreviar), que cuantifica la rotación de la partícula en torno a su
propio eje. La mecánica cuántica suministra una unidad natural para el espín, y
en términos de esta unidad un bosón puede tener espín
0, 1, 2, etc., mientras que un fermión puede tener
espín 1/2, 3/2, 5/2, etc.
Todos los fermiones elementales del modelo estándar
tienen espín 1/2. Todos los cuantos de la cromodinámica cuántica y de la
dinámica cuántica del sabor tienen espín 1. El bosón de Higgs, en cambio, debe
tener espín 0.
¿Por qué hay tantas partículas elementales?
La enorme multiplicidad de partículas elementales
observadas quedó explicada tras el descubrimiento de que eran entidades
compuestas —formadas de acuerdo con las reglas de la cromodinámica cuántica— a
partir de quarks, antiquarks y gluones. Pero los quarks, con sus tres colores y
seis sabores, y los gluones, con sus ocho (que no nueve) combinaciones de
colores, constituyen un conjunto bastante numeroso de por sí. Por otra parte,
fuera del reino de las partículas que interaccionan fuertemente, encontramos también
el electrón, el muón, el tauón y sus respectivos neutrinos. Y todos los
fermiones tienen antipartículas distintas de ellos mismos. Además, tenemos el
fotón y los tres bosones intermediarios de la fuerza débil. El bosón de Higgs
completa la lista de partículas elementales exigidas por el modelo estándar.
Calculemos el número total. Tenemos dieciocho
quarks, tres partículas similares al electrón y tres neutrinos, lo que suma
veinticuatro fermiones en total. Añadiendo sus antipartículas, hacen cuarenta y
ocho. Después tenemos los cuantos conocidos: los ocho gluones, el fotón y los
tres bosones mediadores de la interacción débil, lo que eleva el total a
sesenta. Con el bosón de Higgs, tenemos sesenta y uno.
Para un observador profano, parece una locura
suponer que las leyes básicas de toda la materia del universo puedan basarse en
un conjunto de objetos fundamentales tan grande y heterogéneo. El experto en
partículas elementales no puede por menos que estar de acuerdo. La solución a
este rompecabezas ha de pasar por la incorporación del modelo estándar en una
teoría más amplia que no contenga tantas arbitrariedades, preferiblemente una
teoría unificada de todas las partículas elementales y de sus interacciones.
Mientras que el modelo estándar está apoyado por una copiosa evidencia
experimental, cualquier teoría unificada, en ausencia de evidencias directas
que la corroboren, tiene que ser contemplada en la actualidad como mera
especulación. Una teoría unificada debe ser, naturalmente, comprobable, es
decir, debe hacer predicciones verificables por medio de la observación. Pero
¿cómo podría una teoría de este tipo manejar la profusión de partículas
elementales con la que nos enfrentamos en el modelo estándar?
Parece haber tres modos de hacerlo. El primero
consiste en suponer que las partículas elementales que hoy conocemos son en
realidad entes compuestos, y que la descripción última de la materia implica un
número menor de constituyentes verdaderamente fundamentales. No creo que haya
en la actualidad ninguna evidencia teórica ni experimental que apunte en esta
dirección. Es más, los hipotéticos nuevos constituyentes tendrían que ser
también numerosos para poder explicar la gran variedad de propiedades de las partículas
elementales conocidas, por lo que la reducción del número de objetos
elementales que se conseguiría no sería espectacular.
Una idea relacionada con la anterior es que el
proceso que acabamos de discutir (la explicación de objetos aparentemente
elementales en un nivel como compuestos de objetos aún más elementales en un
nivel inferior) continuará eternamente. Tal cadena de composición sin fin fue
defendida por el antiguo presidente Mao en la República Popular China (cosa que
quizá resulte chocante para algunos, pero hay que recordar que Lenin escribió
sobre el electrón y que Stalin intervino en numerosas controversias sobre ciencia,
humanidades y artes, a veces con las más desafortunadas consecuencias para sus
opositores). De acuerdo con las ideas de Mao, el quark fue llamado durante un
tiempo «niño estrato» en el idioma chino, evocando el término «niño fundamento»
acuñado para el átomo. Bajo el mandato de Mao y la Banda de los Cuatro, no cabe
duda de que para los científicos chinos no era aconsejable oponerse con
demasiada vehemencia a la idea de una cadena infinita de estratos. Bajo los
regímenes posteriores, más permisivos, la última incursión de Mao en la física
teórica ha quedado relegada al olvido.
Una tercera posibilidad es que exista una teoría
simple en la base del sistema de partículas elementales que admita un número
infinito de éstas, siendo accesible a la detección experimental, dentro de las
energías actualmente alcanzables, un número finito de ellas. La teoría de
supercuerdas se encuadra en esta categoría de explicación.
Capítulo 14
La teoría de supercuerdas: ¿La unificación por fin?
Por primera vez en la historia, tenemos en la
teoría de supercuerdas —más concretamente en la teoría de supercuerdas
heteróticas— una propuesta seria para una teoría unificada de todas las
partículas elementales y de sus interacciones y, por tanto, de todas las
fuerzas de la naturaleza. El siguiente paso es obtener predicciones de la
teoría y compararlas con lo que ya sabemos, además de lo que pronto se podrá
medir, sobre las partículas elementales. Un rasgo llamativo de esta comparación
es la aparición en las ecuaciones de una energía o masa característica (la masa
de Planck), cerca de la cual se manifiesta directamente la total unificación de
la teoría de supercuerdas. Pero la energía equivalente a la masa de Planck es
enorme comparada con la escala de energía de los fenómenos detectables en el
laboratorio. De modo que todas las partículas que pueden estudiarse más o menos
directamente en un laboratorio pertenecen en su totalidad al «sector de masa
baja» de la teoría.
El sector de masa baja
Hay cierto número de partículas, grande pero finito
(pongamos entre cien y doscientas), con masas lo suficientemente pequeñas como
para que aparezcan en un futuro previsible en los experimentos realizados en
aceleradores. Estas partículas y sus interacciones constituyen el sector de
masa baja de la teoría de supercuerdas.
El resto de partículas elementales (en número
infinito) son enormemente más masivas, y su presencia sólo puede constatarse a
través de efectos virtuales (tales como la generación de fuerzas por
intercambio de cuantos virtuales). Algunos de estos efectos virtuales pueden
resultar de importancia capital, como por ejemplo los que permiten incluir la
gravitación einsteniana en el marco de la teoría sin engendrar infinitos
agobiantes.
El modelo estándar, incluyendo las tres familias de
fermiones, sus antipartículas y los doce cuantos conocidos, forma parte del
sector de masa baja de la teoría unificada. El gravitón, de masa cero, así como
otras partículas predichas, pertenece también, obviamente, al sector de masa
baja.
Renormalización del modelo estándar
El modelo estándar se distingue de la teoría de la
gravitación por una propiedad extraordinaria llamada renormalización. Esto
significa que puede separarse como una buena aproximación del resto de la
teoría unificada sin que aparezcan infinitos que hagan que los cálculos
carezcan de sentido. Una parte renormalizable de la teoría unificada puede
usarse por sí misma, casi como, si fuese la teoría final. Sin embargo, hay que
pagar un precio por esta separación, que en el caso del modelo estándar es la
aparición de más de una docena de números arbitrarios, imposibles de calcular
teóricamente y que deben determinarse experimentalmente. Estos parámetros
representan la dependencia del modelo del resto de la teoría fundamental
unificada, incluyendo el conjunto infinito de partículas de masa alta.
La comparación con la experiencia no es imposible
Dado que las razones entre la masa de Planck y las
masas de las partículas del sector de masa baja son muy grandes, unos pocos
físicos teóricos y varios autores profanos han afirmado que las predicciones de
la teoría son difíciles o imposibles de comprobar por medio de la observación.
No obstante, tales argumentos son incorrectos. Hay muchas maneras de confrontar
la teoría con los resultados experimentales:
1. Para comenzar, la teoría de supercuerdas predice,
en un límite apropiado, la teoría de la relatividad general de Einstein para la
gravitación. La incorporación automática de la gravitación einsteniana dentro
de una teoría cuántica de campos, sin que aparezcan los problemas habituales
(los infinitos) constituye ya de por sí un gran triunfo.
2. El siguiente reto es determinar si la teoría de
supercuerdas puede predecir, con alguna aproximación, el modelo estándar.
3. Pero recordemos que el modelo estándar tiene una
gran cantidad de constantes arbitrarias (parámetros), cuyos valores deberían
poderse determinar por medio de la teoría.
4. El sector de masa baja de la teoría de supercuerdas
contiene nuevas partículas adicionales, cuyas propiedades son susceptibles de
predicción y comprobación experimental.
5. En particular, el modelo estándar está incluido en
un modelo renormalizable más amplio que forma parte del sector de masa baja.
Las propiedades de este modelo superior, incluyendo las partículas que
contiene, las constantes que describen las masas de cada una y sus
interacciones, pueden compararse con los resultados experimentales.
6. Además, los efectos virtuales del sector de masa
alta pueden introducir correcciones observables en la física del sector de masa
baja.
7. Por último, la teoría de supercuerdas puede tener
consecuencias cosmológicas verificables por observación astronómica.
Aunque no debemos perder la esperanza de hallar
métodos para comparar las predicciones de la teoría con los hechos de la
naturaleza, los teóricos deben proceder a la difícil tarea de extraer estas
predicciones.
Unidades básicas de energía y otras magnitudes
¿Cuál es la enorme energía que caracteriza la
teoría de supercuerdas y de dónde procede? Es la unidad básica de energía,
derivada de las constantes universales de la naturaleza. Estas constantes son
tres: c, la velocidad de la luz en el vacío; h, la constante
de Plank, y G, la constante de gravitación de Newton.
La constante h es la razón entre
la energía de cualquier cuanto de radiación y la frecuencia de vibración de esa
radiación. En la práctica se suele emplear la forma h, que significa h dividido
por 2n, donde 2n es la razón entre la circunferencia de cualquier círculo y su
radio. (Werner Heisenberg solía llevar un alfiler de corbata en forma de h para
mostrar su orgullo como descubridor de la mecánica cuántica. Este símbolo
resulta tan familiar para los físicos teóricos que mi viejo amigo Stanislaw
Ulam, el brillante y divertido matemático, solía describir la letra
polaca 1, la ele «oscura» que aparece en su nombre, como l dividido
por 2n.)
G es la
constante universal de la fórmula de Newton para la fuerza gravitatoria entre
dos masas puntuales, que es igual al producto de G por las dos
masas dividido por el cuadrado de la distancia entre ellas. (Newton demostró
que la misma fórmula podía aplicarse a dos cuerpos esféricos si la distancia
que se emplea es la distancia entre sus centros. La fórmula puede emplearse
aproximadamente para el Sol, los planetas y para satélites como la Luna.)
Multiplicando y dividiendo potencias adecuadas de
las tres constantes universales, c, h y G, puede construirse
la unidad fundamental de cualquier magnitud física, como longitud, tiempo,
energía o fuerza. La longitud fundamental es del orden de un centímetro
dividido por un uno seguido de treinta y tres ceros. Dividiendo esta longitud
por la velocidad de la luz obtenemos la unidad de tiempo fundamental, que es
del orden de un segundo dividido por un uno seguido de cuarenta y cuatro ceros.
En contraste, las unidades a las que está
acostumbrada la mayoría de la gente son arbitrarias; no están construidas a
partir de constantes universales de la naturaleza. Aunque un pie ya no es (si
es que lo fue alguna vez) la media de la longitud de los zapatos de las diez
primeras personas que salen de la iglesia un domingo por la mañana, sigue sin
ser una unidad fundamental. Tampoco lo es el metro, definido en primera
instancia como la longitud de una determinada barra de metal guardada en una
cámara acorazada cerca de París, y en la actualidad como cierto múltiplo de la
longitud de onda de la luz emitida por un átomo de kriptón en un estado
particular de excitación.
La masa de las partículas y la unidad básica
La unidad fundamental de masa, la masa de Planck,
es aproximadamente una cienmilésima de gramo. Ciertamente, no parece enorme a
escala humana, pero en la escala de las masas del protón y el neutrón (ambas
cercanas a 1 GeV) es gigantesca —veinte trillones de veces mayor—. Dando la
vuelta, podemos decir que el neutrón y el protón son extremadamente pequeños en
comparación con la unidad fundamental. La masa del electrón es dos mil veces
más pequeña todavía. ¿A qué se deben estos números tan pequeños? La respuesta
más simple es que aún no lo sabemos. La teoría de supercuerdas heteróticas no
contiene ningún parámetro ajustable. Si resulta ser la teoría correcta, debe
generar por sí misma, de alguna forma, las pequeñas razones entre las masas de
las partículas conocidas y la masa de Planck. Una de las más severas pruebas de
la teoría es verificar sobre el papel que esto efectivamente es así.
Hasta ahora, no hay más que indicios sobre la
manera en que surgen estos pequeños valores en la teoría. Una conjetura
bastante obvia consiste en admitir como aproximación útil que todas las
partículas del sector de masa baja tienen masa nula. Las correcciones que
introduce la ruptura de simetría en esta aproximación (incluyendo las inducidas
por el mecanismo de Anderson-Higgs) se convierten en las responsables de las
masas reales, pequeñas pero distintas de cero. Unas pocas masas, entre ellas
las del fotón y el gravitón, no reciben correcciones y son efectivamente nulas.
Las energías alcanzables en los experimentos
actuales son del orden de un millar de GeV; pronto podrán ser de un orden unas
diez veces mayor, pero no más. Todavía serán diminutas comparadas con la unidad
fundamental de energía, alrededor de los veinte trillones de GeV. Dado que los
experimentadores no pueden producir en sus laboratorios partículas de masa
superior a las energías disponibles en sus aceleradores, siempre trabajarán
directamente con partículas pertenecientes al sector de masa baja.
El significado del término «supercuerda»
¿Qué observaciones generales pueden hacerse sobre
las partículas incluidas en la teoría de supercuerdas heteróticas? La respuesta
tiene que ver con el significado de la palabra cuerda y del prefijo super-.
El término cuerda indica que la teoría describe las
partículas en términos de pequeños lazos, en lugar de puntos; el tamaño típico
de cada lazo es del orden de la unidad fundamental de longitud, una
milmillonésima de billonésima de billonésima de centímetro. Estos lazos son tan
pequeños que, para la mayoría de fines, se pueden describir como partículas
puntuales, de hecho una infinidad de clases de partículas puntuales. ¿Cuáles
son las relaciones entre las diferentes partículas? En concreto, ¿cómo se relacionan
las pertenecientes al sector de masa baja con las que tienen una masa
comparable a la masa de Planck, o mayor?
Una buena analogía es una cuerda de violín, que
tiene un modo fundamental de vibración y un número infinito de otros modos
(armónicos) de frecuencia cada vez mayor. Pero en mecánica cuántica la energía
equivale a la frecuencia multiplicada por la constante de Planck h. Las
partículas del sector de masa baja pueden visualizarse como los modos
fundamentales de vibración de los diversos tipos de lazo que se dan en la
teoría de supercuerdas, mientras que las partículas de masa comparable a la de
Planck representan armónicos, y las de masa aún mayor, armónicos de frecuencia
más alta.
El prefijo super- indica que la
teoría es aproximadamente «supersimétrica», es decir, que para cada fermión de
la lista de partículas elementales existe un bosón correspondiente, y
viceversa. Si la supersimetría del sistema de partículas fuese exacta, cada
fermión tendría precisamente la misma masa que su bosón asociado. Sin embargo,
la supersimetría se «rompe» por sí misma, de un modo todavía mal comprendido,
lo que hace que las masas de los fermiones y bosones correspondientes estén
separadas por lo que yo llamaría un «superhueco». Éste no tiene exactamente el
mismo valor para cada pareja fermión-bosón, pero probablemente siempre es del
mismo orden de magnitud. Si el superhueco es del orden de la masa de Planck, ya
podemos desistir de observar directamente en el laboratorio los compañeros
supersimétricos de las partículas conocidas.
Los compañeros supersimétricos y los nuevos
aceleradores
Sin embargo, si la energía equivalente al
superhueco es sólo de unos cientos o miles de GeV, estas observaciones de los
compañeros supersimétricos deberían ser posibles en los próximos años,
suponiendo que se acabe de construir el nuevo acelerador del CERN. (Las
posibilidades hubieran sido mayores si se hubiera construido el acelerador SSC,
que trabajaría con energías superiores.) El análisis teórico de los resultados
de ciertos experimentos indica que el superhueco podría ser lo suficientemente
pequeño para las posibilidades del SSC, y tal vez también para las del aparato
del CERN. Asumiendo que esto sea cierto, pienso que la perspectiva del
descubrimiento de los compañeros supersimétricos es la motivación más
apasionante para la construcción de nuevos aceleradores (a la que siempre se
suma la más general de explorar lo desconocido y comprobar si aparecen
fenómenos imprevistos).
La nomenclatura de los hipotéticos compañeros
supersimétricos sigue dos esquemas distintos. Cuando la partícula conocida es
un bosón, el fermión asociado recibe un nombre que termina con el diminutivo
italiano -no, empleado por primera vez (en un contexto
distinto) por Fermi para bautizar al neutrino. Así, el compañero del fotón es
el fotino, y el del gravitón el gravitino. Como los bosones cargados que
mediatizan la interacción débil suelen denotarse por W y W,
los correspondientes fermiones supersimétricos han recibido el peregrino nombre
de «winos». En caso de que la partícula conocida sea un fermión, su pareja, un
bosón, recibe el mismo nombre que el fermión, pero con la letra «s» como
prefijo (probablemente como abreviatura de «super»). Así se obtienen nombres
estrafalarios como squark, selectrón, etc. (Me gustaría dejar claro que no me
considero responsable de esta nomenclatura, aunque, debo admitirlo, sí estaba
presente cuando se escogió el sufijo -ino para las parejas de
los bosones conocidos.)
Dado que el compañero supersimétrico de un bosón es
un fermión y viceversa, los espines de los dos supercompañeros deben ser
siempre diferentes, uno un número entero y el otro un semientero. De hecho,
ambos espines deben diferir en 1/2. Los bosones de Higgs tienen espín 0, y sus
parejas supersimétricas (higgsinos) tienen espín 1/2. Las tres familias de
fermiones tienen espín 1/2, y sus parejas squarks, selectrones, etc.) tienen
espín 0. Los cuantos (gluones, fotones, bosones X o W y
Zº) tienen espín 1, y sus compañeros (gluinos, íotinos, etc.) tienen espín 1/2.
El gravitón tiene espín 2 y el gravitino 3/2.
En la teoría de supercuerdas, el modelo estándar
queda englobado en una teoría renormalizable más grande, que podemos llamar
modelo superestándar, el cual contiene los veinte cuantos, los fermiones
usuales y algunos bosones de Higgs, junto con las parejas supersimétricas de
todas estas partículas. Las predicciones del modelo superestándar proporcionan
maneras de comprobar experimentalmente la validez de la teoría de supercuerdas.
La aproximación a la masa de Planck
Al aumentar la energía y abandonar el sector de
masa baja —el único directamente accesible a la experimentación— la teoría de
supercuerdas predice que las interacciones gluónica, electromagnética y débil
deben aproximarse en intensidad y revelar su íntima relación. (La extrapolación
de los resultados experimentales actuales a las altas energías conduce a la
misma conclusión, si se tiene en cuenta la rotura de la supersimetría y un
superhueco no excesivamente grande. Así pues, se puede decir que ya hay evidencias
indirectas de la supersimetría.) Al mismo tiempo, las simetrías entre los
fermiones comienzan a imponerse.
Dejemos que la energía continúe aumentando. Podría
suceder que, en un dominio de energía inmediatamente inferior a la masa de
Planck, el modelo superestándar dejase paso a una versión supersimétrica de una
«teoría de gran unificación» antes de manifestar, en la vecindad de la masa de
Planck, los primeros estados excitados de supercuerdas.
Aunque ninguno de nosotros vivirá para ver energías
comparables a la masa de Planck producidas en el laboratorio, estas energías
eran comunes cuando el universo comenzó a expandirse. La unidad fundamental de
tiempo, una cienmillonésima de trillonésima de trillonésima de segundo, es una
medida del período en que el universo experimentó todos los efectos físicos de
la teoría de supercuerdas. ¿Hay alguna evidencia cósmica remanente que pueda
probar la validez de la teoría de supercuerdas a través de sus efectos en aquel
crucial aunque remoto episodio?
Los teóricos no están seguros de que exista
evidencia alguna. Aquel breve lapso fue seguido, casi con toda certeza, por un
período de inflación, una expansión explosiva del universo, seguida de la
expansión más gradual que observamos hoy. La inflación barrió prácticamente
muchas de las características del universo primitivo, y pudo haber borrado así
muchas de las consecuencias de la teoría de supercuerdas. Sin embargo, las
ligaduras que esta teoría impone sobre el carácter de la inflación quizá
permitan, después de todo, que pueda ser comprobada a través de la cosmología.
El mismo tipo de razonamiento se aplica también a
las condiciones iniciales del universo, que, de acuerdo con Hartle y Hawking,
están ligadas a la teoría cuántica de campos unificada. Asumiendo que tanto su
modelo como la teoría de supercuerdas son correctos, las condiciones iniciales
del universo quedan unívocamente determinadas, aunque sus efectos sobre el
universo ulterior tienen que pasar por el filtro del período de inflación.
Multiplicidad aparente de soluciones
Además de la gran disparidad entre la escala de
energía característica de la teoría de supercuerdas y las energías alcanzables
en los experimentos, hay otra razón por la que algunos físicos han expresado
dudas acerca de la verificabilidad de la teoría. Tiene que ver con el
descubrimiento de numerosas soluciones aproximadas de las ecuaciones de la
teoría de supercuerdas heteróticas.
Cada una de estas soluciones proporciona, entre
otras cosas, una relación de las partículas que tienen, dentro de la
aproximación considerada, masa nula. Es razonable asumir que estas partículas
son las mismas que conforman el sector de masa baja de la teoría cuando se
incluyen las pequeñas correcciones de masa. Las partículas sin masa de cada
solución aproximada pueden compararse con las del modelo superestándar. Para
ciertas soluciones, se observa un buen acuerdo: el sector de masa baja contiene
el modelo superestándar y unas pocas partículas adicionales, entre ellas el
gravitón y el gravitino.
El problema que surge es que han aparecido miles de
soluciones aproximadas y, según parece, surgirán muchas más. Por tanto, no
resulta de ningún modo imposible que la situación observada sea compatible con
una solución de la teoría de supercuerdas, pero ¿qué hacemos con el resto de
soluciones?
Hay varias respuestas posibles. Una es, por
supuesto, que la teoría esté equivocada, pero creo que no hay razones para
sacar una conclusión tan drástica de la existencia de una plétora de soluciones
aproximadas. Otra posibilidad es que los problemas se deban exclusivamente a la
aproximación (que no está ni mucho menos completamente justificada, sino que
simplemente resulta conveniente), y que cuando ésta sea mejorada todas las
soluciones menos una carezcan de sentido y puedan ser abandonadas. (Una versión
modificada de esta posibilidad es que sobrevivan únicamente unas pocas
soluciones.)
Acción
Para considerar el resto de posibles respuestas al
problema de las soluciones múltiples, es útil sacar a colación una importante
magnitud física denominada acción, designada habitualmente por el símbolo S. Fue
introducida en la física clásica newtoniana hace mucho tiempo y se demostró muy
útil, pero con la llegada de la mecánica cuántica pasó de ser útil a ser
esencial. (La acción tiene unidades de energía por tiempo; h, la constante de
Planck dividida por 2n, tiene idénticas dimensiones y puede considerarse la
unidad fundamental de acción.) Recordemos que las probabilidades de las
historias no detalladas en mecánica cuántica son integrales sobre los valores
de la magnitud D para parejas de historias completamente
detalladas. Una teoría asigna, dentro de la mecánica cuántica, un valor
particular de S a cada historia detallada, y son estos valores
de la acción (junto con las condiciones iniciales) los que determinan el valor
de D.
Resulta muy deseable encontrar una fórmula
para S en términos de la teoría de supercuerdas heteróticas.
Sin embargo, hasta ahora, esta fórmula se ha mostrado escurridiza. Lo único que
parece factible, hoy por hoy, es expresar la acción como una serie infinita
—como han demostrado los trabajos de mi antiguo discípulo Barton Zwiebach,
Michio Kaku y un grupo de Kioto—, aunque la sumación de esta serie continúa
siendo una tarea formidable.
Puede resultar clarificador comparar la situación
con un ejercicio que emprendió Dick Feynman en 1954. (Discutió conmigo su
proyecto una vez que visité Caltech en 1954, cuando acepté un empleo que me
ofrecieron allí. De hecho, yo mismo había iniciado un proyecto similar.)
Feynman comenzó por imaginar que la brillante intuición de Einstein acerca de
la naturaleza de la gravitación — que tenía que obedecer el principio de
equivalencia de la relatividad general y estar relacionada con la geometría del
espacio-tiempo— nunca se produjo. Dick se preguntó si sería posible, sin dicha
intuición, construir una teoría por la fuerza bruta. Descubrió que, en efecto,
sí lo era. Sin embargo, la acción venía expresada por una serie infinita, cuya
suma era virtualmente imposible en ausencia de la perspectiva geométrica y el
principio de equivalencia. Este principio, la relatividad general, conduce a
una respuesta directa, sin necesidad de la fuerza bruta ni de sumas infinitas.
De hecho, una vez Einstein comprendió, sobre la base de la relatividad general,
el tipo de fórmula que necesitaba para describir la gravitación, su antiguo
compañero de estudios Marcel Grossman le enseñó las matemáticas que precisaba
para escribir la fórmula de la acción, de la cual puede derivarse la ecuación
que figura al final del capítulo 7.
Tal vez la situación en la teoría de supercuerdas
sea similar. Si los teóricos descubriesen el principio de equivalencia de la
teoría de supercuerdas, estarían en disposición de escribir la fórmula para la
acción de manera directa, sin recurrir a series infinitas. (Mientras esperamos
a que lo descubran, ¿cómo debería llamarse este principio? ¿Relatividad
mariscal? ¿Relatividad generalísimo? Ciertamente, va más allá de la relatividad
general.) En cualquier caso, el hallazgo de la fórmula para la acción S supondrá
una comprensión muy profunda de la teoría de supercuerdas.
Como ya dijimos antes, la motivación que condujo a
la teoría de supercuerdas fue, en primer lugar, el principio de
autoconsistencia, una idea simple y poderosa que todavía no ha sido formulada
en el lenguaje adecuado para descubrir la acción o el principio de
supersimetría subyacente a ésta. Cuando la teoría de supercuerdas se exprese en
el lenguaje de la teoría cuántica de campos y se hayan descubierto su acción y
sus simetrías, entonces habremos llegado al comienzo de una nueva era.
Acción efectiva
A partir de la acción, uno podría en principio
calcular una magnitud relacionada que denotaré con el símbolo S. Un teórico la
llamaría «acción euclídea con correcciones cuánticas», o algo por el estilo. Es
una especie de promedio de una versión modificada de la acción S, modificación
que implica una alteración del carácter de la variable tiempo. Podemos
referirnos a S como «acción efectiva». Desempeña un papel
importantísimo en la interpretación de la teoría. En primer lugar, Hartle y
Hawking expresarían las condiciones iniciales del universo en términos de S. En
segundo lugar, si realmente la teoría de supercuerdas conduce a tantas
soluciones, hay que buscar en S una guía. De alguna manera,
esta magnitud, calculada para las diferentes soluciones, debe discriminar entre
ellas.
Razonando a partir de la física clásica, donde el
principio de mínima acción proporciona un método elegante para formular la
dinámica newtoniana, algunos teóricos podrían argüir que la solución correcta
con sentidofísico —la que caracteriza el universo real— sería la que tiene un
menor valor para la acción efectiva S. Éste podría ser, en efecto, el criterio
acertado para elegir la solución correcta.
Sin embargo, ya que estamos enmarcados en la
mecánica cuántica, podría ser que no hubiese una única solución correcta para
el universo, sino una situación probabilística en la que todas las soluciones
correctas son alternativas posibles, cada una con su propia probabilidad, menor
cuanto mayor sea S. En realidad, la fórmula para la probabilidad en función
de S sería una exponencial decreciente, descrita por una curva
similar a la de la página 153. La solución correspondiente al mínimo valor
de S tendría la máxima probabilidad de caracterizar el
universo, pero las otras soluciones también tendrían alguna oportunidad.
La ramificación de las soluciones
La solución particular que se aplica al universo
determinaría la estructura del sistema de partículas elementales. De hecho,
haría más que eso. Lo más singular es que determinaría también el número de
dimensiones del espacio.
Para tratar el aspecto espacial de las supercuerdas
heteróticas la teoría parte de una descripción del espacio-tiempo con una
dimensión temporal y nueve dimensiones espaciales; las diversas soluciones
corresponden entonces al colapso de algunas de estas dimensiones espaciales,
quedando las restantes como observables. Si se aplica la interpretación
probabilística de S, el carácter tridimensional del espacio en nuestro universo
es consecuencia de la realización arbitraria de una solución particular de las
ecuaciones de supercuerdas (como lo es, por ejemplo, la existencia de un número
determinado de familias fermiónicas que contienen determinado número de
partículas).
Este carácter probabilístico es el resultado más
sorprendente de los intentos actuales por resolver el problema de las
aparentemente múltiples soluciones de las ecuaciones de la teoría de
supercuerdas. Supongamos que es correcto. Entonces podemos concebir el árbol de
historias no detalladas alternativas del universo, cada una con su propia
probabilidad, comenzando con una primera ramificación que selecciona una
solución particular de las ecuaciones de supercuerdas.
Las predicciones de la teoría de supercuerdas,
dependan o no de tal «elección» probabilística de la solución, tendrán que ser
comparadas con nuestra experiencia del espacio tridimensional, así como con las
propiedades del sistema de partículas elementales.
Si finalmente la teoría de supercuerdas heteróticas
hace predicciones correctas en todos los casos en que sea factible
comprobarlas, seguramente habremos resuelto el problema de la teoría
fundamental de las partículas elementales. La dinámica subyacente a la
evolución del estado del universo será conocida. Pero la descripción de su
historia todavía depende de sus condiciones iniciales, así como de los sucesos
aleatorios que acaecieron en todas las bifurcaciones del árbol de la historia
universal.
¿Universos múltiples?
La cosmología cuántica que hemos discutido hasta
aquí se ha referido a historias alternativas del universo, tratado como una
entidad singular que abarca toda la materia. Pero esta disciplina está en un
estado dinámico y abunda en ideas especulativas de gran interés, cuya
plausibilidad es todavía objeto de discusión; algunas de estas ideas se
refieren, de una u otra forma, a universos múltiples. Dado que el prefijo uní- significa
uno, esta expresión parece contradictoria, y tal vez un nuevo término ayudaría a
evitar las confusiones lingüísticas que podrían surgir si estas ideas
resultasen ser, al menos parcialmente, correctas. Podemos emplear la palabra
«multiverso» para referirnos a todo el conjunto de universos, uno de los cuales
es el que nos es familiar.
La introducción de los universos múltiples carece
de sentido a menos que el nuestro sea autónomo en gran medida. Una propuesta es
que los otros son «universos bebé», creados y destruidos virtualmente en
procesos cuánticos, de forma muy similar a los cuantos virtuales que mediatizan
las fuerzas en la teoría cuántica de campos. Según la interpretación de Stephen
Hawking y otros, la creación y destrucción virtual de universos bebé altera el
resultado de los cálculos en la teoría de partículas elementales, aunque no
desafía de manera esencial el concepto de árbol ramificado para la historia de
nuestro universo.
Otra de las posibilidades sugeridas es que haya
numerosos universos, muchos de ellos de tamaño comparable al nuestro, pero cuyo
contacto mutuo, si es que existe, es muy limitado, incluso en el pasado remoto
o en el futuro lejano. En este cuadro, los universos serían como burbujas
dentro del multiverso, burbujas que se separaron mutuamente hace mucho tiempo,
inaugurando una era de aislamiento que perduraría por un tiempo
inconcebiblemente grande. Si la interpretación de los universos múltiples
resulta tener alguna validez, uno podría intentar determinar qué ocurre en las
diversas burbujas con diferentes ramificaciones posibles de la historia del
universo. Se abre así la puerta a la fantástica idea de un árbol ramificado de
historias no detalladas, todas las cuales se realizan de hecho, pero en
diferentes universos burbuja. La probabilidad de cada historia sería entonces
esencialmente estadística, la fracción de los diversos «universos» en los que
tiene lugar esa historia en particular.
Supongamos ahora que la interpretación
probabilística de las múltiples soluciones aproximadas de la teoría de
supercuerdas es correcta, de modo que hay muchas soluciones verdaderas
asociadas con conjuntos diferentes de partículas elementales y diverso número
de dimensiones espaciales. Si realmente existen múltiples universos como
burbujas dentro de un multiverso, entonces podrían caracterizarse por
soluciones diferentes de la teoría de supercuerdas, cuya frecuencia de
aparición disminuiría exponencialmente con el valor de la acción efectiva S.
Aunque estas especulaciones teóricas se demuestren
sin fundamento, la noción de universos múltiples e independientes no deja de
proporcionar una forma hermosa (aunque bastante abstracta) de pensar probabilísticamente
en el marco de la cosmología cuántica.
«Principios antrópicos»
Algunos cosmólogos cuánticos hacen referencia al
llamado principio antrópico, principio que requiere que las condiciones del
universo sean compatibles con la existencia de seres humanos. En su formulación
débil este principio establece simplemente que la rama particular de la
historia en la que nos encontramos posee las características necesarias para
que exista nuestro planeta y florezca en él la vida, incluyendo el hombre.
Formulado de esta manera, el principio antrópico es trivial.
Sin embargo, en sus formulaciones más fuertes, este
principio se aplicaría supuestamente a la dinámica de las partículas
elementales y a las condiciones iniciales del universo, modelando de alguna
forma las leyes fundamentales para que produzcan seres humanos. Esta idea me
parece tan ridicula que no merece más discusión.
No obstante, he intentado encontrar alguna versión
del principio antrópico que no sea trivial ni absurda. Lo mejor a lo que he
llegado es lo siguiente. Entre las diversas soluciones de las ecuaciones
fundamentales (si es que en verdad hay múltiples soluciones) y entre las
diversas ramas de la historia, ciertas soluciones y ciertas ramas dan lugar en
muchos lugares a condiciones favorables para la evolución de sistemas complejos
adaptativos, que pueden actuar como IGUS (sistemas acumuladores y utilizadores
de información) observadores de los resultados de las ramificaciones
mecanocuánticas (esas condiciones incluyen el predominio de una situación
apropiada intermedia entre el orden y el desorden). La caracterización de estas
soluciones y ramas representa un problema muy interesante, que podría llamarse,
supongo, la búsqueda de un principio IGUSico. Una consecuencia menor de la
existencia de condiciones favorables a los IGUS sería que la existencia de la
Tierra, de la vida sobre ella y de los seres humanos sería posible y se daría
de hecho en ciertas ramas de la historia.
Una aplicación de estas investigaciones teóricas
podría ser el refinamiento de los cálculos sobre la probabilidad de recibir
señales de sistemas complejos adaptativos inteligentes procedentes de estrellas
remotas (uno de los objetivos del proyecto SETI [Search of Extra Terrestrial
Intelligence] de búsqueda de inteligencia extraterrestre). Muchos factores
influyen en tales cálculos. Uno de ellos es el período de tiempo probable en
que una civilización tecnológica sería capaz de perdurar y de transmitir (e interesarse
en transmitir) señales, antes de que una guerra catastrófica o el declive
tecnológico acabe con ella. Otro factor es la probabilidad de que un planeta
pueda albergar sistemas complejos adaptativos similares, por ejemplo, a los que
habitan la Tierra. Aquí entran en consideración cuestiones sutiles. Por
ejemplo, Harold Morowitz, en su investigación de las condiciones requeridas por
la atmósfera de la Tierra en la época de las reacciones químicas prebióticas
que dieron origen a la vida, ha llegado a la conclusión de que para que estas
reacciones tengan lugar se necesitan condiciones muy restrictivas. Otros
expertos, no obstante, no son de la misma opinión.
En lugar de algún imponente «principio antrópico»,
nos enfrentamos más bien con un conjunto de cuestiones teóricas, fascinantes
pero bastante convencionales, sobre las condiciones necesarias para la
evolución de sistemas complejos adaptativos en las diferentes ramas de la
historia y en diversos lugares y momentos, dada la teoría fundamental de las
partículas elementales y el estado cuántico inicial del universo.
El papel de las condiciones iniciales
Nos hemos topado varias veces con el papel de las
condiciones iniciales en el establecimiento del orden que, en el universo
primitivo, hizo posible la evolución subsiguiente de objetos celestes como
galaxias, estrellas y planetas, y después la aparición de sistemas complejos
adaptativos. Hemos discutido también una de las consecuencias más notables de
este estado inicial: el fluir del tiempo hacia adelante en todo el universo.
Vamos a explorar este fluir del tiempo con más detalle.
Capítulo 15
Las flechas del tiempo. Tiempo hacia adelante y hacia atrás
Recordemos el ejemplo del meteorito atravesando la
atmósfera y estrellándose contra el suelo. Si proyectásemos hacia atrás una
filmación de toda la escena, reconoceríamos al instante que el tiempo había
sido invertido. Sabemos que la razón última de la unidireccionalidad del tiempo
es que el universo se encontraba en un estado muy especial hace unos quince mil
millones de años. Mirando hacia atrás en el tiempo hasta aquella configuración
simple, contemplamos lo que llamamos pasado; mirando en el otro sentido, vemos
cómo se extiende ante nosotros lo que llamamos futuro.
La compacidad del estado inicial del universo (en
la época de lo que algunos llaman el Big Bang) no caracteriza por completo su
simplicidad. Después de todo, los cosmólogos consideran posible, incluso
probable, que en algún momento futuro inconcebiblemente lejano el universo
vuelva a colapsarse en una estructura muy pequeña. Si así fuera esa estructura
sería, sin embargo, bien diferente de su análoga en el pasado. Los
acontecimientos no se reproducirían hacia atrás en el tiempo durante el período
de colapso. La idea de que la expansión y la contracción deberían ser
simétricas es lo que Stephen Hawking llama «su mayor error».
Radiación y registros
Es fácil pensar en la diferencia entre uno y otro
sentido del tiempo. Por ejemplo, los cuerpos calientes como las estrellas y las
galaxias irradian energía. La forma más común de radiación consiste en fotones
—como los de la luz, las radioondas y los rayos gamma, que hacen posible la
astronomía óptica, la radioastronomía y la astronomía de rayos gamma,
respectivamente—. Además, está comenzando a plantearse la astronomía de
neutrinos, y algún día tendremos astronomía de ondas gravitatorias. Todas estas
formas de astronomía están basadas en la detección de flujos de energía
emitidos en forma de partículas y ondas. De forma similar, cuando percibimos la
luz procedente de una llama o una lámpara incandescente, nuestros ojos están
detectando un flujo de fotones. Si se invirtiese el curso del tiempo, en cada
uno de estos casos la energía fluiría hacia el interior de los cuerpos. Los
flujos salientes de energía pueden transportar señales: si una estrella se
transforma en supernova y adquiere un brillo enorme durante cierto tiempo, esta
información se propaga hacia el exterior a la velocidad de la luz.
Otra diferencia entre el pasado y el futuro es la
existencia de registros del pasado, como las trayectorias dejadas en la mica
por las partículas cargadas emitidas por núcleos radiactivos desintegrados
tiempo atrás. Los registros similares de desintegraciones futuras son notorios
por su ausencia. Esta asimetría entre pasado y futuro es tan evidente que
tendemos a pasarla por alto.
Los seres humanos empleamos las radiaciones para
enviar señales y los registros para conocer el pasado. Incluso creamos y
guardamos nuestros propios registros. Pero la existencia de señales y registros
en general es independiente de la existencia de sistemas complejos adaptativos
—como nosotros— que los empleen para sus propios fines.
Las condiciones iniciales y la causalidad
La asimetría temporal de señales y registros es
parte del principio de causalidad física, que afirma que los efectos siguen a
las causas. La causalidad física puede trazarse directamente hasta la
existencia de unas condiciones iniciales simples del universo. Pero ¿cómo
intervienen en la teoría estas condiciones iniciales?
La fórmula mecanocuántica para la magnitud D,
que nos da las probabilidades de las diferentes historias alternativas del
universo, contiene ya la asimetría entre pasado y futuro. En un extremo,
correspondiente a lo que llamamos pasado, contiene una descripción del estado
cuántico inicial del universo primitivo, lo que podemos llamar sus condiciones
iniciales. En el otro extremo, correspondiente al futuro remoto, la fórmula
contiene una integral sobre todos los posibles estados del universo. Esta
integral puede describirse como una condición de completa indiferencia en
cuanto al estado del universo en el futuro lejano.
Si las condiciones iniciales fuesen también de
completa indiferencia, no habría entonces causalidad ni historia. En vez de
eso, el estado inicial es simple y especial (tal vez el descrito por Hartle y
Hawking, que no requiere más información que la de las leyes dinámicas que
gobiernan el sistema de partículas elementales).
Si las condiciones del futuro no fuesen de completa
indiferencia, se darían violaciones del principio de causalidad que conducirían
a sucesos inexplicables (o al menos altamente improbables) en términos del
pasado, pero que serían requeridos (o casi) por las condiciones especificadas
para el futuro lejano. Al aumentar la edad del universo, se producirían más y
más de estos sucesos. No hay evidencia alguna de tal predestinación, y sí
pruebas considerables en su contra. De modo que, en ausencia de argumentos convincentes,
podemos descartar la posibilidad de que las condiciones del futuro sean algo
distinto a la completa indiferencia. Aun así, aunque relegada al dominio de la
ciencia ficción o la superstición, una condición especial sobre el futuro puede
considerarse una alternativa interesante, aunque contraria a los hechos, en
contraste con la causalidad a la que estamos acostumbrados.
A partir de la fórmula mecanocuántica para las
probabilidades de las historias, y con unas condiciones iniciales adecuadas, es
posible deducir todos los aspectos familiares de la causalidad, como las
señales y registros orientados del pasado al futuro. Todas las flechas del
tiempo corresponden a diferentes rasgos de las historias no detalladas del
universo, y la fórmula muestra la tendencia de todas estas flechas a señalar
hacia adelante en lugar de hacerlo hacia atrás.
Entropía y segunda ley
De entre las flechas que marcan la diferencia entre
pasado y futuro, la más famosa es la tendencia de la magnitud denominada
entropía a aumentar (o al menos a no disminuir) en un sistema cerrado, lo que
conduce al principio conocido como segunda ley de la termodinámica. (Según un
viejo chiste de físicos, la primera ley de la termodinámica dice que no puedes
ganar, y la segunda dice que tampoco puedes empatar. Ambas leyes resultan
frustrantes para los constructores de máquinas de movimiento perpetuo.) La primera
ley establece la conservación de la energía: la energía total de un sistema
cerrado permanece constante. La segunda ley, que establece el aumento (o la
constancia) de la entropía, es más sutil, pese a que en realidad la entropía es
un concepto muy familiar en nuestra vida cotidiana. Es una medida de desorden,
y ¿quién puede negar que el desorden tiende a aumentar en un sistema cerrado?
Si uno se pasa la tarde en una mesa ordenando
monedas según su fecha de acuñación o clavos según su tamaño, y alguien pasa y
golpea la mesa, ¿no es enormemente probable que las monedas o los clavos
vuelvan a desordenarse? Si en casa los niños están untando tostadas con
mantequilla y mermelada, ¿acaso no tiende la mantequilla a mezclarse con la
mermelada, y la mermelada con la mantequilla? Si una cámara está dividida en
dos por un separador, con oxígeno en el lado izquierdo y una cantidad igual de
nitrógeno en el derecho, ¿no es cierto que al retirar el separador se obtendrá
con seguridad una mezcla de oxígeno y nitrógeno en ambas partes?
La explicación de estos fenómenos es que hay más
formas de tener clavos o monedas desordenados que ordenados. Hay más maneras de
tener mantequilla y mermelada mutuamente contaminadas que en estado puro. Y hay
muchas más formas de tener oxígeno y nitrógeno con sus moléculas mezcladas que
segregadas. Siempre que opere el azar, es probable que un sistema cerrado
ordenado evolucione hacia el desorden, dado que éste le ofrece muchas más
posibilidades.
Microestados y macroestados
¿Cómo pueden enumerarse estas posibilidades? Un
sistema cerrado, descrito con total precisión, puede existir en una variedad de
estados, denominados microestados. En mecánica cuántica, estos microestados se
entienden como los posibles estados cuánticos del sistema. Los microestados se
agrupan en categorías (denominadas macroestados) de acuerdo con diversas
propiedades distinguibles macroscópicamente. Los microestados de un macroestado
dado se consideran equivalentes, de modo que sólo se tiene en cuenta su número.
Consideremos el caso de la cámara que contiene
igual número de moléculas de oxígeno y nitrógeno separadas por un tabique, que
es retirado a continuación. Ahora, el número de microestados posibles de las
moléculas de oxígeno y nitrógeno pueden agruparse en macroestados de la
siguiente manera: aquellos en los que la parte izquierda de la cámara contiene
menos de un 10% de nitrógeno y la parte derecha menos de un 10% de oxígeno;
aquellos en los que la mezcla está entre un 10% y un 20%; aquellos en los que está
entre un 20% y un 30%, etc. Los macroestados en los que la contaminación está
entre un 40% y un 50% (o entre un 50% y un 60%) contienen la mayoría de
microestados. Son también los macroestados más desordenados, aquellos en los
que los gases están más mezclados.
En realidad, la definición técnica de la entropía
(medida en la unidad más conveniente, la llamada constante de Boltzmann) está
íntimamente relacionada con el número de maneras diferentes en que un sistema
cerrado puede encontrarse en un macroestado particular. La entropía de un
sistema en un macroestado dado es, aproximadamente, la cantidad de información
—el número de bits— necesaria para especificar uno de los microestados
correspondientes al macroestado, considerando todos los microestados como igualmente
probables.
Recordemos que en el juego de las veinte preguntas,
si se juega a la perfección, pueden obtenerse 20 bits de información para
adivinar la cosa desconocida una vez se sabe que es animal, vegetal o mineral.
Veinte bits corresponden a la información necesaria para distinguir entre 1 048
676 alternativas diferentes igualmente probables, que resultan de multiplicar 2
por sí mismo 20 veces. Análogamente, 3 bits corresponden a 8 posibilidades
igualmente probables, porque 8 es igual a 2 multiplicado por sí mismo 3 veces.
Cuatro bits corresponden a 16 posibilidades, 5 bits a 32, etc. Si el número de
posibilidades está entre 16 y 32, el número de bits está entre 4
y 5.
De esta manera, si el número de microestados de un
macroestado dado es 32, la entropía del sistema en ese macroestado es de 5
unidades. Si el número de microestados es 16, la entropía es 4, etc.
Entropía e ignorancia
La entropía y la información están estrechamente
relacionadas. De hecho, la entropía puede considerarse como una medida de la
ignorancia. Cuando lo único que se sabe es que un sistema está en determinado
macroestado, la entropía mide el grado de ignorancia sobre el microestado
particular en que se halla el sistema, para lo cual se cuenta el número de bits
de información adicional necesaria para especificarlo, considerando
equiprobables todos los microestados correspondientes a ese macroestado.
Supongamos ahora que nuestro sistema no se
encuentra en un macroestado definido, sino que ocupa varios macroestados con
distintas probabilidades. La entropía de los macroestados será el promedio
sobre ellos, según sus respectivas probabilidades. La entropía incluye así una
contribución adicional del número de bits de información requeridos para
especificar el macroestado. La entropía puede definirse por tanto como el
promedio de la ignorancia acerca del microestado dentro del macroestado más la
ignorancia acerca del propio macroestado.
Especificación corresponde a orden e ignorancia a
desorden. La segunda ley de la termodinámica establece simplemente que un
sistema cerrado de baja entropía (orden elevado) tenderá, al menos a largo
plazo, a desplazarse hasta un estado de mayor entropía (más desorden). Dado que
hay más formas de que un sistema esté desordenado que ordenado, la tendencia es
a desplazarse hacia el desorden.
La explicación última: Orden en el pasado
Una cuestión más profunda es por qué no es
aplicable este mismo argumento cuando se invierte el sentido del tiempo. ¿Por
qué la filmación de un sistema, proyectada al revés, no puede mostrárnoslo
moviéndose hacia una situación de desorden, en lugar de hacia el orden? La
respuesta a esta pregunta reside en última instancia en el estado inicial
simple del universo al comienzo de su expansión hace unos diez mil millones de
años, en contraste con la condición de indiferencia aplicable al futuro lejano.
No sólo la flecha del tiempo causal apunta hacia el futuro por esta razón, sino
también las demás, incluida la flecha «termodinámica», que apunta del orden al
desorden. La condición original del universo condujo a la condensación
gravitatoria de la materia y a la formación de las galaxias. Al envejecer
ciertos tipos de galaxias, se formaron dentro de ellas estrellas y sistemas
planetarios que envejecieron a su vez. La flecha del tiempo se transfiere del
universo a las galaxias, y de éstas a las estrellas y planetas. Señala hacia
adelante en el tiempo en todos los puntos del universo. En la Tierra se
comunica al origen de la vida y a su evolución, y al nacimiento y
envejecimiento de todos los seres vivos. Virtualmente todo el orden en el
universo surge a partir de un orden en el pasado y, en última instancia, del
estado inicial ordenado del universo. Por ello la transición del orden a un
desorden estadísticamente mucho más probable tiende a proceder en todas partes
del pasado al futuro, y no al revés.
Metafóricamente, podemos imaginar el universo como
un antiguo reloj al que se le ha dado cuerda al principio de su expansión y que
desde entonces va perdiéndola a la vez que engendra relojes menores con algo de
cuerda, que a su vez van perdiéndola y engendrando más relojes. En cada etapa,
siempre que se forma una nueva entidad, hereda de las estructuras previamente
existentes la propiedad de tener un poco de cuerda. Podemos identificar el
envejecimiento de cada entidad aislada con la pérdida de cuerda de su
correspondiente reloj interno.
¿Cómo se comportan galaxias, estrellas y planetas
cuando envejecen? Consideremos lo que ocurre con ciertos objetos estelares
familiares. En el centro de las estrellas similares al sol se producen
reacciones nucleares que, a temperaturas de decenas de millones de grados,
convierten hidrógeno en helio, liberando la energía que surge de la superficie
del astro. La estrella agota finalmente su combustible nuclear y su carácter
cambia, a veces de modo drástico. Si es lo suficientemente masiva, puede
ocurrir que se transforme repentinamente en una supernova para, tras brillar
con enorme intensidad durante unos meses, colapsarse después en un agujero
negro. Este proceso es claramente unidireccional en el tiempo.
Cuando los seres humanos componemos un patrón
ordenado (con monedas sobre una mesa, por ejemplo) y lo abandonamos junto a un
agente perturbador (pongamos un perro), el sistema cerrado conjunto (monedas
sobre una mesa más perro) evolucionará hacia un estado desordenado porque el
desorden es más probable. El cambio se producirá hacia adelante en el tiempo,
porque nos comportamos causalmente, como cualquier cosa que evolucione de
pasado a futuro, creando primero el patrón ordenado y dejándolo luego solo con
el perro. Tal situación implica un aumento en la entropía no muy distinto del
que se produce en estrellas y galaxias.
Lo que es distinto es el
establecimiento en primer lugar de los patrones ordenados: ordenar monedas o
reordenarlas después de que el perro haya cargado contra ellas. Ello implica
una disminución de la entropía del conjunto de monedas, que no viola el segundo
principio de la termodinámica porque las monedas no están aisladas. De hecho,
la segunda ley asegura que la entropía del entorno y de la persona que realiza
la reordenación ha de aumentar como mínimo tanto como disminuya la entropía de
las monedas.
¿Cuáles son los síntomas del aumento de entropía en
la persona y en el entorno?
El demonio de Maxwell
Para dar respuesta a esta pregunta, es útil
considerar un demonio hipotético que se pasa el tiempo ordenando: el demonio de
Maxwell, imaginado por el mismo James Clerk Maxwell que desarrolló las
ecuaciones del electromagnetismo. Maxwell estudiaba una aplicación muy común (y
tal vez la primera) de la segunda ley de la termodinámica: el comportamiento de
un cuerpo caliente y otro frío puestos en contacto. Imaginemos una cámara
dividida en dos partes por un tabique móvil. En un lado tenemos gas caliente y en
el otro el mismo gas frío. La cámara es un sistema cerrado con una cierta
cantidad de orden, dado que las moléculas del gas caliente, más rápidas por
término medio, están separadas de las del gas frío del otro lado, en promedio
más lentas.
Supongamos en primer lugar que el tabique es
metálico y conduce el calor. Todo el mundo sabe que el gas caliente tendrá
tendencia a enfriarse y el gas frío a calentarse, hasta que ambas muestras
alcancen la misma temperatura. La segunda ley requiere que ocurra precisamente
esto, porque así desaparece la segregación entre gas caliente y frío y aumenta
la entropía.
Supongamos ahora que el tabique no es conductor, de
modo que se mantiene la separación entre gas frío y caliente. La entropía
permanecerá entonces constante, lo que sigue siendo compatible con la segunda
ley. ¿Pero qué ocurriría si hubiese un demonio que ordenase las moléculas según
su velocidad? ¿Disminuiría la entropía?
El demonio de Maxwell vigila ahora una trampilla en
el tabique, que sigue siendo no conductor. Controla las moléculas que vienen de
ambos lados y estima su velocidad. Las moléculas del gas caliente sólo son más
rápidas que las del gas frío desde el punto de vista estadístico'; cada
muestra contiene moléculas que se mueven a diferentes velocidades. Nuestro
perverso demonio, manipulando la trampilla, sólo permite que pasen las
moléculas más lentas del lado caliente al lado frío, y las más rápidas del frío
al caliente. De esta manera, el gas frío recibe moléculas extremadamente
lentas, enfriándose aún más, mientras que el gas caliente recibe moléculas
extremadamente rápidas, con lo cual se calienta todavía más. Desafiando
aparentemente la segunda ley de la termodinámica, el demonio ha provocado un
flujo de calor del gas frío al caliente. ¿Qué es lo que ha sucedido?
Dado que la segunda ley sólo se aplica a sistemas
cerrados, debemos incluir al demonio en nuestros cálculos. Su incremento de
entropía debe ser al menos tan grande como la disminución experimentada por la
cámara. ¿Cómo se las apaña el demonio para aumentar su entropía?
Una nueva contribución a la entropía
Leo Szilard dio un primer paso para resolver la
cuestión en 1929, introduciendo la relación entre entropía e información. Más
tarde, tras la segunda guerra mundial, Claude Shannon estableció formalmente la
noción matemática de información, clarificada posteriormente por el físico
teórico francés Léon Brillouin. El concepto de complejidad algorítmica o
contenido de información algorítmica fue introducido en los años sesenta por
Kolmogorov, Chaitin y Solomonoff. Finalmente, Rolf Landauer y Charlie Bennett,
de IBM, desarrollaron en detalle la conexión de la información y el contenido
de información algorítmica con la actividad de personas, demonios o
dispositivos que reducen la entropía de un sistema físico, aumentado la suya
propia en una cantidad igual o superior.
Bennett demostró que un dispositivo que adquiera y
registre (sobre papel o cinta magnética, por ejemplo) la clase apropiada de
información sobre un sistema físico, puede usar la información registrada para
producir un flujo de calor de un objeto frío a uno caliente, siempre y
cuando le quede papel o cinta magnética. La entropía del
sistema formado por los cuerpos caliente y frío decrece, pero al precio de
gastar papel o cinta. Landauer había demostrado con anterioridad que borrar los
registros, sin dejar ninguna copia, produce un aumento de entropía que como
mínimo compensa la disminución. Finalmente, el dispositivo agota su capacidad
de registro y así, a largo plazo, cuando se borran registros para dejar sitio a
otros nuevos, la segunda ley de la termodinámica queda restablecida.
Ya hemos mencionado que es el borrado de la última copia
de la información lo que debe producir un aumento de entropía
que compense la disminución. En realidad, es probable que el borrado de
cualquier copia conlleve en la práctica un incremento similar de entropía, pero
es únicamente la última copia la que debe hacerlo en
principio. La razón es que si existen dos copias hay métodos para, en ciertas
condiciones, emplear una de ellas para «descopiar» la otra reversiblemente, sin
ningún incremento de la entropía convencional.
Mientras tanto, es posible mantener de alguna forma
la segunda ley incluso durante el período en que los registros existen y se
hace uso de ellos para corregir la definición de entropía del sistema entero.
Esto se consigue incluyendo un término igual al contenido de información
algorítmica de los registros relevantes supervivientes. Dado que el contenido
de información algorítmica sólo depende de la longitud del menor programa
que describe la información, su valor no queda alterado por la existencia de
copias extra de los registros. Lo único que importa es que exista al menos una
copia de cada registro.
La conveniencia de esta definición corregida de
entropía ha sido señalada por Wojtek Zurek, del Laboratorio Nacional de Los
Alamos y miembro del Instituto de Santa Fe. Podemos pensar en la nueva
definición como sigue: la entropía usual, que es una medida de desinformación,
queda modificada por la adición del contenido de información algorítmica de los
registros que contienen la información correspondiente. Esto representa una
especie de intercambio de desinformación por registros. Cuando se obtiene y registra
información, disminuye la desinformación a la vez que aumenta la información en
los registros. Cuando se procede a borrar registros, la información de éstos
disminuye y la desinformación de todo el sistema cerrado aumenta como mínimo en
la misma cantidad.
Borrado y fragmentación
En el desempeño de su tarea, el demonio debe hacer
algo con la información que adquiere sobre las moléculas individuales.
Almacenando esta información, llegará un momento en que agotará el espacio
disponible para registrarla. Al borrar información, aumenta la entropía del
demonio y la de su entorno. Ahora bien, ¿qué se entiende por borrado
definitivo?
Pensemos en una anotación a lápiz, que borramos con
una goma de borrar ordinaria. El borrado desprende pequeños fragmentos de la
goma, cada uno de los cuales se lleva una pequeña porción de lápiz, que quedan
dispersos sobre la mesa o el suelo. Esta clase de dispersión del orden es en sí
misma un aumento de entropía. De hecho, el proceso de borrado típico produce un
incremento de entropía mucho mayor que la cantidad de información borrada, gran
parte del cual tiene un carácter convencional (por ejemplo, la generación de
calor). Hay que señalar, sin embargo, que estamos ignorando esta producción de
entropía extra, y nos concentramos exclusivamente en el incremento de entropía
mínimo que debe acompañar la destrucción de la información en los registros.
Una cuestión importante es la irreversibilidad de
la destrucción. Si el proceso puede revertirse, reconstruyendo lo anotado a
partir de los fragmentos de goma de borrar, entonces el incremento de entropía
asociado específicamente con el borrado no ha tenido lugar —ni tampoco el
propio borrado: existe una copia de la información en los fragmentos de goma.
Podría objetarse que tal reconstrucción siempre es
posible en principio, que recobrar la información de los pedacitos de goma sólo
es un problema de orden práctico. Un ejemplo espectacular de esto lo ofrecieron
los «estudiantes» que ocuparon la embajada estadounidense en Teherán en 1979.
Recogieron los trozos de los documentos clasificados que habían sido destruidos
en el último momento y, pacientemente, volvieron a componerlos y sus contenidos
se hicieron públicos.
Aunque ahora las máquinas para destruir documentos
los cortan en ambas dimensiones, lo que hace su reconstrucción mucho más
difícil, todavía continúa siendo posible en principio. ¿Cómo podemos entonces
hablar de un borrado o dispersión de información irreversible, o incluso de la
destrucción de cualquier tipo de orden? ¿Es un fraude el propio concepto de
entropía, la transformación de orden en desorden?
La entropía es inútil sin ausencia de detalle
Retomemos a nuestras moléculas de oxígeno y de
nitrógeno mezclándose en un depósito. Podemos cuestionar en qué sentido el
mezclado aumenta el desorden, dado que cada molécula de oxígeno y de nitrógeno
está en algún lugar en cada momento (en la aproximación
clásica, al menos) y, por tanto, la situación en cada instante está tan
ordenada como en cualquier instante previo (siempre que se describa la posición
de cada molécula, y no sólo la distribución de oxígeno y nitrógeno).
La respuesta es que la entropía, como la
complejidad efectiva, el contenido de información algorítmica y otras
magnitudes antes definidas, depende de la resolución —el grado de detalle con
que se describe el sistema—. Matemáticamente, es totalmente correcto que la
entropía de un sistema descrito con una resolución máxima no aumente en
absoluto; siempre permanece constante. Sin embargo, un sistema con muchas
partes se describe siempre en términos de unas pocas variables, y el orden en
estas variables tiende a dispersarse con el tiempo en otras variables donde
deja de ser considerado como tal. Éste es el sentido real de la segunda ley de
la termodinámica.
Podemos pensar también en la resolución en términos
de macroestados. Lo normal es que un sistema inicialmente descrito dentro de
uno o unos pocos macroestados se encuentre más tarde en una mezcla de muchos,
al mezclarse los macroestados como consecuencia de la evolución dinámica del
sistema. Además, los macroestados compatibles con el mayor número de
microestados tendrán tendencia a predominar en las mezclas. Por estas dos
razones el valor final de la entropía tiende a ser mayor que el inicial.
Podemos intentar conectar la resolución aquí
descrita con la introducida en el marco de la mecánica cuántica. Recordemos que
un dominio cuasiclásico maximal consiste en historias alternativas del universo
tan detalladas como sea posible sin que se pierda su decoherencia y carácter
casi clásico. Ya dijimos antes que, en mecánica cuántica, un dominio
cuasiclásico determina una especie de mínimo teórico para la resolución del
universo, correspondiente, en la descripción de un objeto individual, a un
máximo de individualidad. Este mismo mínimo puede aplicarse a la resolución
propia de la definición de entropía. Cuando se hace así, los macroestados más
refinados que pueden utilizarse para definir la entropía son los pertenecientes
al dominio cuasiclásico.
La entropía de la complejidad algorítmica
La elección de nuestro demonio entre almacenaje o
borrado es la misma a la que se enfrenta cualquier máquina real (o una persona
u otro organismo) que crea orden. Si almacena toda la información que adquiere,
puede reducir la entropía (definida convencionalmente) del universo como máximo
en una cantidad igual al contenido de información algorítmica de la información
almacenada. Cuando borra información para dejar espacio, el universo recupera
como mínimo la misma entropía que perdió. Si se corrige la definición de
entropía para incluir el contenido de información algorítmica de la información
almacenada, la segunda ley de la termodinámica no se viola nunca, ni siquiera
temporalmente.
La contribución del contenido de información
algorítmica a la entropía corregida podría llamarse entropía de la complejidad
algorítmica. A menudo es muy pequeña comparada con la entropía usual. Pero
aunque represente una contribución insignificante, sigue siendo muy importante,
porque cuantifica la posibilidad de utilizar información para burlar la segunda
ley convencional, temporalmente al menos, hasta que se borren los registros.
Las flechas del tiempo y las condiciones iniciales
La flecha del tiempo termodinámica puede trazarse
desde el estado inicial simple del universo hasta su estado final de
indiferencia, dentro de la fórmula mecanocuántica que da las probabilidades
para las historias no detalladas decoherentes del universo. Lo mismo puede
afirmarse de la flecha del tiempo asociada con la radiación emitida, y también
de lo que yo califico como verdadera flecha del tiempo cosmológica, relacionada
con el envejecimiento del universo y sus partes componentes. (Stephen Hawking define
su propia flecha del tiempo cosmológica a través de la expansión del universo,
pero ésta no es una auténtica flecha del tiempo según mi definición. Si tras un
lapso de tiempo fantásticamente grande el universo se contrae, esta contracción
también tendrá lugar hacia adelante en el tiempo; el envejecimiento continuará,
como el propio Hawking señala.)
La flecha del tiempo asociada con la formación de
registros deriva también en última instancia del estado inicial simple del
universo. Finalmente, la llamada flecha psicológica del tiempo, referente a la
experiencia del paso del tiempo por parte de los seres humanos y los demás
sistemas complejos adaptativos, surge igualmente de la misma condición. Los
recuerdos no son más que registros, y obedecen el principio de causalidad como
cualesquiera otros.
La emergencia de mayor complejidad: Accidentes
congelados
El paso del tiempo parece brindar oportunidades
para el incremento de la complejidad. También sabemos que la complejidad puede
descender, como por ejemplo en una sociedad forzada a retroceder a esquemas
sociales más simples a causa de fuertes presiones por parte del clima, los
enemigos o las disensiones internas. Tales sociedades pueden llegar a
desaparecer (el derrumbamiento de la civilización maya clásica tuvo que ver
seguramente con una reducción de su complejidad, aunque muchos individuos
aislados sobrevivieran). No obstante, al pasar el tiempo sigue apareciendo una
complejidad social cada vez mayor. La misma tendencia se observa en la
evolución biológica. Aunque algunas transformaciones pueden implicar un
descenso en la complejidad, la tendencia es hacia una mayor complejidad máxima.
¿Por qué?
Recordemos que la complejidad efectiva es la
longitud de una descripción concisa de las regularidades de un sistema. Algunas
de estas regularidades pueden atribuirse en última instancia a las leyes
fundamentales que gobiernan el universo. Otras surgen del hecho de que muchas
características de una cierta parte del universo se encuentran relacionadas
entre sí en un momento dado por su origen común en algún acontecimiento remoto.
Estas características tienen rasgos comunes y muestran información mutua. Por
ejemplo, los automóviles de un cierto modelo se parecen entre sí porque todos
proceden del mismo diseño, el cual contiene muchos rasgos arbitrarios que
podrían haber sido de otra manera. Estos «accidentes congelados» pueden
manifestarse de múltiples formas. Mirando las monedas del rey Enrique VIII de
Inglaterra, podemos reflexionar sobre todas las referencias a este monarca, no
sólo en las monedas, sino también en cartas, documentos relativos a la
incautación de monasterios y libros de historia, y también sobre cómo hubiesen
cambiado todas estas cosas si su hermano mayor Arturo hubiese sobrevivido para
ocupar el trono en su lugar. ¡Y de qué manera habría cambiado la historia
subsiguiente a partir de este accidente congelado!
Ahora podemos arrojar algo de luz sobre algunas
cuestiones profundas mencionadas al principio de este volumen. Si encontramos
una moneda con la efigie de Enrique VIII, ¿cómo podemos emplear las ecuaciones
dinámicas fundamentales de la física para deducir que deberían aparecer otras
monedas como ésta? Al encontrar un fósil en una roca, ¿cómo podemos deducir a
partir de las leyes fundamentales que probablemente habrá más fósiles de la
misma clase? La respuesta es la siguiente: sólo especificando las condiciones
iniciales del universo junto con las leyes dinámicas fundamentales. Entonces
podemos servimos del árbol de historias ramificadas y razonar, partiendo del
estado inicial y de la causalidad resultante, que la existencia de la moneda o
fósil descubiertos implica la ocurrencia de determinados sucesos en el pasado
que los produjeron, y que es probable que estos sucesos produjesen otras
monedas o fósiles similares. Sin las condiciones iniciales del universo, las
leyes dinámicas de la física no podrían conducimos a tal conclusión.
Un accidente congelado puede explicar también, como
ya hemos discutido, por qué los cuatro nucleótidos denotados en forma abreviada
por A, C, G y T constituyen el ADN de todos los organismos vivos de la Tierra.
Los planetas que giran en torno a estrellas lejanas quizás alberguen sistemas
complejos adaptativos muy parecidos a los de la Tierra, pero cuyo material
genético esté compuesto de otras moléculas. Según algunos teóricos del origen
de la vida, puede haber miles de alternativas al conjunto A, C, G y T. (Hay que
decir que otros sostienen que el juego familiar de nucleótidos podría ser la
única posibilidad real.)
Un candidato a accidente congelado más probable
todavía es la presencia de ciertas moléculas dextrógiras que juegan un
importante papel en la bioquímica terrestre, mientras que las correspondientes
moléculas levógiras no desempeñan ninguno, llegando a faltar por completo en
las formas de vida terrestres. No es difícil comprender por qué diversos grupos
de moléculas dextrógiras serían mutuamente compatibles en bioquímica, y lo
mismo puede decirse de las levógiras; pero ¿qué fue lo que determinó la elección
entre unas y otras?
Algunos físicos teóricos han intentado desde hace
tiempo conectar esta asimetría izquierda- derecha con el curioso comportamiento
de la interacción débil, que muestra una tendencia levógira en la materia
ordinaria (compuesta de quarks y electrones) y una tendencia dextrógira en la
antimateria (formada por antiquarks y positrones). No parece que sus esfuerzos
hayan tenido éxito, y es más probable que la asimetría izquierda-derecha en
bioquímica sea un rasgo congelado del ancestro de todas las formas de vida actuales,
siendo perfectamente posible que las cosas hubiesen sucedido de otra manera.
La asimetría biológica entre izquierda y derecha
ilustra de modo llamativo cómo muchos accidentes congelados pueden contemplarse
como el resultado de una ruptura espontánea de simetría.
Puede haber un conjunto simétrico de soluciones (en
este caso, moléculas levógiras y dextrógiras), de las cuales sólo una acontece
en una parcela del universo y en un intervalo de tiempo dados. En física de
partículas elementales, se piensa que ejemplos típicos de ruptura espontánea de
simetría se aplican a todo el universo. (Pudiera haber otros ejemplos, también
en física de partículas elementales, que se aplicasen a regiones gigantescas
del universo, pero no a la totalidad. Si así fuese ¡incluso esta disciplina
tendría, en cierto sentido, carácter de ciencia medioambiental!)
La estructura arborescente de las historias
ramificadas implica un juego de azar en cada bifurcación. Cualquier historia no
detallada individual surge de los resultados particulares de cada una de estas
jugadas. Con el transcurso del tiempo, la historia registra un número creciente
de tales resultados aleatorios. Pero algunos de esos accidentes se congelan en
forma de reglas para el futuro, al menos en alguna parcela del universo. De
modo que el número de regularidades posibles sigue aumentando con el tiempo y
con ellas las posibilidades de complejidad.
Este efecto no se restringe ni mucho menos a los
sistemas complejos adaptativos. La evolución de las estructuras físicas muestra
la misma tendencia hacia la emergencia de formas más complejas a través de la
acumulación de accidentes congelados. Fluctuaciones aleatorias dieron origen a
galaxias y cúmulos de galaxias en el universo primitivo; la existencia de cada
uno de estos objetos, con sus características individuales, ha constituido,
desde el momento de su aparición, una importante regularidad en su parcela de
universo. Análogamente, la condensación de estrellas —incluyendo las estrellas
múltiples y las dotadas de sistemas planetarios— a partir de las nubes de gas
de esas galaxias creó nuevas regularidades de gran importancia local. A medida
que aumenta la entropía del universo —el desorden general—, la autoorganización
puede producir orden local, como en los brazos de una galaxia espiral o en la
multiplicidad de formas simétricas de los copos de nieve.
La complejidad de un sistema en evolución en un
momento dado (sea un sistema complejo adaptativo o no adaptativo) no
proporciona medida alguna del grado de complejidad que el sistema o sus
descendientes (reales o figurados) puedan alcanzar en el futuro. Para superar
esta dificultad hemos introducido con anterioridad el concepto de complejidad
potencial. Para definirla, consideramos las posibles historias futuras del
sistema y promediamos su complejidad efectiva en cada instante futuro sobre
esas historias, cada una de las cuales se pondera de acuerdo con su
probabilidad. (La unidad de tiempo natural en este caso es el intervalo medio
entre dos cambios aleatorios en el sistema.) La complejidad potencial
resultante, como función del tiempo futuro, nos indica algo sobre la
probabilidad de que el sistema evolucione hacia una mayor complejidad, tal vez
generando una clase completamente nueva de sistema complejo adaptativo. En el
ejemplo que presentamos anteriormente, la complejidad potencial distinguiría la
emergencia de los seres humanos de la de los otros grandes simios, aunque su
complejidad efectiva en el momento de su aparición no fuese muy diferente.
Análogamente, se podría distinguir así la superficie de un planeta con una
probabilidad significativa de generar vida en un determinado lapso de tiempo de
la de otro en que la vida apenas tuviera posibilidades.
¿Continuará por siempre la emergencia de mayor
complejidad?
Tras un enorme intervalo de tiempo (incluso para
los estándares cosmológicos) el universo, en su continua expansión, se hará muy
diferente de como es ahora. Las estrellas morirán; los agujeros negros, mucho
más numerosos que en la actualidad, se desintegrarán; probablemente hasta los
protones (y los núcleos más pesados) se desintegrarán también. Todas las
estructuras que ahora nos parecen familiares desaparecerán. Las regularidades
se harán cada vez más escasas, y el universo se describirá principalmente en
términos de azar. La entropía será muy elevada, así como el contenido de
información algorítmica, de modo que la complejidad efectiva será baja y la
profundidad también (ver Figuras 4 y 8).
Si este cuadro es correcto, la emergencia de formas
cada vez más complejas se frenará gradualmente hasta detenerse, momento en el
cual la regla será la regresión a formas de menor complejidad. Además, las
condiciones ya no conducirán a la existencia de sistemas complejos adaptativos.
Hasta la individualidad entrará en declive, al volverse cada vez más escasos
los objetos individuales.
Este escenario no está en absoluto exento de
controversia. Es necesaria una mayor investigación teórica sobre el futuro
lejano. Aunque no tiene demasiado valor práctico inmediato, esta investigación
arrojará luz sobre el significado de la era de complejidad en que vivimos. El
universo podría dirigirse, pasado muchísimo tiempo, a un nuevo colapso; los
teóricos estudian también este fenómeno, intentando averiguar cómo podría
seguir aumentando la entropía en un universo que se encoge, y cuáles serían las
perspectivas para la complejidad en esta fase de la evolución cósmica.
Mientras tanto, las características de nuestro
planeta y nuestro Sol han producido accidentes congelados que afectan
profundamente a las leyes de la geología, la meteorología y otras ciencias
«medioambientales». En particular, han proporcionado la base para la biología
terrestre. La evolución de la Tierra, del clima, de las reacciones químicas
prebióticas que condujeron a la aparición de la vida, y de la propia vida,
ilustran la acumulación de accidentes congelados que se han convertido en
regularidades dentro de regiones limitadas del espacio y el tiempo. La
evolución biológica en especial ha dado origen a la emergencia de una
complejidad efectiva cada vez mayor.
Parte III
Selección y adaptación
Capítulo 16
La selección en la evolución biológica y otros ámbitos
Los sistemas complejos adaptativos de todo tipo,
incluida la evolución biológica, operan de acuerdo con la segunda ley de la
termodinámica. Ahora bien, los antievolucionistas aducen de vez en cuando que
la evolución biológica, de la que emergen formas cada vez más complejas,
representa un incremento temporal del orden que está en clara contradicción con
esta segunda ley. Es un argumento erróneo por diversas razones.
Primero, como ha sido descrito con anterioridad,
también en la evolución de sistemas no adaptativos como galaxias, estrellas,
planetas y rocas emergen formas cuya complejidad aumenta con el tiempo, sin que
eso entre en conflicto con el incremento de entropía. Las estructuras que
surgen envejecen de acuerdo con la segunda ley, pero la distribución de
complejidad se amplía con el tiempo, con un incremento gradual de la
complejidad máxima.
Segundo, la segunda ley de la termodinámica se
aplica únicamente a sistemas cerrados (esto es, completamente autocontenidos).
Quienes pretenden ver una contradicción entre la segunda ley y la evolución
biológica cometen el error crucial de fijarse sólo en los organismos sin tener
en cuenta el entorno.
La razón más obvia que impide considerar a los
sistemas vivos como sistemas cerrados es la necesidad de luz solar como fuente
de energía directa o indirecta. Estrictamente hablando, no podemos esperar que
se cumpla la segunda ley de la termodinámica a menos que se tenga en cuenta la
absorción de energía solar. Por otra parte, la energía fluye tanto hacia dentro
como hacia fuera del sistema, perdiéndose al final en forma de radiación
(piénsese en la radiación térmica emitida desde nuestras casas hacia el frío y
oscuro cielo nocturno). El flujo de energía a través de un sistema puede
generar orden localmente.
Además de este efecto, hay que tener en cuenta la
influencia de la información procedente del medio ambiente terrestre. Para ver
lo que ocurre cuando se incluye dicha información, considérese un caso
extremadamente simple en que la influencia ejercida por el ambiente es estable
y se ignora la interacción entre las diferentes clases de organismos. Se deja
entonces evolucionar una población de un determinado organismo en un medio
ambiente constante. Con el tiempo, la población tiende a adaptarse mejor a su
entorno a través de la competencia entre los diversos genotipos presentes, unos
con más éxito que otros en la creación de fenotipos que sobreviven y se
reproducen. En consecuencia, una cierta discrepancia informacional entre el
entorno y el organismo se va reduciendo gradualmente, un proceso que recuerda
el modo en que las temperaturas de un objeto frío y otro caliente en contacto
mutuo se aproximan al equilibrio térmico, de conformidad con la segunda ley de
la termodinámica. La evolución biológica, lejos de contradecir dicha ley,
proporciona metáforas instructivas de la misma. El proceso de adaptación es en
sí mismo una especie de envejecimiento de la población dentro de su medio
ambiente.
En los manantiales calientes sulfurosos de todo el
mundo (y en las profundidades oceánicas donde los surtidores de agua caliente
marcan los límites entre placas tectónicas) proliferan organismos primitivos
denominados extremófilos (o crenarqueotas) en un entorno que la mayoría de
seres vivos encontraría extremadamente hostil. En la vida de los extremóflos
del fondo oceánico la luz juega un papel reducido, limitado principalmente a
procesos que suministran productos químicos oxidados. La luz, por ejemplo, mantiene
otras formas de vida cerca de la superficie del agua, desde la que cae
continuamente materia orgánica hacia el hábitat de los extremóflos.
Hay evidencias indirectas que sugieren con fuerza
la existencia, hace más de tres mil millones de años, de organismos que eran
similares, por lo menos desde el punto de vista metabólico, a los modernos
extremóflos. Nadie sabe si los genotipos de aquellos organismos eran también
similares o si parte del genoma habría experimentado una deriva genética
sustancial sin afectar de modo significativo a los resultados de las presiones
selectivas en el mundo real. En cualquier caso, se puede decir que el difícil
problema de vivir en ambientes calientes, ácidos y sulfurosos fue resuelto
cuando la Tierra era joven. Los extremóflos alcanzaron una especie de estado
estacionario, algo parecido a un equilibrio evolutivo con sus alrededores.
Pero raramente el medio ambiente es tan estable. La
mayoría de situaciones naturales son más dinámicas, con cambios
medioambientales significativos a lo largo del tiempo. Un ejemplo es la
composición de la atmósfera de la Tierra, que en gran medida se debe a la
presencia de la vida. La existencia de cantidades significativas de oxígeno en
la actualidad puede atribuirse, al menos en gran parte, a las plantas que han
proliferado en la superficie del planeta en el pasado.
Especies en coevolución
El medio ambiente de los organismos de cualquier
especie incluye un número enorme de otras especies que evolucionan a su vez. El
genotipo de cada organismo, o bien el conjunto de genotipos que caracteriza a
cada especie, puede contemplarse como un esquema que incluye una descripción de
muchas de las otras especies junto con sus reacciones probables ante diferentes
formas de comportamiento. Una comunidad ecológica consiste entonces en un gran
número de especies que desarrollan modelos de los hábitos de las otras especies
y de cómo tratar con ellas.
En algunos casos es una idealización útil
considerar sólo dos especies en coevolución, respondiendo cada una a los
progresos de la otra. Por ejemplo, en mis caminatas por las selvas de
Sudamérica me he encontrado a menudo con una especie de árbol que suministra
alimento a una especie de hormiga particularmente agresiva. A cambio la hormiga
repele a muchos animales, humanos incluidos, que podrían dañar el árbol. Igual
que yo he aprendido a reconocer estos árboles para evitar tropezar
accidentalmente con ellos, otros mamíferos han aprendido a evitar ramonear en
ellos. Esta simbiosis tiene que ser fruto de un sustancial periodo de
coevolución.
En estas mismas selvas pueden observarse relaciones
ofensivo-defensivas fruto también de la evolución de dos especies adaptándose
mutuamente. Un árbol puede desarrollar la capacidad de exudar una sustancia
tóxica capaz de repeler algún insecto destructivo. El insecto puede, a su vez,
desarrollar la capacidad de metabolizar el veneno, que deja así de constituir
un peligro. La evolución posterior del árbol puede tener como resultado una
modificación del veneno que lo haga activo de nuevo, y así sucesivamente. Tales
carreras de armamentos químicos desembocan muchas veces en la producción de
agentes bioquímicos muy potentes. Algunos de ellos pueden ser muy útiles en
medicina, control de plagas y otros campos.
En las situaciones reales no simplificadas muchas
especies evolucionan juntas en el seno de una comunidad ecológica, con un
entorno no vivo que se altera gradualmente (o incluso rápidamente) con el
tiempo. Esto está lejos de los ejemplos idealizados de simbiosis o competencia
entre dos especies, así como éstos son más complicados que el caso aún más
ideal de una sola especie evolucionando en un medio ambiente inmutable. En
todos los casos el proceso evolutivo es compatible con la flecha del tiempo
termodinámica, siempre que se tenga en cuenta la totalidad del sistema; pero
sólo en las situaciones más simples, como es el caso de los extremófilos, la
evolución conduce a una especie de estado estacionario informacional. En
general, se trata de un proceso de cambio dinámico continuo, semejante a los
que tienen lugar en el seno de sistemas fisicoquímicos complejos como una
galaxia, una estrella o un planeta carente de vida. Todos envejecen y decaen
con el paso del tiempo, aunque de una manera complicada.
En una comunidad ecológica, el proceso de
adaptación mutua a través de la evolución es un aspecto de este envejecimiento.
La evolución biológica es parte del proceso de decaimiento que tiende a reducir
el intervalo informacional entre las tendencias potenciales y las reales. Una
vez existe un sistema complejo adaptativo, el descubrimiento y explotación de
oportunidades es no sólo posible, sino probable, porque el sistema es empujado
en esta dirección por las presiones selectivas que operan sobre él.
Equilibrio puntuado
La evolución biológica no suele proceder a un ritmo
más o menos uniforme, como imaginaban algunos especialistas. En vez de eso
tiende a exhibir lo que se llama un «equilibrio puntuado», en el que las
especies (así como los grupos taxonómicos de orden superior: géneros, familias
y demás) permanecen relativamente inmutables, al menos en lo que respecta al
fenotipo, durante largos periodos de tiempo y después experimentan cambios
comparativamente rápidos en un breve lapso de tiempo. Stephen Jay Gould, que propuso
esta idea en diversos artículos técnicos escritos en colaboración con Niles
Eldredge, ha publicado una extensa literatura sobre el tema en sus amenos
artículos y libros populares.
¿Cuál es la causa de los cambios comparativamente
rápidos que constituyen las puntuaciones? Los mecanismos posibles pueden
dividirse en varias categorías. Una comprende alteraciones, a veces
generalizadas, en el entorno fisicoquímico. Hacia el fin del periodo Cretácico,
hace unos 65 millones de años, al menos un objeto de gran tamaño, el que formó
el enorme cráter de Chicxulub en la península del Yucatán, colisionó con la
Tierra. Los cambios atmosféricos resultantes contribuyeron a la extinción del
Cretácico, en la que desaparecieron los dinosaurios y muchas otras formas de
vida. Cientos de millones de años antes, durante el periodo Cámbrico, se
abrieron multitud de nichos ecológicos que fueron ocupados por nuevas formas de
vida (algo parecido al modo en que la aparición de una tecnología nueva y
popular crea numerosos puestos de trabajo). Estas formas de vida propiciaron a
su vez la aparición de nuevos nichos, y así sucesivamente. Algunos teóricos de
la evolución conectan esta explosión de diversidad con un incremento en el
contenido de oxígeno de la atmósfera, pero esta hipótesis no es aceptada
todavía por todo el mundo.
Otra categoría de cambio rápido que puede puntuar
el aparentemente estacionario equilibrio evolutivo tiene un carácter
eminentemente biológico, y no requiere cambios repentinos importantes en el
entorno físico. Es el resultado de la tendencia del genoma a experimentar
cambios graduales que no afectan profundamente la viabilidad del fenotipo. Como
resultado de este proceso de «deriva», el conglomerado de genotipos que
constituye una especie puede desplazarse hacia una situación inestable en la
que cambios genéticos ínfimos pueden alterar radicalmente el fenotipo. Puede
ocurrir que en un momento dado cierto número de especies de entre las que
constituyen una comunidad se estén aproximando a este tipo de inestabilidad,
creando una situación propicia para la ocurrencia de mutaciones que conduzcan a
importantes cambios fenotípicos en uno o más organismos. Estos cambios pueden
iniciar una sucesión de acontecimientos en que algunos organismos tienen más
éxito y otros mueren, la totalidad de la comunidad se altera y se abren nuevos
nichos ecológicos. Tales trastornos pueden provocar cambios en las comunidades
vecinas a través de, por ejemplo, la migración de nuevas especies de animales
que entran en competencia con las residentes. Se ha producido una puntuación en
el seno de un equilibrio temporal aparente.
Sucesos umbral
Determinados hechos biológicos especialmente
cruciales son a veces responsables de ejemplos sobresalientes de equilibrio
puntuado en ausencia de cambios radicales en el entorno fisicoquímico. Harold
Morowitz, que trabaja en la Universidad George Mason y en el Instituto de Santa
Fe, señala la gran importancia de las rupturas o sucesos umbral que abren
nuevos abanicos de posibilidades, a veces relacionadas con funciones o niveles
de organización superiores. Harold ha resaltado especialmente los casos en que
estos umbrales son únicos o casi, o bien dependen de una innovación bioquímica.
Para comenzar, teoriza sobre los posibles umbrales
químicos en el curso de la evolución prebiótica que condujo al origen de la
vida sobre la Tierra. Estos umbrales incluyen:
1. El que condujo al metabolismo energético con empleo
de la luz solar y así a la posibilidad de una membrana aislando una porción de
materia, el prototipo de la célula.
2. El que proporcionó la catálisis para la transición
de los cetoácidos a los aminoácidos y de ahí a la producción de proteínas; y
3. Reacciones químicas que dieron como resultado
moléculas denominadas heterociclos dinitrogenados y que llevaron a los
nucleótidos que constituyen el ADN, permitiendo así la existencia del genoma,
el esquema o paquete de información biológico.
En todos estos casos Harold destaca la estrechez
del umbral. Sólo unas pocas reacciones químicas especiales hacen posible la
entrada en un nuevo dominio, y a veces es una sola reacción la responsable. (La
especificidad de tales reacciones no significa que sean improbables. Incluso
una reacción única puede tener lugar fácilmente.)
En la evolución biológica tuvieron lugar sucesos
umbral análogos que condujeron al desarrollo de todas las formas de vida
actuales a partir de la forma ancestral. Muchos de estos sucesos dieron origen
a nuevos niveles de organización. Un ejemplo es la evolución de los eucariotas,
organismos cuyas células poseen un núcleo verdadero (que contiene la fracción
principal del material genético) y también otros «orgánulos» (mitocondrias o
cloroplastos). La transformación de organismos más primitivos en eucariotas unicelulares
es para muchos investigadores fruto de la incorporación de otros organismos que
se convirtieron en endosimbiontes (es decir, que vivían dentro de la célula y
en simbiosis con ella) y evolucionaron después hasta convertirse en orgánulos.
Otro ejemplo es la evolución de los eucariotas
unicelulares animales (presumiblemente los ancestros de los animales
propiamente dichos). Se piensa que los eucariotas vegetales fotosintéticos
aparecieron antes, provistos de una pared celular de celulosa además de una
membrana interior (la aparición de membranas requirió otro evento bioquímico,
la formación de esteroles, compuestos relacionados con el colesterol y las
hormonas sexuales humanas). La evolución condujo después a organismos
desprovistos de pared celular que podían dedicarse a devorar organismos
fotosintéticos en lugar de efectuar la fotosíntesis por sí mismos. Esta
innovación fue la clave para la posterior aparición de los animales propiamente
dichos.
La evolución de organismos pluricelulares a partir
de organismos unicelulares, presumiblemente a través de la agregación, fue
posible gracias a otra innovación bioquímica, un adhesivo que mantenía unidas
las células.
Harold Morowitz y otros piensan que, al menos en
muchos casos, un pequeño cambio en el genoma —producto de una o a lo sumo unas
pocas mutaciones, pero culminando una larga serie de cambios anteriores— puede
disparar un suceso umbral e iniciar así una de las revoluciones que representan
una puntuación capital dentro de la relativa estabilidad del equilibrio
evolutivo. Una vez dentro del dominio abierto por el evento, el organismo
adquiere regularidades nuevas y significativas que lo elevan a un nivel más alto
de complejidad.
Como ocurre con las perturbaciones físicas de gran
magnitud, como un terremoto (o la colisión de la Tierra con otros objetos
dentro del sistema solar), tales acontecimientos capitales pueden contemplarse
como eventos individuales de gran trascendencia, o bien como sucesos inusuales
de gran magnitud en la cola de una distribución que comprende eventos de mucha
menor magnitud en su mayoría.
Agregación resultante en niveles de organización
superiores
En la evolución de una comunidad ecológica, un
sistema económico o una sociedad, igual que en la evolución biológica, se van
presentando ocasiones para un incremento de la complejidad. El resultado es que
la complejidad máxima tiende a aumentar. Los incrementos de complejidad más
fascinantes son los que tienen que ver con una transición a un nivel de
organización superior, típicamente a través de la formación de agregados, como
en la evolución de los animales y vegetales pluricelulares a partir de organismos
unicelulares.
Familias o bandas de seres humanos pueden agruparse
para formar una tribu. Un grupo de personas puede aunar sus esfuerzos para
ganarse la vida montando una empresa. En el año 1291, tres cantones, a los que
pronto se unió un cuarto, formaron una confederación que con el tiempo se
convertiría en la moderna Suiza. Las trece colonias norteamericanas se unieron
en una confederación que más tarde, ratificando la constitución de 1787, se
convirtió en una república federal llamada Estados Unidos. La cooperación conducente
a la agregación puede ser efectiva.
Aunque la competencia entre esquemas es una
característica de los sistemas complejos adaptativos, los sistemas mismos
pueden exhibir una mezcla de competencia y cooperación en sus interacciones
mutuas. A menudo resulta beneficioso para estos sistemas unirse formando una
entidad colectiva que funciona también como un sistema complejo adaptativo, por
ejemplo cuando en un sistema económico personas y empresas operan bajo las
normas de un gobierno que regula su comportamiento para promover valores
importantes para el conjunto de la comunidad.
Esquemas cooperativos
También entre esquemas en competencia es posible a
veces que se establezca una cooperación ventajosa. En el dominio de las
teorías, por ejemplo, las nociones en competencia no siempre son mutuamente
excluyentes. A veces la síntesis de varias ideas está más cerca de la verdad
que cualquiera de ellas por separado. Pero quienes proponen una aproximación
teórica particular saben que es más fácil obtener recompensas en la vida
académica y en otros ámbitos pretendiendo que la propuesta propia es
absolutamente correcta y enteramente nueva, y arguyendo que los puntos de vista
alternativos son erróneos y deben ser descartados. Aunque en algunos campos y
en ciertos casos este modo de actuar podría estar justificado, en muchas
ocasiones resulta contraproducente.
En arqueología y otras áreas de la antropología,
por ejemplo, hay desde hace tiempo encendidas disputas acerca de la difusión de
los rasgos culturales frente a la invención independiente. Sin embargo, parece
obvio que ocurren ambas cosas. La invención del cero en la India (desde donde
llegó a Europa a través del trabajo de al Khwaritzmi) parece, con una evidencia
abrumadora, haber sido independiente de su invención en Centroamérica (donde
fue empleado por los antiguos mayas). Si hubieran existido contactos de alguna
clase entre ambos mundos resultaría muy extraña la casi total ausencia de la
rueda en las culturas precolombinas (por lo que sé sólo se ha encontrado en
unos pocos juguetes de procedencia mejicana) cuando se conocía desde hace tanto
tiempo en el Viejo Mundo. El arco y la flecha parecen haberse difundido de
Norteamérica a Centroamérica, mientras que muchas otras innovaciones
culturales, como la domesticación del maíz, lo hicieron en sentido contrario.
¿Cómo pueden los eruditos dividirse todavía en difusionistas y no
difusionistas?
Algunos antropólogos culturales gustan de señalar
las razones ecológicas y económicas que hay detrás de costumbres tribales que a
primera vista pueden parecer arbitrarias o irracionales. Aunque este enfoque es
muy valioso, a veces les lleva a ridiculizar la idea misma de que la
irracionalidad y la arbitrariedad puedan jugar un importante papel en los
sistemas de creencias y modelos de conducta social. Seguramente esto es ir
demasiado lejos; un enfoque más razonable debería atemperar el deterninismo
ecológico y económico con una medida de la volubilidad de los esquemas
tribales. Por ejemplo, una prohibición particular en la dieta, digamos la de
comer okapis, podría tener sentido para cierta tribu, dadas las necesidades
nutricionales de la población y el trabajo necesario para cazar un okapi en
comparación con la obtención de otros alimentos en el contexto ecológico del
bosque circundante. Pero la restricción también podría surgir de una
identificación anterior del okapi con el tótem de la tribu; o bien ambas causas
podrían estar en el origen de la prohibición. ¿Es acaso razonable insistir en
que el enfoque correcto es siempre uno o es siempre el otro?
Una de las virtudes del Instituto de Santa Fe es
que se ha creado un clima intelectual en el que eruditos y científicos se
sienten mucho más inclinados que en sus instituciones de procedencia a
compartir ideas y buscar maneras de armonizarlas en una síntesis fructífera
cuando se considera conveniente. En una ocasión se organizó allí un seminario
impartido por varios profesores de una misma universidad y un mismo
departamento que comprobaron con cierto asombro que en Santa Fe se podía
discutir constructivamente sobre temas que en su casa sólo provocarían
disputas.
En la evolución biológica, lo más cercano a los
esquemas cooperativos es probablemente la genética de la reproducción sexual,
en la que los genotipos de los progenitores se mezclan en sus descendientes.
Volveremos pronto a la reproducción sexual, pero primero exploraremos un poco
más la tendencia hacia una mayor complejidad.
¿Existe una tendencia hacia una mayor complejidad?
Hemos visto que la dinámica de la evolución
biológica puede ser complicada. Pero a menudo ha sido descrita de manera
simplista. La emergencia de formas cada vez más complejas se ha tomado más de
una vez por una progresión continua hacia alguna clase de perfección, que suele
identificarse con la especie, e incluso la raza o la estirpe, del autor de la
idea. Por fortuna, este punto de vista teleológico está en decadencia, y hoy es
posible contemplar la evolución más como un proceso que como un medio para alcanzar
algún fin.
Aun así, todavía persiste, incluso entre algunos
biólogos, la idea de que es inherente a la evolución biológica cierta
«tendencia» hacia la complejidad. Como hemos visto, lo que realmente ocurre es
algo más sutil. La evolución procede por pasos, y en cada paso la complejidad
puede aumentar o disminuir, pero el efecto en la totalidad de especies
existentes es que la mayor complejidad representada tiende a aumentar con el
tiempo. Un proceso similar se da en las comunidades en crecimiento económico,
donde una familia concreta puede ver cómo sus ingresos aumentan, disminuyen o
no varían, pero la distribución de ingresos se va ampliando, de modo que los
ingresos familiares máximos en el conjunto de la comunidad tienden a
incrementarse.
Figura 18. Distribución cambiante de las distancias en un paseo aleatorio
Si ignorásemos cualquier ventaja atribuible a una
complejidad incrementada, podríamos contemplar la distribución cambiante de
complejidades como una especie de difusión, ejemplificada por un «paseo
aleatorio» a lo largo de una línea. Un gran número de pulgas parten de un mismo
punto y van dando saltos iguales en longitud, alejándose del punto de partida o
acercándose a él al azar (en el primer salto, por supuesto, todas se alejan).
En cualquier momento posterior, una o más pulgas estarán más lejos que las demás
del punto de partida. Naturalmente, la pulga más distante en cada caso puede
variar, dependiendo de cuál de ellas ha dado, por azar, el mayor número de
saltos netos alejándose del punto de partida. La distancia máxima del conjunto
de pulgas tiende a aumentar con el tiempo. La distribución de distancias desde
el punto de partida se amplía a medida que la difusión de las
pulgas las lleva cada vez más lejos, como se muestra en la Figura 18.
El crecimiento de la complejidad máxima puede
proceder, especialmente en sistemas no adaptativos como las galaxias, de una
manera que recuerda a la difusión. Pero en los sistemas complejos adaptativos,
como la evolución biológica, suele ocurrir que las presiones selectivas
favorecen una mayor complejidad en determinadas situaciones. La forma de la
distribución de complejidades en función del tiempo diferirá en tales casos de
la que resulta de un paseo aleatorio. Aunque sigue sin haber razón alguna para pensar
en una progresión continua hacia organismos cada vez más complejos, las
presiones selectivas que favorecen una complejidad más alta a menudo pueden ser
intensas. La caracterización de aquellos sistemas y entornos físicos en los que
la complejidad es una gran ventaja representa un desafío intelectual
importante.
Los sucesos umbral que se presentan en el
transcurso de la evolución biológica suelen dar lugar a grandes incrementos de
complejidad y también a progresos muy significativos. La apertura de un umbral
crítico se traduce en una explosión de nuevos nichos ecológicos, cuya ocupación
puede muy bien parecer causada por una tendencia hacia una mayor complejidad.
Dado que nosotros los humanos somos los organismos
más complejos en la historia de la Tierra, es comprensible que algunos
contemplen la totalidad del proceso evolutivo como algo conducente al Homo
sapiens sapiens. Aun reconociendo que esta idea responde únicamente a
un necio antropocentrismo, en cierto sentido sí puede decirse que la evolución
biológica termina con nosotros, o por lo menos queda en suspenso. Nuestro
efecto sobre la biosfera es tan profundo y nuestra capacidad para transformar
la vida (no sólo mediante procedimientos antiguos y lentos como los de los
criadores de perros, sino con métodos modernos como la ingeniería genética)
será pronto tan grande que ciertamente el futuro de la vida sobre la Tierra
depende en gran parte de decisiones cruciales tomadas por nuestra propia
especie. Salvo una espectacular renuncia a la tecnología (muy difícil a la
vista de la enorme población humana que depende ya completamente de ella para
su sustento) o la autodestrucción de la mayor parte del género humano —seguida
de una regresión a la barbarie de los supervivientes— da la impresión de que,
en un futuro previsible, el papel de la evolución biológica natural será, para
bien o para mal, secundario al de la cultura humana y su evolución.
La diversidad de las comunidades ecológicas
Desafortunadamente, pasará mucho tiempo antes de
que el conocimiento, la inteligencia y el ingenio humanos puedan igualar —si es
que lo hacen alguna vez— la «sabiduría» de miles de millones de años de
evolución biológica. No sólo los organismos individuales han desarrollado
morfologías intrincadas y modos de vida propios, sino que las interacciones
entre la multiplicidad de especies que componen las comunidades ecológicas han
experimentado delicados ajustes mutuos a lo largo de grandes periodos de tiempo.
Las diversas comunidades consisten en grupos de
especies que difieren en función de la región del globo donde se encuentran y,
dentro de cada región, del entorno físico. En tierra, el carácter de la
comunidad varía de acuerdo con factores tales como la altitud, las lluvias y su
distribución a lo largo del año, o la temperatura y sus variaciones. Las
diferencias regionales se deben a que en muchos casos las distribuciones de las
distintas especies se han visto afectadas por los movimientos de los continentes
a lo largo de millones de años y accidentes tales como antiguas migraciones y
dispersiones.
Los bosques tienden a diferir grandemente entre sí,
incluso en los trópicos. No todos los bosques tropicales son pluvisilvas, como
ciertos medios de comunicación podrían hacernos creer. Algunos son bosques
secos, otros bosques de tipo alpino, etc. Por otra parte, pueden distinguirse
cientos de pluvisilvas distintas, con diferencias significativas en la flora y
en la fauna. Brasil, por ejemplo, alberga no sólo la vasta extensión de la
selva amazónica, considerablemente variada en sí misma, sino también la muy
diferente selva atlántica, ahora reducida a una pequeña fracción de su
extensión inicial. En su margen meridional la selva atlántica se confunde con
la del Alto Paraná en Paraguay y con la selva tropical de la provincia de
Misiones en Argentina. La destrucción progresiva de la selva amazónica es ahora
una preocupación general, aunque todavía se mantiene en pie gran parte de ella
(a veces, por desgracia, en un estado degradado no detectable fácilmente desde
el aire), pero la preservación de lo que queda de la selva atlántica es un
asunto aún más urgente.
También los desiertos difieren entre sí. En el
desierto del Namib, en Namibia, la flora y la fauna son en gran parte
diferentes de las del desierto del Sahara, en el otro extremo de África, y de
las del desierto espinoso del sur de Madagascar. Los desiertos de Mojave y del
Colorado, en el sur de California, son bien distintos entre sí y comparten
pocas especies con, digamos, el Negev israelí (una excepción notable es el
sabra, el conocido cactus de Israel, que es una especie originaria de México y
California). En una visita a los desiertos del Colorado y del Negev, una
inspección superficial revelará muchas semejanzas en la apariencia de la flora,
pero buena parte de este parecido es atribuible, no a un parentesco cercano
entre las especies, sino a una convergencia evolutiva resultante de presiones
selectivas similares. Igualmente, muchas euforbias de las mesetas áridas de
África oriental se parecen a los cactus del Nuevo Mundo, pero sólo porque se
han adaptado a climas similares; en realidad pertenecen a familias diferentes.
La evolución ha producido en diversas partes del globo cierto número de
soluciones distintas pero similares al problema representado por una comunidad
de organismos viviendo en unas condiciones determinadas.
Ante tal diversidad de comunidades naturales
¿tendrán los seres humanos la sabiduría colectiva necesaria para elegir las
políticas apropiadas? ¿Habremos adquirido el poder de efectuar cambios enormes
antes de haber madurado lo suficiente como especie para hacer un uso
responsable del mismo?
El concepto biológico de adaptación
Las comunidades ecológicas compuestas de multitud
de individuos complejos pertenecientes a gran número de especies, todos ellos
desarrollando esquemas para describir y predecir el comportamiento mutuo, son
sistemas que probablemente nunca alcanzan un estado estacionario final y ni
siquiera se aproximan a él. Cada especie evoluciona en presencia de
agrupaciones constantemente cambiantes de otras especies. La situación es muy
diferente de la de los extremófilos oceánicos, que evolucionan en un entorno
fisicoquímico prácticamente constante e interaccionan con otros organismos
principalmente a través de la materia orgánica que desciende hasta ellos a
través del agua.
Ni siquiera a un sistema comparativamente simple y
casi autocontenido como el de los extremófilos se le puede asignar un atributo
numérico rigurosamente definido que se llame «adaptación», y mucho menos que
vaya aumentando en el curso de la evolución hasta llegar a un estado
estacionario. Incluso en un caso tan simple es más seguro concentrarse
directamente en las presiones selectivas que favorecen unos caracteres
fenotípicos sobre otros, influyendo así en la competencia entre los diferentes
genotipos. Estas presiones selectivas pueden no ser expresables en términos de
una magnitud simple y bien definida llamada adaptación, sino que pueden
requerir una descripción más complicada, incluso en el caso ideal de una sola
especie que se adapta a un medio ambiente inmutable. Todavía es menos probable,
pues, que pueda asignarse una medida de adaptación a un organismo en un entorno
cambiante, especialmente cuando se trata de un miembro de una comunidad
ecológica de organismos altamente interactivos adaptándose a las peculiaridades
de unos y otros.
Aún así, un tratamiento simplificado de la
evolución biológica en términos de adaptación puede resultar instructivo. La
idea subyacente al concepto de adaptación biológica es que la propagación de
los genes de una generación a la siguiente depende de la supervivencia del
organismo hasta que éste alcanza la fase reproductora y genera un número
razonable de descendientes que a su vez sobreviven para reproducirse. Las tasas
diferenciales de supervivencia y reproducción pueden describirse a menudo
toscamente en términos de un índice de adaptación, definido de manera que los
organismos con una mayor adaptación tienden en general a propagar sus genes con
más éxito que los que tienen una adaptación menor. En el límite, los organismos
con patrones genéticos asociados consistentemente con el fracaso reproductivo
tienen una adaptación muy baja y tienden a desaparecer.
Relieves adaptativos
Al introducir la tosca noción de «relieve
adaptativo» se pone de manifiesto una dificultad general. Imaginemos los
diferentes genotipos dispuestos en una superficie bidimensional horizontal (que
representa lo que en realidad es un espacio matemático multidimensional de
genotipos posibles). La adaptación o inadaptación queda indicada por la altura;
a medida que los genotipos varían la adaptación describe una superficie
bidimensional, con gran número de crestas y valles, dentro de un espacio de
tres dimensiones. Los biólogos representan convencionalmente el incremento de
la adaptación como un incremento de altura, de modo que los máximos de
adaptación corresponden a las cimas y los mínimos al fondo de los valles; pero
yo emplearé la convención inversa, como se acostumbra a hacer en muchos otros
campos, y daré la vuelta a todo el cuadro. Ahora la adaptación aumenta con la
profundidad, y los máximos se encuentran en el fondo de las depresiones, como
se muestra en la Figura 19.
El paisaje que resulta es muy complicado, con
numerosos valles («máximos de adaptación locales») de profundidad muy variable.
Si la evolución tuviese siempre como efecto un descenso continuo —una mejora
constante de la adaptación— entonces el genotipo quedaría probablemente
atrapado en el fondo de una depresión somera y no tendría oportunidad de
alcanzar los valles profundos cercanos que corresponden a una adaptación mucho
mayor. El movimiento del genotipo tiene que ser, como mínimo, más complicado
que un simple deslizamiento hacia abajo. Si además incluyese, por ejemplo,
saltos aleatorios, esto le daría la oportunidad de escapar de las depresiones
someras y encontrar otras más profundas en las cercanías. Sin embargo, no debe
haber demasiados saltos, o todo el proceso dejaría de funcionar. Como hemos
visto en diversos contextos, un sistema complejo adaptativo funciona mejor en
una situación intermedia entre el orden y el desorden.
Figura 19. Un relieve adaptativo en el que la adaptación crece con la
profundidad
Adaptación inclusiva
Una complicación adicional en el manejo del
concepto de adaptación surge en los organismos superiores que se reproducen
sexualmente. Cada uno de tales organismos transfiere sólo la mitad de sus genes
a la descendencia, mientras que la otra mitad procede del otro progenitor. Los
descendientes no son clones, sino meros parientes cercanos. Y el organismo
considerado tiene también parientes cercanos, la supervivencia de los cuales
puede contribuir de alguna manera a la propagación de genes similares a los suyos.
Para tener en cuenta hasta qué punto sobreviven y consiguen reproducirse los
parientes de un organismo dado, de acuerdo con la cercanía del parentesco, los
biólogos han desarrollado la noción de «adaptación inclusiva» (naturalmente, la
adaptación inclusiva también tiene en cuenta la supervivencia del organismo
mismo). La evolución debería mostrar una tendencia general a favorecer los
genotipos que exhiban una alta adaptación inclusiva, especialmente a través de
pautas de comportamiento heredadas que promuevan la supervivencia tanto del
organismo individual como de sus parientes cercanos. Esta tendencia recibe el
nombre de «selección de parentesco», y encaja bien en un cuadro evolutivo en el
que los organismos serían meros instrumentos de los que los genes «se sirven»
para propagarse. Este punto de vista ha sido popularizado como el del «gen
egoísta».
El gen egoísta y el «gen
literalmente egoísta»
Una forma extrema de gen egoísta podría ser
responsable del fenómeno conocido como «distorsión segregacional». Descrita por
el sociobiólogo Robert Trivers, la distorsión segregacional resultaría de la
operación de un «gen literalmente egoísta», es decir, un gen que actúa directamente,
no a través del organismo resultante, para triunfar en la competencia con los
patrones genéticos rivales. Uno de tales genes presente en un animal macho
podría hacer que sus espermatozoides adelantasen o incluso envenenasen a los de
otros machos, haciendo así más fácil la victoria en la carrera para fecundar
los huevos de la hembra. En cambio, un gen literalmente egoísta no tiene por
qué conferir ninguna ventaja al organismo resultante, e incluso podría ser
nocivo en cierto grado.
Aparte de estas notables excepciones, las presiones
selectivas se ejercen indirectamente a través del organismo producido por la
fusión de espermatozoide y óvulo. Esto está más en línea con la noción de
sistema complejo adaptativo, donde el esquema (en este caso el genoma) se pone
a prueba en el mundo real (por medio del fenotipo) y no directamente.
Adaptación individual e inclusiva
Un caso fascinante en el que parecen estar
implicadas tanto la adaptación individual como la inclusiva es el denominado
comportamiento altruista en ciertas especies de aves. El arrendajo mejicano
vive en los hábitats áridos del norte de México, sureste de Arizona y suroeste
de Nuevo México. Hace años los ornitólogos observaron que cada nido de esta
especie era atendido a menudo por varias aves además de la pareja que produjo
los huevos. ¿Qué hacían allá los otros arrendajos? El comportamiento que exhibían
¿era en verdad altruista? La investigación de Jerram Brown reveló que en muchos
casos los ayudantes eran ellos mismos hijos de la pareja que criaba, y por lo
tanto estaban ayudando a criar a sus propios hermanos. Este comportamiento
parecía suministrar un notable ejemplo de evolución del comportamiento social a
través de la adaptación inclusiva. La evolución había favorecido un
comportamiento paternal en el que los arrendajos jóvenes, posponiendo su propia
reproducción, ayudaban a alimentar y cuidar a sus hermanos menores, asistiendo
así a la propagación de genes estrechamente relacionados con los propios.
Más recientemente, el cuadro se ha complicado algo
a raíz de los trabajos de John Fitzpatrick y Glen Woolfenden acerca de una
especie emparentada, el arrendajo de Florida, que habita en los robledales
áridos —en franca recesión— del sur de aquella región. Hasta ahora esta ave se
consideraba una de las muchas subespecies del arrendajo azul americano, muy
común en el sudoeste de los Estados Unidos, pero Fitzpatrick y Woolfenden
proponen que debe considerarse una especie separada, atendiendo a su apariencia,
vocalizaciones, comportamiento y genética. Como en el arrendajo mejicano, el
comportamiento de esta especie incluye la crianza asistida. Aquí también los
ayudantes tienden a ser hijos de la pareja que cría, pero las observaciones de
los investigadores de
Florida indican que los ayudantes actúan también en
interés propio. Los territorios de anidamiento en el robledal árido son
extensos (del orden de treinta acres) y son defendidos con fiereza, por lo que
no resultan fáciles de conseguir. Los ayudantes están en la mejor posición para
heredar todo o parte del territorio donde desempeñan su labor. Por lo menos en
Florida, parece que la adaptación individual ordinaria tiene un papel muy
importante en el comportamiento «altruista» del arrendajo.
No he presentado la historia del arrendajo de
Florida para tomar partido en una controversia entre ornitólogos, sino para
ilustrar la sutileza del concepto de adaptación, inclusiva o no. Aunque es un
concepto útil, sigue siendo un tanto circular. La evolución favorece la
supervivencia de los mejor adaptados, y los mejor adaptados son los que
sobreviven, o aquellos cuyos parientes próximos sobreviven.
La adaptación sexual
El fenómeno de la reproducción sexual plantea
algunos retos especiales a las teorías basadas en las presiones selectivas y la
adaptación. Como muchos otros organismos, los animales superiores tienden a
reproducirse sexualmente. Pero en ciertos casos esos mismos animales pueden
reproducirse facultativamente por partenogénesis, un proceso en el que las
hembras, sin requerir los servicios de un macho, generan hembras hijas que,
aparte de posibles mutaciones, son genéticamente idénticas a las progenitoras. Incluso
los huevos de un animal tan complejo como la rana pueden producir, tras ser
estimulados con la punta de una aguja, renacuajos que se desarrollan hasta
convertirse en ranas adultas. En algunos casos raros, como el de los lagartos
de cola de látigo de México y el sudoeste de los Estados Unidos, una especie de
vertebrado parece arreglárselas sólo con la partenogénesis, sin que haya machos
en absoluto. ¿Para qué el sexo entonces? ¿Qué enorme ventaja confiere la
reproducción sexual? ¿Por qué se selecciona en general frente a la
partenogénesis? ¿Para qué sirven en verdad los machos?
La reproducción sexual introduce diversidad en los
genotipos de los descendientes. A grandes rasgos, los cromosomas (cada uno con
una cadena de genes) se presentan en pares, y cada individuo hereda uno de los
componentes de cada par del padre y el otro de la madre. Cuál de ellos procede
del padre y cuál de la madre es fundamentalmente una cuestión de azar. (En los
gemelos idénticos, el resultado de esta repartición estocástica es el mismo
para ambos.) La descendencia de los organismos con muchos pares de cromosomas
tiene por lo general juegos de cromosomas diferentes de los de los
progenitores.
Además de eso, la reproducción sexual introduce un
mecanismo completamente nuevo, distinto de la mutación ordinaria, para producir
cambios en los cromosomas. En el proceso denominado «entrecruzamiento»,
ilustrado en la Figura 20, un par de cromosomas homólogos intercambian
fragmentos durante la formación de un espermatozoide o un huevo. Supongamos que
el entrecruzamiento tiene lugar en el segundo caso. El huevo, producido por la
madre, adquiere un cromosoma mixto, una parte del cual es aportada por el padre
de la madre y el resto por la madre de la madre, mientras que otro huevo puede
recibir un cromosoma formado por las partes restantes de los cromosomas del
abuelo y la abuela matemos.
El teórico evolucionista William Hamilton, ahora
catedrático en Oxford, ha sugerido una explicación simple para el valor de la
reproducción sexual. En términos generales, la idea es que para los enemigos de
una especie, especialmente los parásitos nocivos, resulta más difícil adaptarse
a la diversidad de una población generada por reproducción sexual que a la
relativa uniformidad de una población generada por partenogénesis. La mezcla de
los cromosomas aportados por el padre y la madre, junto con el entrecruzamiento,
permiten todo tipo de combinaciones nuevas entre los descendientes, obligando a
los parásitos a enfrentarse a una gran variedad de huéspedes diferentes en su
química corporal, hábitos, etc. El resultado es que los enemigos encuentran
dificultades y los huéspedes están más seguros.
La teoría indica que las especies sin reproducción
sexual deberían disponer de otros mecanismos para enfrentarse a los parásitos,
especialmente en el caso de grupos enteros de animales inferiores que han
vivido sin sexo durante decenas de millones de años. Los rotíferos bdeloideos
son uno de tales grupos. Son animalillos que se desplazan girando y habitan en
las alfombras de musgo y otros lugares que permanecen húmedos la mayor parte
del tiempo, pero que se secan durante semanas o meses según los caprichos de la
meteorología. Una discípula de Hamilton, Olivia Judson, está estudiando estos
rotíferos para averiguar cómo se las arreglan con los parásitos. Ella sugiere
que su hábito de desecarse y dejarse llevar por el viento cuando su entorno se
seca podría proporcionarles la suficiente protección contra los parásitos como
para prescindir del sexo.
En cualquier caso, las ventajas de la reproducción
sexual tienen que ser considerables para compensar la desventaja obvia que
supone la fragmentación de los genotipos de padres y abuelos con una capacidad
demostrada para sobrevivir y reproducirse con éxito. Estas ventajas son
relativas al conjunto de la población, aunque muchos evolucionistas insisten en
que las presiones selectivas se ejercen únicamente sobre los individuos. Pero
quizás ésta no sea una norma rígida.
En un reciente encuentro en el Instituto de Santa
Fe, John Maynard Smith, que enseña en la Universidad de Sussex, comentaba este
tema cuando Brian Arthur, presidente de la sesión, recordó la ocasión en que
ambos se encontraron por primera vez. Los dos estudiaron la carrera de
ingeniería. Maynard Smith comenzó diseñando aviones y después se pasó a la
biología evolutiva, donde ha hecho importantes contribuciones. Brian, que se
crió en Belfast, se dedicó a la investigación operativa y más tarde a la economía.
Después se convertiría en profesor en Stanford y sería el director fundador del
programa económico del Instituto de Santa Fe. Se encontraron por primera vez en
un congreso científico en Suecia, donde en el curso de su intervención Maynard
Smith hizo notar que mientras el sexo tenía ventajas obvias para las
poblaciones, no estaba claro que las tuviera para los individuos. Brian gritó
desde la audiencia: «¡Vaya visión del sexo más inglesa!». Maynard Smith, tras
encajar el golpe, replicó: «Deduzco por su acento que usted es irlandés. Bien,
en Inglaterra por lo menos tenemos sexo».
Figura 20. Entrecruzamiento de cromosomas en la reproducción sexual
Muerte, reproducción y población en biología
Mientras que el sexo no es algo ni mucho menos
universal en biología, la muerte sí que está muy cerca de serlo. La muerte de
los organismos es una de las más dramáticas manifestaciones de la segunda ley
de la termodinámica. Y como tal es, en cierto sentido, común a todos los
sistemas complejos adaptativos. Sin embargo, es especialmente significativa en
la evolución biológica, donde la interacción entre muerte y reproducción está
en la vanguardia del proceso adaptativo. La competencia entre grupos de genotipos
se traduce en gran medida en la competencia por el tamaño de la población entre
los tipos de organismos correspondientes. La adaptación, hasta donde puede
hacerse una buena definición de ella en el contexto de la evolución biológica,
está siempre conectada con el tamaño de la población.
La comparación entre diversas clases de sistema
complejo adaptativo revela situaciones en que la muerte, la reproducción y la
población tienen menos importancia que en biología. Por ejemplo, imaginemos un
ser humano individual absorto en la resolución de un problema. En este caso los
esquemas son ideas y no genotipos. El análogo de la muerte es el olvido. Nadie
puede negar la omnipresencia y significación del olvido, pero difícilmente
puede compararse su papel con el de la muerte en biología. Si no fuese necesario
olvidar, «borrar la cinta», el carácter del pensamiento no experimentaría
grandes cambios. El recuerdo de una idea es útil, y contrarresta el efecto del
olvido, pero el número de recuerdos idénticos o casi idénticos no caracteriza
la adecuación de una idea en la misma medida que la población tiende a
correlacionarse con la adaptación en biología.
A medida que las ideas se propagan en el seno de
una sociedad (también en la comunidad científica) adquiere importancia el
número de personas que comparten una idea determinada. En las elecciones
democráticas, en la medida en que tienen que ver con las ideas, la opinión
mayoritaria es la que prevalece. Pero está claro que la existencia de un
abrumador número de partidarios no necesariamente implica que una idea sea
correcta, y ni siquiera garantiza su supervivencia a largo plazo.
Un ejemplo más cercano a la evolución biológica
puede ser el de la competencia entre las sociedades humanas en el pasado. En
gran medida, la adaptación se medía por la población. En el Sudeste Asiático,
por ejemplo, algunos grupos étnicos practicaban la agricultura de regadío para
el cultivo del arroz, mientras que otros practicaban una agricultura de secano,
a menudo quemando el bosque. Los primeros, como los pueblos de Tailandia
central, Laos o Vietnam, podían mantener muchos más individuos por unidad de superficie
que sus vecinos. La mayor densidad de población les permitió dominar a los
agricultores de secano, que en muchos casos se vieron relegados a tierras
montañosas remotas. De cara al futuro, bien podemos preguntarnos si es deseable
que la densidad o la población absoluta continúen determinando de la misma
manera quiénes ganan y quiénes pierden.
La ocupación de los nichos
A largo plazo, la evolución biológica, con su
énfasis en la muerte y la población, es perfectamente eficiente en la ocupación
de nuevos nichos ecológicos a medida que éstos surgen. Cuando existe la
oportunidad de adoptar un cierto modo de vida, es probable que algún organismo
evolucione para aprovecharla, por estrafalario que pueda parecer a los ojos de
un observador humano.
En este contexto es relevante la analogía entre una
comunidad ecológica y la economía de mercado. Cuando surgen nuevas
oportunidades para hacer negocio en una economía de este tipo, lo más probable
(aunque no es seguro) es que aparezcan individuos o empresas dispuestos a
explotarlas. La analogía de la muerte en este caso es la quiebra, y es la
riqueza, en vez de la población,
lo que da una medida aproximada de la adaptación de
la empresa.
Tanto en economía como en ecología, la aparición de
un nuevo negocio o un nuevo organismo (o de una nueva forma de actuar en una
empresa u organismo ya existente) altera el relieve adaptativo de los otros
miembros de la comunidad. Desde el punto de vista del negocio o de la especie,
este relieve experimenta continuos cambios (además de no estar del todo bien
definido a priori).
Ambos casos ilustran cómo un sistema complejo
adaptativo, una vez establecido, puede llenar nichos, crear otros nuevos en el
proceso, llenar éstos a su vez y así sucesivamente, engendrando nuevos sistemas
complejos adaptativos por el camino. (Como se indicaba en el diagrama de la
Figura 1, la evolución biológica ha dado lugar al sistema inmunitario de los
mamíferos, al aprendizaje y al pensamiento y, a través de los seres humanos, a
sociedades capaces de aprender y adaptarse, y más recientemente a ordenadores
que funcionan como sistemas complejos adaptativos.)
Siempre explorando, buscando nuevas oportunidades,
experimentando con la novedad, el sistema complejo adaptativo ensaya
incrementos de complejidad y ocasionalmente descubre sucesos umbral que abren
posibilidades estructurales completamente nuevas, incluyendo nuevas formas de
sistema complejo adaptativo. Dado un tiempo suficiente, la probabilidad de la
evolución de la inteligencia parece que debiera ser alta.
Astrónomos y planetólogos piensan que no existe
ninguna razón para pensar que los sistemas planetarios sean especialmente raros
en nuestra galaxia o en cualquier otra galaxia similar en el universo. Tampoco
los teóricos del origen de la vida tienen motivos para pensar que las
condiciones de nuestro planeta hace unos 4000 millones de años fueran tan
especiales que la aparición de la vida (o algo parecido a ella) en un planeta
sea un acontecimiento particularmente improbable. Es verosímil que en el universo
abunden los sistemas complejos adaptativos y que en muchos de ellos haya
evolucionado, o acabe por evolucionar, la inteligencia. Como ya hemos
mencionado, para la búsqueda de inteligencia extraterrestre el principal dato
que falta es el número de planetas por unidad de volumen espacial en los que
han surgido seres inteligentes y la duración típica del período de civilización
técnica con emisión de señales electromagnéticas. Dada la inmensa cantidad de
conocimiento que podemos extraer de la diversidad de comunidades naturales en
la Tierra, por no hablar de la diversidad de sociedades humanas, resulta
sobrecogedor imaginar (como hacen a veces los escritores de ciencia ficción)
las lecciones que el contacto con extraterrestres podría damos acerca de la
variedad de circunstancias que los sistemas complejos adaptativos son capaces
de explotar.
El engaño entre las aves
Para encontrar ejemplos curiosos de explotación de
oportunidades por parte de especies en interacción con otras, podemos fijamos
en el engaño tal como es practicado por animales no humanos. El mimetismo es
bien conocido; la mariposa virrey, por ejemplo, se parece a la monarca y se
aprovecha así del rechazo que inspira ésta en los depredadores a causa de su
mal sabor. El cuclillo (en el Viejo Mundo) y el boyero (en el Nuevo Mundo)
practican otro tipo de engaño, poniendo sus huevos en los nidos de otras aves;
los polluelos intrusos se deshacen después de los huevos o polluelos legítimos
y monopolizan la atención de los padres adoptivos. Ahora bien, ¿realmente
engañan?
Estamos acostumbrados a oír que la gente engaña,
pero que esto ocurra en otros organismos resulta más sorprendente. Cuando la
marina argentina descubre un misterioso periscopio en el estuario del Río de la
Plata justo antes de que el presupuesto de las fuerzas armadas comience a
debatirse, podemos sospechar que se está intentando engañar para conseguir
recursos adicionales, lo que no nos resulta especialmente sorprendente. Pero la
existencia de un comportamiento análogo entre las aves es algo inesperado.
Un caso así fue descubierto recientemente por mi
amigo Charles Munn, un ornitólogo que estudia las bandadas mixtas que se
alimentan en las selvas bajas tropicales del Parque Nacional Manu, en Perú.
Algunas especies ramonean juntas en el sotobosque y otras en el estrato
inferior del dosel, acompañadas de vez en cuando por coloreados tangarás
frugívoros procedentes del estrato superior. (Entre las especies presentes en
estas bandadas en la época invernal hay unos pocos migradores norteamericanos.
Más al norte, hacia Centroamérica, se encuentran muchos más. Quienes residimos
en Norteamérica sólo las vemos cuando anidan en verano, y nos llama la atención
encontrarlas llevando un modo de vida muy diferente en tierras lejanas. Si
queremos que vuelvan para anidar año tras año, hay que proteger sus hábitats en
los países meridionales. Igualmente, su retorno a estos países quedará
comprometido si los bosques norteamericanos continúan siendo reducidos a
parcelas cada vez más pequeñas. La reducción de los bosques propicia invasiones
posteriores por parte de los boyeros parásitos.)
En cada bandada mixta hay una o dos especies
centinela que deambulan de manera que suelen estar en medio de la bandada o
justo debajo. Mediante un canto especial los centinelas advierten a los demás
de la presencia en las proximidades de posibles aves rapaces. Charlie observó
que los centinelas de las bandadas del sotobosque daban a veces la señal de
aviso aun cuando no existía un peligro aparente. Una inspección más cercana
demostraba que la falsa alarma permitía a menudo al centinela arrebatar un suculento
bocado que de otro modo se habría comido otro miembro de la bandada. Una
observación cuidadosa reveló que los centinelas practicaban el engaño alrededor
de un 15% de las veces, sacando provecho de él con frecuencia. Preguntándose si
este fenómeno sería más general, Charlie examinó el comportamiento de las
bandadas del estrato inferior del dosel y encontró que los centinelas de allá
hacían lo mismo. El porcentaje de señales falsas era más o menos el mismo en
las dos especies centinela. Presumiblemente, si este porcentaje fuera mucho
mayor las señales dejarían de ser aceptadas por el resto de la bandada
(recuérdese el cuento del pastorcillo que gritaba «¡que viene el lobo!») y si
fuera mucho menor, el centinela apenas obtendría alimento extra. Me pregunto si
este dato del 15% podría derivarse de alguna clase de razonamiento matemático;
en un modelo plausible, ¿podría corresponder a 1/2n?
Cuando consulté esta cuestión con Charles Bennett,
recordó algo que le había contado su padre sobre las unidades de la fuerza
aérea canadiense con base en Inglaterra durante la segunda guerra mundial. Para
las ocasiones en que enviaban un caza y un bombardero juntos, les pareció una
buena idea intentar engañar de vez en cuando a la Luftwaffe haciendo volar el
caza por debajo del bombardero y no por encima como era lo habitual. Tras
aplicar el método de ensayo y error un buen número de veces, llegaron a la conclusión
de que lo mejor era hacerlo al azar una vez de cada siete.
Pequeños pasos y grandes cambios
En nuestra discusión de los sucesos umbral
citábamos algunos ejemplos de avances en la evolución biológica que
representaban saltos enormes, pero también indicábamos que se trata de
acontecimientos raros en el extremo de todo un espectro de cambios de magnitud
diversa, siendo mucho más comunes los cambios pequeños cerca del otro extremo
del espectro. Sea cual sea la magnitud del evento, la evolución biológica suele
proceder actuando sobre lo que hay disponible. Los órganos existentes se
adaptan a nuevos usos. Los brazos humanos, por ejemplo, no son más que patas
anteriores ligeramente modificadas. Las estructuras no son radicalmente
descartadas en un rediseño revolucionario de la totalidad del organismo. Los
mecanismos de la mutación y la selección natural no favorecen tales
discontinuidades. Pero las revoluciones ocurren.
Hemos discutido cómo, en el fenómeno del
«equilibrio puntuado», los cambios relativamente repentinos pueden tener
orígenes diversos. Uno de los posibles es un cambio en el entorno fisicoquímico
que altere significativamente las presiones selectivas. Otro es la «deriva», en
la que las mutaciones neutras, que no alteran la viabilidad del fenotipo (y a
veces ni siquiera éste) conducen gradualmente a una situación de inestabilidad
del genotipo, donde una o unas pocas mutaciones pueden crear un organismo significativamente
diferente y preparar el camino para una cascada de cambios que se extiendan a
otras especies. A veces pequeños cambios desencadenan sucesos umbral, muchas
veces de carácter bioquímico, que abren dominios enteros de formas de vida
completamente nuevas. En algunos casos estos cambios revolucionarios se inician
con la agregación de organismos en estructuras compuestas. Pero en todos los
casos la unidad básica de cambio es una mutación (o recombinación, con o sin
entrecruzamiento) que opera sobre lo que ya está presente. Nunca se saca nada
de donde no hay.
¿Hasta qué punto es éste un principio general para
los sistemas complejos adaptativos? En el pensamiento humano, por ejemplo, ¿es
necesario proceder por pequeños pasos? ¿Debe limitarse el proceso de creación a
encadenamientos de cambios menores sobre lo ya existente? ¿Por qué no podría un
ser humano ser capaz de inventar un ingenio totalmente nuevo, diferente de
cualquier otro conocido? Y en ciencia, ¿por qué no concebir una teoría
completamente nueva, sin ninguna semejanza con las ideas precedentes?
La investigación (y también la experiencia diaria)
parece indicar que, efectivamente, el pensamiento humano suele proceder por
asociación y por pasos, en cada uno de los cuales se introducen modificaciones
específicas sobre lo pensado con anterioridad. Pero tanto en la invención como
en la ciencia, el arte, y muchos otros campos de la creación humana, de vez en
cuando surgen estructuras singularmente novedosas. Tales innovaciones recuerdan
los sucesos umbral en la evolución biológica. ¿Cómo se producen? ¿Responde el
pensamiento creativo humano a modelos diferentes según las diferentes áreas de
actividad? ¿O hay involucrados principios generales de alguna clase?
Capítulo 17
Del aprendizaje al pensamiento creativo
Comenzaremos con algunas observaciones sobre la
creación en el marco de la teoría científica y después exploraremos su relación
con la creación en otros campos.
Cuando una nueva idea teórica se impone acostumbra
a alterar y ampliar el cuerpo de teoría existente, permitiendo acomodar hechos
observacionales que antes no podían comprenderse o no encajaban. También
predice nuevos hechos que algún día pueden ser comprobados.
Casi siempre, la idea novedosa incluye una
autocrítica negativa, el reconocimiento de que algún principio previamente
aceptado es falso y debe descartarse (a menudo ocurre que una idea que era
correcta en principio iba acompañada, por razones históricas, de un lastre
intelectual innecesario que hay que tirar por la borda.) En cualquier caso,
sólo saliéndose del marco de ideas aceptadas excesivamente restrictivas puede
haber progreso.
En ocasiones, cuando una idea correcta es propuesta
y aceptada por primera vez, se le da una interpretación demasiado estrecha. En
cierto sentido, sus posibles implicaciones no se toman lo bastante en serio.
Más adelante el autor de la idea original o algún otro teórico vuelven sobre
ella para examinarla con más rigor, de modo que pueda apreciarse todo su
significado.
El primer artículo de Einstein sobre la relatividad
especial, que publicó en 1905 a la edad de 26 años, ilustra tanto el rechazo de
una idea aceptada equivocada como la reconsideración de una idea correcta no
aplicada en toda su extensión. Einstein tuvo que romper con la idea, aceptada
pero errónea, de un espacio y un tiempo absolutos. Después comenzó a considerar
la idea de que las simetrías presentes en las ecuaciones de Maxwell para el
electromagnetismo —las simetrías correspondientes a la relatividad especial—
tuviesen carácter de principio general. Hasta entonces su dominio de aplicación
se había restringido al electromagnetismo, y no se pensaba que pudiesen regir,
por ejemplo, en la dinámica de partículas.
Una experiencia personal
A lo largo de mi carrera he tenido el placer y la
fortuna de proponer unas cuantas ideas dentro del campo de la teoría de
partículas elementales que, por supuesto, no me colocan a la altura de un
Einstein, pero sí que han resultado ser útiles e interesantes y me han
proporcionado alguna experiencia personal acerca del acto creativo en el marco
de la teoría científica.
Una de mis primeras aportaciones servirá de
ilustración. En 1952, cuando ingresé en la facultad de física de la Universidad
de Chicago, me propuse encontrar una explicación al comportamiento de las
nuevas «partículas extrañas», así llamadas porque se producían en abundancia
como correspondería a una interacción fuerte, pero se desintegraban lentamente,
una propiedad asociada a la interacción débil. (Aquí «lentamente» significa una
vida media de alrededor de una diez mil millonésima de segundo; la tasa normal
de desintegración para la interacción fuerte correspondería a una vida media de
alrededor de una billonésima de billonésima de segundo, más o menos el tiempo
que tarda la luz en atravesar una partícula semejante.)
Para explicar este comportamiento conjeturé la
existencia de alguna ley que impidiese la desintegración inducida por la
interacción fuerte, responsable de la abundante producción de partículas
extrañas. La desintegración procedería entonces lentamente a través de una
interacción débil. Ahora bien, ¿qué ley era ésta? Los físicos especulaban desde
hace tiempo sobre la conservación en la interacción fuerte de la magnitud
conocida como espín isotópico (I), que puede tomar los valores
0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, etc. Por aquellas fechas un grupo de físicos que
trabajaba en el piso de abajo, bajo la batuta de Enrico Fermi, estaba
comenzando a reunir pruebas experimentales en favor de esta idea, por lo que
decidí comprobar si la conservación del espín isotópico podía ser la ley en
cuestión.
La hipótesis convencional era que los fermiones
—partículas nucleares (asociadas a la interacción fuerte) como el neutrón y el
protón— deberían caracterizarse por valores de I iguales a
1/2, 3/2, 5/2, etc., siguiendo el ejemplo del neutrón y el protón, que tienen
un valor I = 1/2 (la idea estaba reforzada por el hecho de que
el momento angular de espín de un fermión sólo puede tomar los valores
indicados). Asimismo se creía que las partículas bosónicas asociadas a la
interacción fuerte, los mesones, deberían tener I = 0, 1,2,
etc., como el pión, que tiene I = 1 (otra vez el paralelismo
con el momento angular de espín, que para un bosón debe ser un número entero,
una creencia fuertemente consolidada en el marco de la teoría entonces
aceptada).
Un grupo de partículas extrañas (ahora llamadas
partículas sigma y lambda) consiste en fermiones asociados a la interacción
fuerte que se desintegran lentamente en un pión (I = 1) más un neutrón o un
protón (I = 1/2). En un principio pensé en asignar a estas partículas extrañas
un espín isotópico de 5/2, lo que impediría la desintegración inducida por la
interacción fuerte. Pero esto no servía, porque efectos electromagnéticos tales
como la emisión de un fotón podrían cambiar I en una unidad y
burlar así la ley. En estas fui invitado por el Instituto de Estudios Avanzados
de Princeton a dar una charla sobre mi idea y sus limitaciones. En la discusión
sobre las partículas sigma y lambda, iba a decir «supongamos que tienen I =
5/2, de modo que la interacción fuerte no puede inducir su desintegración» para
después demostrar cómo el argumento se iba a pique por culpa del
electromagnetismo, al cambiar I = 5/2 por I =
3/2, un valor que permitiría a la desintegración en cuestión proceder
rápidamente a través de la interacción fuerte.
Por un desliz dije «I = 1» en vez de «I = 5/2».
Inmediatamente me quedé parado al darme cuenta de que eso era precisamente lo
que yo andaba buscando. El electromagnetismo no puede cambiar I =
1 en I = 3/2 o I = 1/2, por lo que el
comportamiento de las partículas extrañas podía explicarse por la conservación
de I después de todo.
Ahora bien, ¿y la regla que afirma que los
fermiones asociados a la interacción fuerte debían tener valores de I sementeros
como 1/2, 3/2 o 5/2? Enseguida caí en la cuenta de que esta regla era una mera
superstición, un lastre intelectual innecesario superpuesto al concepto válido
de espín isotópico, y que había llegado el momento de librarse de ella. El concepto
de espín isotópico veía así ampliado su dominio de aplicación.
La explicación de la desintegración de las
partículas extrañas surgida de aquel lapsus limpie demostró
ser correcta. Hoy día tenemos una comprensión más profunda de ella y, en
correspondencia, una manera más simple de exponerla: las partículas extrañas
difieren de otras más familiares como los neutrones, protones o piones en que
tienen al menos un quark «extraño», o quark s, en lugar de un
quark u o un quark d. Sólo la interacción
débil puede transformar el «sabor» de un quark en otro, y este proceso tiene lugar
lentamente.
Experiencias compartidas sobre gestación de ideas
creativas
Hacia 1970 formé parte de un pequeño grupo de
físicos, biólogos, pintores y poetas reunidos en Aspen, Colorado, para debatir
sobre la experiencia de la gestación de ideas creativas. Cada uno de nosotros
describió un episodio referente a su propio trabajo. Yo elegí el del lapsus
durante mi charla en Princeton.
Los relatos mostraban una notable concordancia.
Todos habíamos encontrado una contradicción entre el modo establecido de hacer
las cosas y algo que queríamos llevar a cabo: en el arte, la expresión de un
sentimiento, un pensamiento, una intuición; en la teoría científica, la
explicación de algunos hechos experimentales enfrentados a un «paradigma»
aceptado que no permite tal explicación.
En primer lugar, habíamos trabajado durante días,
semanas o meses, meditando sobre las dificultades del problema en cuestión e
intentando solventarlas. En segundo lugar, había llegado un momento en que,
aunque siguiéramos dándole vueltas al asunto, era inútil seguir pensando. En
tercer lugar, de modo repentino, mientras paseábamos en bicicleta, nos
afeitábamos o cocinábamos (o por una equivocación, como en el ejemplo descrito
por mí) se presentaba la idea crucial. Habíamos conseguido salir del atolladero
en que nos habíamos metido.
A todos nos llamó la atención la congruencia entre
nuestras respectivas historias. Más adelante he sabido que esta percepción del
acto creativo es de hecho bastante antigua. Hermann von Helmholtz, el gran
fisiólogo y físico de finales del siglo pasado, describió las tres etapas de la
gestación de una idea como saturación, incubación e iluminación, en perfecta
concordancia con lo que los miembros del grupo de Aspen estuvimos discutiendo
un siglo después.
Cabe preguntarse qué es lo que pasa durante la
segunda etapa, la de incubación. Para quienes se inclinen por el psicoanálisis,
una interpretación que acude de inmediato a la mente es que a lo largo del
periodo de incubación, la actividad mental continúa, pero en el nivel «pre
consciente», justo al borde de la conciencia. Mi propia experiencia, con el
descubrimiento repentino de la solución correcta como consecuencia de un
desliz, difícilmente puede ajustarse mejor a tal interpretación. Pero algunos
psicólogos académicos escépticos ofrecen una hipótesis alternativa, la de que
en realidad no ocurre nada durante la fase de incubación, excepto quizás un
debilitamiento de la propia fe en el falso principio que entorpece la búsqueda
de soluciones. El verdadero pensamiento creativo tendría lugar entonces justo
antes del momento de la iluminación. En cualquier caso, entre la fase de
saturación y la de iluminación siempre transcurre un intervalo de tiempo
apreciable que puede considerarse como un periodo de incubación, tanto si
pensamos intensamente sin ser conscientes de ello como si solamente algún
prejuicio pierde gradualmente su capacidad para dificultar el hallazgo de una
solución.
En 1908, Henri Poincaré añadió una cuarta etapa,
importante aunque obvia: la verificación. Poincaré describe su propia
experiencia en el desarrollo de una teoría para cierta clase de funciones
matemáticas. Trabajó incansablemente en el problema durante dos meses sin
éxito. Una noche de insomnio le pareció que «las ideas surgían en tropel; las
sentía colisionar hasta que, por así decirlo, un par de ellas quedaban trabadas
formando una combinación estable». Todavía no tenía la solución. Pero, un día
después, estaba subiendo a un autobús que lo iba a transportar junto con varios
colegas en una excursión geológica de campo cuando «... sin que nada en mis
pensamientos pareciera haberle preparado el camino, me vino de pronto la idea
de que las transformaciones que había empleado para definir estas funciones
eran idénticas a las de la geometría no euclídea. No la verifiqué en ese
momento, y cuando tomé asiento continué con una conversación iniciada antes,
pero sentía una certeza absoluta. De vuelta a Caen, para tranquilizar mi
conciencia, verifiqué el resultado».
El psicólogo Graham Wallis describió formalmente
este proceso de cuatro etapas en 1926, y desde entonces ha sido un tema
estándar dentro de la psicología aplicada, aunque pienso que ninguno de
nosotros en la reunión de Aspen había oído hablar antes de él. Lo encontré por
primera vez en el libro de Morton Huna The Universo Mitin (El universo
interior), de donde he sacado las citas anteriores.
¿Puede acelerarse o eludirse la incubación?
Ahora bien, ¿es necesario pasar por un período de
incubación? ¿Puede acelerarse o eludirse esta etapa de modo que no tengamos que
esperar tanto para que acuda la nueva idea indispensable? ¿Podemos encontrar un
atajo para salir del atolladero intelectual en el que estamos atrapados?
Hay gente que ofrece programas especiales para
aprender determinadas técnicas mentales y que asegura que el pensamiento
creativo puede desarrollarse con un adiestramiento adecuado. Algunas de sus
sugerencias para salir del atolladero se ajustan bastante bien a una
interpretación del proceso en términos de sistemas complejos adaptativos. El
aprendizaje y el pensamiento en general ejemplifican el funcionamiento de los
sistemas complejos adaptativos, y quizá la más alta expresión de esta facultad
en la Tierra es el pensamiento creativo humano.
Un análisis aproximado en términos de relieves
adaptativos
Como en cualquier otro análisis de sistemas
complejos adaptativos, resulta instructivo introducir las nociones de
adaptación y relieve adaptativo, aunque, todavía más que en el caso de la
evolución biológica, no dejan de ser idealizaciones supersimplificadas. Es
improbable que un conjunto de presiones selectivas sobre los procesos mentales
pueda expresarse en términos de una adaptación bien definida.
Esto es especialmente cierto en la búsqueda de
ideas creativas por parte de un artista. En ciencia el concepto probablemente
puede aplicarse mejor: la adaptación o adecuación de una idea teórica sería una
medida de hasta qué punto mejora la teoría existente, por ejemplo al explicar
nuevas observaciones a la vez que mantiene o incrementa la coherencia y el
poder explicativo de dicha teoría. En cualquier caso, imaginemos que tenemos un
relieve adaptativo para las ideas creativas. Aquí también asociaremos una altura
decreciente con una adaptación creciente (compárese con el diagrama de la
Figura 19).
Como hemos visto en el caso de la evolución
biológica, es demasiado simple suponer que un sistema complejo adaptativo
únicamente se desliza pendiente abajo. Cuando cayese en una depresión, el
sistema descendería uniformemente hasta llegar al fondo, un máximo local de
adaptación. La región en forma de embudo que rodea a cada uno de estos máximos
locales recibe el nombre de cuenca de atracción. Si el sistema no hiciera otra
cosa que descender, está claro que sería muy probable que quedase atrapado en
el fondo de una depresión poco profunda. A mayor escala hay más cuencas,
algunas de las cuales pueden ser más profundas (y por lo tanto representar una
mayor adaptación y ser más «deseables») que aquella en la que se encuentra el
sistema, como se muestra en la Figura 19. ¿Cómo se las arregla el sistema para
explorar estas otras cuencas?
Una manera de salir de una cuenca de atracción,
como se discutía en el caso de la evolución biológica, tiene que ver con el
ruido, entendido éste como un movimiento aleatorio superpuesto a la tendencia
descendente. El ruido da al sistema la oportunidad de escapar de una depresión
somera y encaminarse hacia alguna de las depresiones vecinas más profundas,
hasta alcanzar el fondo de una depresión auténticamente profunda. Sin embargo,
el ruido debe ser tal que las amplitudes de las excursiones aleatorias no sean
demasiado grandes. De otro modo la interferencia con el proceso de descenso
sería excesiva, y el sistema no permanecería en una cuenca profunda ni siquiera
después de haberla alcanzado.
Otra posibilidad es que haya pausas en el proceso
de descenso uniforme que permitan una exploración libre de las proximidades.
Esto permitiría el descubrimiento de depresiones vecinas más profundas. Hasta
cierto punto tales pausas se corresponden con el proceso de incubación en el
pensamiento creativo, en el que la búsqueda metódica de la idea requerida queda
en suspenso y la exploración puede continuar fuera de los límites del
pensamiento consciente.
Algunas recetas para escapar hacia cuencas más
profundas
Algunas de las sugerencias para acelerar el proceso
de gestación de una idea creativa se ajustan bien al cuadro del uso de un nivel
controlado de ruido para evitar quedarse en el fondo de una cuenca de atracción
demasiado poco profunda. Se puede intentar escapar de la cuenca original por
medio de una perturbación aleatoria —Edward DeBono, por ejemplo, recomienda
intentar aplicar al problema, sea cual sea, el último sustantivo de la portada
del diario.
Otro método, muy empleado a lo largo de la
posguerra, es el llamado «de imaginación creativa». Aquí varias personas
intentan encontrar soluciones a un problema reuniéndose para una discusión
colectiva en la que se anima a una de ellas a desarrollar la sugerencia de
alguna otra sin que esté permitido rechazarla por muy estrafalaria que sea. Una
propuesta disparatada o autocontradictoria puede representar un estado mental
inestable que conduzca a una solución. DeBono gusta de citar como ejemplo una
discusión sobre el control de la contaminación fluvial, en la cual alguien
podría decir: «Lo que de verdad hace falta es asegurarse de que las fábricas
estén aguas abajo en relación a ellas mismas». Esta sugerencia es
manifiestamente imposible, pero alguien más podría derivar de ella una
propuesta más seria diciendo: «Se puede hacer algo parecido a eso colocando la
toma de agua de cada fábrica aguas abajo en relación al desagüe». La idea
disparatada puede contemplarse como una elevación dentro del relieve adaptativo
que puede conducir a una cuenca mucho más profunda que la de partida.
¿Transferencia de técnicas mentales?
Edward y muchos otros han preparado material
didáctico para cursos especiales de técnicas mentales para escolares, así como
para empresas y hasta asociaciones de vecinos. Algunas de estas técnicas se
refieren al logro de ideas creativas. Estos cursos han sido ensayados en
diversas partes del mundo. En Venezuela, por ejemplo, uno de sus últimos
presidentes creó un ministerio de inteligencia para fomentar la enseñanza de
técnicas mentales en las escuelas de aquel país. Bajo los auspicios del nuevo
ministerio un gran número de estudiantes ha seguido diversos cursos de este
tipo.
Frecuentemente el contenido de los cursos destaca
el uso de técnicas mentales en contextos particulares. Por ejemplo, muchos de
los ejercicios de Edward tienen que ver con lo que yo llamaría análisis o
estudios políticos. Se refieren a elecciones entre líneas de acción
alternativas a escala de individuo, familia, organización, pueblo o ciudad,
estado o provincia, nación o entidad supranacional (un ejercicio puede
comenzar, por ejemplo, con la hipótesis de que una nueva ley ha sido aprobada,
y seguir con una discusión sobre sus posibles consecuencias). Por regla
general, los contenidos se refieren al hallazgo y análisis de argumentos a
favor y en contra de diversas opciones conocidas y al descubrimiento de otras
nuevas.
Una cuestión que surge de modo natural es hasta qué
punto las técnicas aprendidas en un cierto contexto son transferibles a otros
diferentes. Ejercitar la mente ideando nuevas opciones políticas (o sopesando
los méritos relativos de las viejas) ¿sirve para descubrir ideas nuevas y
aprovechables en una rama de la ciencia o para crear grandes obras de arte?
¿Sirve para que los escolares aprendan ciencias, matemáticas, historia o
lengua? Es posible que algún día tengamos una respuesta clara a estas preguntas.
Mientras tanto, sólo disponemos de una información muy preliminar.
Comprobación de la validez de diversos métodos
propuestos
Cuando alguien sigue un curso de técnicas mentales,
resulta especialmente dificultoso determinar si ha tenido lugar algún progreso
en la capacidad creativa del estudiante. Idealmente se debería disponer de un
test más o menos normalizado, de modo que las partes interesadas —padres,
funcionarios de la enseñanza y del gobierno, y legisladores— pudiesen comprobar
los resultados. ¿Pero cómo puede un test normalizado medir el pensamiento
creativo? Los problemas de diseño proporcionan una respuesta parcial. Por ejemplo,
me han contado que en Venezuela se les pidió en una ocasión a los estudiantes
de técnicas mentales que diseñaran una mesa para un pequeño apartamento. Es
concebible que las respuestas a problemas de este tipo, calificadas con arreglo
a un sistema de puntuación imaginativo y cuidadosamente estudiado, puedan dar
alguna indicación acerca de la asimilación de las técnicas creativas por parte
de los estudiantes.
David Perkins, de la Harvard Graduate School of
Education, uno de los proponentes del problema de la mesa, está especialmente
interesado en infundir la enseñanza de técnicas mentales a la totalidad del
programa educativo y no restringirla a cursos especiales. Destaca especialmente
que la necesidad de ideas creativas no surge sólo en los dominios
estratosféricos de la ciencia y el arte, sino también en la vida diaria. Cita
el ejemplo de un amigo que, en una excursión donde nadie había pensado en traer
un cuchillo, salvó la situación cortando el queso con una tarjeta de crédito.
David señala que la investigación ha identificado
cierto número de rasgos propios de la gente que, en el dominio de las ideas,
consigue repetidamente salir de una cuenca de atracción para llegar a otra más
profunda. Estos rasgos incluyen la dedicación a la tarea, la conciencia de
estar atrapado en una cuenca inadecuada, una cierta inclinación a balancearse
en las fronteras entre cuencas y la capacidad de formular y resolver problemas.
Parece improbable que para poseer estos rasgos uno tenga que nacer con ellos.
Es muy posible que puedan inculcarse, pero no está nada claro que las escuelas
actuales hagan una labor significativa en esa dirección. Por ejemplo, como hace
notar David, las escuelas son prácticamente los únicos sitios donde uno
acostumbra a encontrarse con problemas ya formulados.
Figura 21. Solución del problema de conectar nueve puntos con cuatro líneas
rectas sin levantar el lápiz del papel
Formulación de problemas y límites verdaderos de un
problema
La formulación de un problema tiene que ver con el
descubrimiento de sus límites reales. Para ilustrar lo que quiero decir, tomaré
prestados algunos ejemplos que mi amigo Paul MacCready, antiguo vecino y
compañero de clase en Yale, suele emplear en sus conferencias como ilustración
de soluciones originales a problemas (Paul es el inventor del avión a pedales,
el avión de energía solar, el pterodáctilo artificial volador y otros ingenios
de lo que él modestamente llama «la frontera trasera de la aerodinámica»).
Aunque emplearé sus mismos ejemplos, la lección que extraeré será algo
diferente.
Consideremos el famoso problema ilustrado en la
Figura 21: «Conectar los nueve puntos trazando el menor número posible de
líneas rectas sin levantar el lápiz del papel». Mucha gente asume que las
líneas tienen que mantenerse dentro del cuadrado determinado por los puntos
exteriores, aunque esta restricción no forma parte del enunciado del problema.
De este modo se requieren cinco líneas para resolverlo. Si permitimos que las
líneas se prolonguen por fuera del cuadrado, entonces bastan cuatro, como se muestra
en la ilustración. Si este fuera un problema en el mundo real, un paso crucial
en su formulación sería descubrir si hay alguna razón para confinar las líneas
dentro del cuadrado. Esto forma parte de lo que yo llamo la determinación de
los límites del problema.
Si el problema permite que las líneas se prolonguen
por fuera del cuadrado, quizá permita también otras libertades. ¿Qué tal si
rompemos el papel en trozos, lo redistribuimos de modo que los puntos queden en
fila y dibujamos una línea recta por encima de ellos en un solo trazo? Varias
ideas como ésta han sido recogidas por James L. Adams en su libro Conceptual
Blockbusters (Rompecabezas conceptuales). La mejor estaba en una carta
que le envió una jovencita, reproducida en la Figura 22. El punto clave es la última
frase: «Nadie dijo que no se pudiera usar una línea gruesa». ¿Están prohibidas
las líneas gruesas o no? ¿Cuáles son las reglas en el mundo real?
Figura 22. Carta de una niña de diez años dirigida al profesor Adams. (De
Conceptual Blockbusting. A guide to Better Ideas, de James L. Adams, tercera
edición, Addison-Wesley, Reading, Mass., pág. 31. Copyright 1974, 1976, 1979,
1986 by James L. Adams. Reproducido con autorización)
Como siempre, determinar los límites del problema
es un tema fundamental en la formulación del mismo. Este punto se pone de
manifiesto de manera aún más clara en «La historia del barómetro»[2], escrita por un profesor de física, el doctor
Alexander Calandra de la Universidad de Washington en St. Louis:
Hace algún tiempo recibí una llamada de un colega
para preguntarme si quería hacer de árbitro en la calificación de una pregunta
de examen. Por lo visto a un estudiante se le había puesto un cero por su
respuesta a una cuestión de física, mientras que él reclamaba que merecía la
nota máxima y que se la habrían dado si no fuera porque el sistema siempre va
en contra del alumno. Estudiante y profesor acordaron someter el asunto a un
árbitro imparcial, y yo había sido el elegido.
Fui al despacho de mi colega y leí la pregunta en
cuestión, que decía así: «Mostrar cómo se puede determinar la altura de un
edificio elevado con la ayuda de un barómetro».
La respuesta del estudiante era: «Se toma el
barómetro en lo alto del edificio, se le ata una cuerda larga, se baja el
barómetro hasta el suelo y después se vuelve a subir midiendo la longitud de
cuerda que hubo que soltar. Esta longitud es la altura del edificio».
Era una respuesta en verdad interesante, pero
¿había que aprobar a su autor? Por mi parte señalé que el estudiante merecía
sin duda la nota máxima, pues había contestado la cuestión completa y
correctamente. Por otro lado, si se le daba la nota máxima, esto podía
contribuir a que el estudiante aprobara el curso de física. Un aprobado se
supone que certifica que el estudiante sabe algo de física, pero la respuesta a
la pregunta no lo confirmaba. Con esto en mente, sugerí darle al estudiante
otra oportunidad para responder la cuestión. No me sorprendió que mi colega
profesor estuviera de acuerdo, pero sí que lo estuviera también el alumno.
En virtud del acuerdo, le concedí al estudiante
seis minutos para responder, con la advertencia de que la respuesta debería
denotar algún conocimiento de física. Al cabo de cinco minutos todavía no había
escrito nada. Le pregunté si quería dejarlo, pues tenía que hacerme cargo de
otra clase, pero dijo que no, que tenía muchas respuestas en mente, sólo estaba
pensando cuál era la mejor. Me disculpé por interrumpirle y le rogué que
continuara. En el minuto que quedaba escribió rápidamente la respuesta, que era
ésta: «Se toma el barómetro en lo alto del edificio y se apoya en el borde del
techo. Se deja caer, midiendo lo que tarda en llegar al suelo con un
cronómetro. Después, empleando la fórmula S = 1/2gt2 [distancia
recorrida en la caída igual a una mitad de la aceleración de la gravedad por el
tiempo transcurrido al cuadrado], se calcula la altura del edificio».
En este punto pregunté a mi colega si se daba por
vencido. Él asintió y le puse al estudiante un notable. Cuando mi colega se
fue, recordé que el estudiante había dicho que tenía otras respuestas al
problema y le pregunté cuáles eran. «Oh, sí», dijo él. «Hay muchas maneras de
averiguar la altura de un edificio grande con la ayuda de un barómetro. Por
ejemplo, se puede coger el barómetro en un día soleado, medir la altura del
barómetro y la longitud de su sombra y después la longitud de la sombra del edificio,
y por medio de una proporción simple se determina la altura del edificio».
«Muy bien», dije. «¿Y las otras?»
«Sí», dijo el estudiante. «Hay una medición muy
básica que le gustará. Se coge el barómetro y se comienza a subir las
escaleras. A medida que se sube, se marca la longitud del barómetro y esto nos
dará la altura del edificio en unidades barométricas. Un método muy directo.
»Naturalmente, si prefiere un método más
sofisticado, puede atar el barómetro al final de una cuerda, hacerlo oscilar
como un péndulo y determinar el valor de g [la aceleración de
la gravedad] a la altura de la calle y en lo alto del edificio. A partir de la
diferencia entre los dos valores de g se puede calcular en
principio la altura del edificio.»
Finalmente, concluyó: «Si no me tuviera que limitar
a las soluciones físicas del problema, hay muchas otras, como por ejemplo coger
el barómetro por la base y golpear en la puerta del portero. Cuando éste
conteste, se le dice lo siguiente:
»Querido señor portero, aquí tengo un barómetro de
muy buena calidad. Si me dice la altura de este edificio, se lo regalo.»
Capítulo 18
Superstición y escepticismo
En contraste con las presiones selectivas que
caracterizan la empresa científica (por lo menos en su versión más pura), otras
formas de selección muy diferentes han influido también en la evolución de las
ideas teóricas acerca de los mismos temas que ahora son competencia de la
ciencia. Un ejemplo lo constituye la apelación a la autoridad, independiente de
la comparación con la naturaleza. En la Europa medieval y renacentista, las
apelaciones a la autoridad (por ejemplo Aristóteles, por no citar la Iglesia Católica)
eran la regla en campos donde más tarde sería extensamente aplicado el método
científico. Cuando fue fundada la Royal Society de Londres en 1661, el lema
elegido fue Nullius in verba. Mi interpretación de esta frase
es «no hay que creer en las palabras de nadie», y representaba un rechazo de la
apelación a la autoridad en favor de la apelación a la naturaleza, propia de la
relativamente nueva disciplina de la «filosofía experimental», que ahora recibe
el nombre de ciencia natural.
Nos hemos referido ya a sistemas de creencias, como
la magia simpática, que responden predominantemente a presiones selectivas muy
diferentes de la comparación entre predicciones y observación. En los últimos
siglos la empresa científica ha prosperado y ha conquistado unos dominios donde
la autoridad y la magia han cedido el paso en gran medida al consorcio de
observación y teoría. Pero fuera de estos dominios las viejas formas de
pensamiento se encuentran por doquier y proliferan las supersticiones. La omnipresencia
de la superstición al lado de la ciencia, ¿es un fenómeno peculiar de los seres
humanos o cabría esperar que los sistemas complejos adaptativos inteligentes de
cualquier parte del universo mostrasen las mismas propensiones?
Confusiones en la identificación de regularidades
Los sistemas complejos adaptativos identifican
regularidades en el flujo de datos que reciben, y comprimen dichas
regularidades en esquemas. Dado que es fácil cometer dos clases de error —
confundir aleatoriedad con regularidad y viceversa— es razonable suponer que
los sistemas complejos adaptativos tenderían a evolucionar hacia una situación
de relativo equilibrio en que la identificación correcta de algunas
regularidades estaría acompañada de ambos tipos de confusión.
Contemplando las pautas del pensamiento humano
podemos identificar, grosso modo, la superstición con la
primera clase de error y la negación de la realidad con la segunda. Las
supersticiones tienen que ver por lo general con la percepción de un orden
donde de hecho no existe, y la negación de la realidad equivale al rechazo de la
evidencia de regularidades, a veces aunque salten a la vista. A través de la
introspección y la observación de otros seres humanos, cualquiera puede
detectar la asociación de ambos tipos de error con el miedo.
En el primer caso, la gente tiene miedo de lo
impredecible y, especialmente, de lo incontrolable de muchas de las cosas que
percibimos a nuestro alrededor. La causa última de una parte de esta
impredictibilidad es la indeterminación fundamental de la mecánica cuántica y
las restricciones adicionales a la predicción impuestas por el caos. Una gran
cantidad de incertidumbre añadida, con la consecuente impredictibilidad,
procede de las limitaciones en capacidad y alcance de nuestros sentidos e
instrumentos, con los que sólo podemos captar una minúscula fracción de la
información disponible en principio acerca del universo. Finalmente, estamos
lastrados por nuestra inadecuada comprensión del mundo y nuestra limitada
capacidad de cálculo.
La carencia resultante de motivos y razón nos da
miedo, y ello nos induce a imponer sobre el mundo que nos rodea, incluso sobre
los hechos aleatorios y los fenómenos azarosos, un orden artificial basado en
falsos principios de causalidad. De este modo nos confortamos con una fantasía
de predictibilidad e incluso de dominio, y nos hacemos la ilusión de que
podemos manipular el mundo que nos rodea invocando a las fuerzas imaginarias
que nos hemos inventado.
En el caso de la negación de la realidad, sí que
captamos regularidades auténticas, pero nos causan tal pánico que cerramos los
ojos y negamos su existencia. Evidentemente, la regularidad más amenazadora en
nuestras vidas es la certeza de la muerte. Numerosas creencias, incluidas
algunas de las más tenazmente persistentes, sirven para aliviar la ansiedad que
genera. Cuando las creencias específicas de esta clase son ampliamente
compartidas en el seno de una cultura, su efecto tranquilizador sobre el individuo
se multiplica.
Pero tales creencias acostumbran a incluir
regularidades inventadas, por lo que la negación de la realidad va acompañada
de la superstición. Por otra parte, examinando de nuevo las supersticiones del
tipo de la magia simpática, observamos que la creencia en ellas sólo puede
mantenerse negando sus defectos manifiestos, especialmente sus frecuentes
fracasos. La negación de regularidades reales y la imposición de regularidades
falsas son pues dos caras de la misma moneda. Aparte de que los seres humanos
sean proclives a ellas, ambas tienden a ir de la mano y reforzarse mutuamente.
Si este análisis tiene alguna justificación,
entonces podemos concluir que los sistemas complejos adaptativos inteligentes
que pueda haber dispersos por el universo deberían mostrar una tendencia a
errar en ambas direcciones en el proceso de identificación de regularidades en
sus datos de entrada. En términos más antropomórficos, podemos esperar que en
todas partes los sistemas complejos adaptativos inteligentes sean proclives a
una mezcla de superstición y negación de la realidad. Si tiene sentido, aparte de
la experiencia humana, describir esta mezcla en términos de alivio de ciertos
temores es otro asunto.
Un punto de vista ligeramente diferente sobre la
superstición en un sistema complejo adaptativo sugiere que quizá tienda a
predominar sobre la negación de la realidad. Se puede considerar que el sistema
ha evolucionado en gran parte para descubrir modelos, de modo que, en cierto
sentido, los modelos acaban por constituir en sí mismos una recompensa, incluso
aunque no confieran ninguna ventaja especial en el mundo real. Un modelo de
esta clase puede contemplarse como un «esquema egoísta», algo análogo al gen
egoísta e incluso al gen literalmente egoísta.
No es difícil encontrar ejemplos procedentes de la
experiencia humana. Hace pocos años fui invitado a un encuentro con un grupo de
distinguidos académicos de otras ciudades que habían venido a discutir sobre un
descubrimiento fascinante. Resultó que estaban entusiasmados con algunas
fotografías recientes de la NASA donde se veían rasgos de la superficie de
Marte que recordaban vagamente una cara humana. No puedo imaginar qué ventaja
habría podido conferir esta incursión en la improbabilidad a aquellas personas
por lo demás brillantes, aparte del mero regocijo de descubrir una misteriosa
regularidad.
El mito en el arte y en la sociedad
Numerosas presiones selectivas, aparte del alivio
de los temores, favorecen la distorsión del proceso de identificación de
regularidades en los seres humanos, especialmente en el nivel social. Las
supersticiones pueden servir para afianzar el poder de chamanes y sacerdotes.
Un sistema de creencias organizado, completado con mitos, puede motivar la
sumisión a determinados códigos de conducta y consolidar los lazos de unión
entre los miembros de una sociedad.
En el transcurso de las edades, los sistemas de
creencias han servido para organizar a la humanidad en grupos internamente
cohesionados y a veces intensamente competitivos, hasta el punto de que con
frecuencia se producen conflictos y persecuciones, acompañados a veces de
violencia a gran escala. Por desgracia no es difícil encontrar ejemplos en el
mundo actual.
Pero las creencias en competencia son sólo una de
las bases de la división de las personas en grupos incapaces de congeniar con
algún otro. Cualquier etiqueta sirve (una etiqueta es, citando de la tira
cómica B. C., «algo que se coloca a la gente para poder
odiarla sin tener que conocerla primero»). Muchas atrocidades a gran escala (y
crueldades individuales) han sido perpetradas sobre grupos étnicos, muchas
veces sin conexión con creencias particulares.
Al lado de los efectos devastadores de los sistemas
de creencias, sus aspectos positivos también resaltan vivamente, especialmente
las magníficas obras de arte que ha inspirado la mitología en la música, la
arquitectura, la literatura, la escultura, la pintura y la danza. Sólo el
ejemplo de las figuras negras de los jarrones griegos arcaicos bastaría para
dar testimonio de la energía creativa liberada por el mito.
Ante la abrumadora magnificencia de gran parte del
arte relativo a la mitología, se hace necesario reexaminar el significado de
las falsas regularidades. Además de ejercer una poderosa influencia sobre el
intelecto y las emociones humanas y conducir a la creación de grandes obras de
arte, los mitos tienen una clara significación adicional que trasciende su
falsedad literal y sus conexiones con la superstición.
Sirven para encapsular la experiencia adquirida a
lo largo de siglos y milenios de interacción con la naturaleza y con la cultura
humana. No sólo contienen lecciones, sino también, al menos por implicación,
normas de conducta. Constituyen partes vitales de los esquemas culturales de
las sociedades que funcionan como sistemas complejos adaptativos.
La búsqueda de modelos en las artes
La creencia en determinados mitos es sólo una de
las muchas fuentes de inspiración para las artes (igual que sólo es una de las
muchas fuentes de odio y atrocidades). No es sólo en conexión con el mito que
las artes se alimentan de modelos asociativos y regularidades no reconocidas
por la ciencia.
T odas las artes florecen sobre la identificación y
explotación de tales modelos. La mayoría de símiles y metáforas son modelos que
la ciencia podría ignorar, pero ¿qué sería de la literatura, y especialmente de
la poesía, sin metáforas? En las artes visuales, una gran obra a menudo
transporta al espectador hacia nuevas maneras de ver las cosas. El
reconocimiento y creación de modelos es una actividad esencial en toda forma de
arte. Los esquemas resultantes están sujetos a presiones selectivas que muchas
veces (aunque no siempre) están muy lejos de las que operan en la ciencia, lo
que tiene maravillosas consecuencias.
Podemos pues contemplar el mito y la magia al menos
desde tres perspectivas diferentes y complementarias:
1. Como teorías atractivas pero acientíficas,
regularidades confortadoras pero falsas, impuestas a la naturaleza.
2. Como esquemas culturales que contribuyen, para bien
o para mal, a dar a las sociedades una identidad propia.
3. Como parte de la gran búsqueda de modelos, de
asociaciones creativas, que incluye el trabajo artístico y enriquece la vida
humana.
¿ Un equivalente moral de la fe?
La cuestión que surge de modo natural es si hay
alguna manera de aprehender las espléndidas derivaciones de las creencias
míticas sin el autoengaño asociado a ellas ni la intolerancia que a menudo las
acompaña. En el siglo pasado se produjo un amplio debate sobre el concepto de
«equivalente moral de la guerra». Tal como yo lo entiendo, la cuestión es que
la guerra inspira lealtad, autosacrificio, valor e incluso heroísmo, y
proporciona una salida al afán de aventura, pero también es cruel y destructiva
en grado sumo. Por lo tanto, uno de los retos de la especie humana es encontrar
actividades que tengan los rasgos positivos característicos de la guerra sin
que lleven aparejados los negativos. Ciertas organizaciones intentan alcanzar
esta meta planteando desafíos en forma de viajes aventureros a jóvenes que de
otro modo no tendrían la oportunidad de llevar una vida al aire libre. Se tiene
la esperanza de que tales actividades puedan constituir un sustitutivo no sólo
de la guerra, sino también de la delincuencia y el crimen.
Si en lugar de la guerra y el crimen pensamos en la
superstición, uno puede preguntarse si puede hallarse un equivalente moral de
la fe. ¿Se puede derivar la satisfacción espiritual, el consuelo, la cohesión
social y las brillantes creaciones artísticas que acompañan a los mitos de otra
cosa que no sea la aceptación de estos como una verdad literal?
La respuesta podría residir en parte en el poder
del ritual. Se dice que el vocablo griego mithos, de donde
deriva la palabra «mito», se refería en tiempos antiguos a las palabras que se
pronunciaban en el curso de una ceremonia. En cierto sentido, los actos eran lo
principal, y lo que se decía sobre ellos era secundario. De hecho, a menudo se
había perdido, al menos parcialmente, el significado original del ritual, y el
mito superviviente representaba una tentativa de explicación por medio de la
interpretación de iconos del pasado y la recomposición de fragmentos de
antiguas tradiciones referidas a una etapa cultural hace tiempo olvidada. Así
pues, los mitos estaban sujetos al cambio,
mientras que era la continuidad del ritual lo que
contribuía a mantener la cohesión social. Siempre y cuando el ritual persista,
¿sería posible que se desmoronase la creencia literal en la mitología sin que
esto representara una perturbación excesiva?
Otra respuesta parcial podría relacionarse con la
percepción de la ficción y el drama. Los grandes personajes de la literatura
parecen tener vida propia, y sus experiencias son citadas a menudo como fuente
de sabiduría e inspiración, como si de personajes mitológicos se tratara. Pero
nadie pretende que estos productos de ficción sean literalmente reales. ¿Existe
alguna oportunidad, pues, de que muchos de los beneficios sociales y culturales
de la fe puedan preservarse mientras el aspecto negativo del autoengaño se
desvanece poco a poco?
Una última respuesta parcial podrían darla las
experiencias místicas. ¿Es posible que algunos de los beneficios espirituales
que se derivan a menudo de las supersticiones puedan obtenerse, al menos por
ciertas personas, a través de técnicas de adiestramiento que faciliten tales
experiencias?
Desafortunadamente, en el mundo contemporáneo la fe
literal en la mitología, lejos de estar desapareciendo, está en aumento en
muchos lugares. Los movimientos fundamentalistas ganan fuerza y amenazan a las
sociedades modernas con la imposición de normas de conducta restrictivas y
anticuadas y limitaciones a la libertad de expresión. (Por otra parte, tampoco
allí donde la mitología está en declive se observa necesariamente una gran
mejora en las relaciones entre los diversos grupos humanos, ya que ligeras diferencias
de cualquier clase pueden bastar para mantener la hostilidad entre ellos.)
Para una reflexión profunda sobre el tema de las
supersticiones recomiendo el libro Wings of Illusion (Las alas de la
ilusión), de John F. Schumaker, aunque tienda a desconfiar de nuestra
capacidad como especie para prescindir de nuestros entramados de ilusiones
consoladoras y, a menudo, inspiradoras.
El movimiento escéptico
En las dos últimas décadas, la persistencia de
supersticiones anticuadas se ha visto acompañada, al menos en los países
occidentales, de una oleada de popularidad de lo que se ha dado en llamar
movimiento New Age, muchas de cuyas convicciones no son más
que supersticiones pseudocientíficas contemporáneas, o supersticiones viejas
con nombres nuevos, como «canalización» en vez de «espiritismo». Los medios de
comunicación y los libros populares las pintan como si fueran factibles o
altamente probables, lo que ha hecho que surja un movimiento alternativo para
contrarrestar estas afirmaciones, el movimiento escéptico, del que se han
formado asociaciones locales por todo el mundo. (En tres de los sitios donde he
pasado buena parte de mi tiempo no vendría mal una buena dosis de escepticismo:
Aspen, Santa Fe y el sur de California.)
Las organizaciones escépticas locales están más o
menos ligadas a un comité con base en los Estados Unidos que responde a las
siglas CSICOP (Committee for Scientific Investigation of Claims of the
Paranormal). El CSICOP, que edita la revista Skeptical Inquirer, no
es una organización abierta al público, sino que sus miembros son electos. A
pesar de algunas reservas acerca de la organización y su revista, cuando me
propusieron formar parte de ella hace unos años acepté porque me gusta la labor
que lleva a cabo.
Las afirmaciones acerca de los llamados fenómenos
paranormales nos llegan desde todas partes. Algunas de las más ridículas pueden
encontrarse en las portadas de publicaciones de pequeño formato vendidas en el
mostrador de los supermercados: «El gato se come al loro. ahora habla. Kitty
quiere una galleta» «Cientos de personas que han regresado de la muerte
describen el cielo y el infierno» «Un increíble hombre pez puede respirar bajo
el agua» «Gemelos siameses encuentran a su hermano de dos cabezas» «Un extraterrestre
me dejó embarazada». El CSICOP no se molesta en ocuparse de tonterías tan
manifiestas. Pero sí que se irrita cuando periódicos, revistas o cadenas de
radio y televisión de gran difusión tratan como hechos rutinarios e
indiscutibles, como establecidos o muy probables, cosas que de ninguna manera
están probadas: fenómenos como la regresión hipnótica a vidas anteriores, los
médiums que proporcionan pistas a la policía o la psicocinesis (la capacidad de
mover objetos con la mente). Estas afirmaciones desafían las leyes aceptadas de
la ciencia basándose en evidencias que una investigación cuidadosa revela como
muy pobres o completamente inexistentes. Velar porque los medios de
comunicación no presenten tales cosas como reales o probables es una valiosa
actividad del CSICOP.
¿Qué significa paranormal?
Si nos fijamos en las implicaciones del nombre de
la organización surgen, sin embargo, algunas cuestiones. ¿Qué se entiende por
paranormal? Por supuesto, lo que la mayoría de quienes trabajamos en ciencia (y
de hecho mucha gente razonable) queremos saber antes que nada sobre cualquier
pretendido fenómeno es si realmente se produce y hasta qué punto las
afirmaciones sobre él son verdaderas. Pero si un fenómeno es auténtico, ¿cómo
puede ser paranormal? Los científicos, y también muchos no científicos, están convencidos
de que la naturaleza obedece a leyes regulares. En cierto sentido, por lo
tanto, no puede existir nada paranormal. Cualquier cosa que ocurra realmente en
la naturaleza puede ser descrita dentro del marco de la ciencia. Por supuesto,
no siempre estamos en disposición de elaborar un informe científico sobre un
fenómeno dado, y podemos preferir, por ejemplo, una descripción poética. A
veces el fenómeno es demasiado complicado para que una descripción científica
detallada sea factible. Pero, en principio, cualquier fenómeno auténtico tiene
que ser compatible con la ciencia.
Si se descubre (y se confirma de modo fidedigno)
algo nuevo que no encaja en las leyes científicas existentes, no nos llevamos
las manos a la cabeza. En vez de eso, ampliamos o modificamos las leyes de la
ciencia para acomodar el nuevo fenómeno. Esto coloca en una extraña posición
lógica a cualquiera que esté implicado en la investigación científica de las
afirmaciones sobre fenómenos paranormales, porque en última instancia nada que
ocurra realmente puede ser paranormal. Quizá por esto tengo a veces una vaga
sensación de decepción cuando leo la por otra parte excelente revista Skeptical
Inquirer. Falta el suspense. Leyendo el título de un artículo se suele
adivinar el contenido, es decir, que todo lo que hay en el título es falso.
Casi todo lo que se discute en la revista acaba siendo desacreditado. Es más,
muchos de los autores parecen sentirse obligados a examinar con lupa todo nuevo
caso, aunque en el mundo real cualquier investigación sobre algún fenómeno
complejo siempre suele dejar al principio algunos cabos sueltos. Es cierto que
me complace ver desacreditadas cosas tales como la cirugía psíquica y la
levitación a través de la meditación. Pero pienso que una ligera redefinición
de su misión contribuiría a que la organización se asentase sobre bases más
sólidas y la revista fuera más viva e interesante. Creo que la auténtica misión
de la organización es estimular el examen escéptico y científico de los
informes sobre fenómenos misteriosos, especialmente los que parecen desafiar
las leyes de la ciencia, pero sin hacer uso de la etiqueta «paranormal» con su
implicación de descrédito. Muchos de estos fenómenos acabarán presentándose
como una farsa o tendrán explicaciones prosaicas, pero unos pocos podrían
resultar básicamente auténticos además de interesantes. El concepto de
paranormal no me parece útil; y el espíritu desacreditador, aunque es
absolutamente apropiado para la mayoría de temas tratados, no siempre
constituye una aproximación completamente satisfactoria.
A menudo nos enfrentamos con situaciones donde hay
implicado un fraude consciente, se tima a la gente crédula, pacientes
seriamente enfermos acuden a curas inútiles (como la cirugía psíquica)
desviándose de tratamientos legitimados que podrían ayudarles, etc.
Desacreditar a los responsables es un servicio que se presta a la humanidad.
Aun entonces, sin embargo, deberíamos pensar un poco en las necesidades
emocionales de las víctimas de los charlatanes y en cómo podrían satisfacerse
sin recurrir al autoengaño.
Yo recomendaría a los escépticos que dediquen aún
más esfuerzos a comprender las razones por las que tanta gente quiere o
necesita creer. Si la gente no fuera tan receptiva, los medios de comunicación
no encontrarían tan rentable destacar lo que se califica como paranormal. De
hecho, no es únicamente una falta de comprensión sobre el grado de evidencia de
un fenómeno lo que subyace en la tendencia a creer en él. En mis discusiones
con personas que creen en seis cosas imposibles cada día antes del desayuno, como
la Reina Blanca de A través del espejo, he descubierto que el
rasgo principal que comparten es la disociación entre creencia y evidencia. De
hecho, muchas de estas personas confiesan libremente que creen en lo que les
gusta creer. La evidencia no tiene nada que ver. Alivian su temor ante lo
azaroso identificando regularidades allí donde no existen.
Aberración mental y sugestionabilidad
En cualquier discusión sobre creencias extrañas hay
dos temas obligados: la sugestionabilidad y la aberración mental. Las encuestas
revelan, por ejemplo, que un porcentaje asombrosamente elevado de personas cree
en la existencia de «alienígenas que vienen en platillos volantes». Hay quienes
incluso pretenden que han sido secuestrados y examinados de cerca por ellos, y
hasta abordados sexualmente. Uno tiene la impresión de que se trata de gente
que por alguna razón tiene dificultades para distinguir la realidad de la
fantasía, y es natural preguntarse si algunos padecen alguna enfermedad mental
seria.
También podría pensarse que algunas de estas
personas son desacostumbradamente sugestionables. Un hipnotizador podría poner
en trance a uno de tales sujetos y hacerle creer cualquier fantasía con la
mayor facilidad; quizá tenga lugar un proceso parecido de forma más o menos
espontánea. La facilidad para caer en trance quizá constituya una desventaja
potencial, pero también podría resultar ventajosa al facilitar, aparte de la
hipnosis, la autohipnosis o la meditación profunda, permitiendo así acceder a formas
de autocontrol difíciles (aunque no imposibles) de conseguir por otros medios.
En muchas sociedades tradicionales no es raro que
las personas que muestran una extraordinaria susceptibilidad al trance
encuentren un sitio como chamanes o profetas. Lo mismo ocurre con quienes
sufren ciertos tipos y grados de trastorno mental. La posibilidad de una
experiencia mística es seguramente mayor en estas personas que en la gente
corriente. En cuanto a las sociedades modernas, se dice que algunos de los
artistas más creativos pueden encuadrarse en una u otra categoría.
(Naturalmente, todas estas supuestas correlaciones tendrían que ser
cuidadosamente comprobadas.)
Las características mentales de la gente que cree
en fenómenos escandalosamente improbables, especialmente de individuos que
afirman haber tenido una participación personal en ellos, están siendo objeto
de investigación. Hasta ahora, la evidencia de enfermedades mentales serias o
de alta susceptibilidad al trance es sorprendentemente pobre. Más bien parece
que en muchos casos una fuerte creencia influye en la interpretación de una
experiencia ordinaria con algún fenómeno físico o estado mental inducido por el
sueño o las drogas. Pero la investigación está aún en pañales. Personalmente
creo que es deseable intensificar el estudio de las creencias y sistemas de
creencias entre los seres humanos y de sus causas subyacentes, pues considero
que el tema tiene una importancia capital para nuestro futuro a largo plazo.
Escepticismo y ciencia
Supongamos que todos convenimos en que el
movimiento escéptico, aparte de estudiar el tema de las creencias y
comprometerse en actividades como desenmascarar el fraude y velar por la
rectitud de los medios de comunicación, debe ocuparse del examen, desde una
perspectiva escéptica y científica, de los informes de fenómenos misteriosos
que parecen desafiar las leyes de la ciencia. Entonces el grado de escepticismo
aplicado debería ajustarse a la magnitud del desafío que el supuesto fenómeno
representa para las leyes admitidas. Aquí hay que andarse con mucho cuidado. En
ámbitos complicados como, por ejemplo, la meteorología o la ciencia planetaria
(geología incluida), puede alegarse la existencia de fenómenos extraños que
desafían ciertos principios aceptados en esos ámbitos pero que no parecen
violar leyes fundamentales de la naturaleza como la conservación de la energía.
Las leyes empíricas o fenomenológicas de tales ámbitos son a veces muy
difíciles de relacionar con las leyes de ciencias más básicas, y continuamente
se hacen nuevos descubrimientos que requieren la revisión de dichas leyes
empíricas. Un supuesto fenómeno que viola estas leyes no es tan sospechoso como
uno que viola la conservación de la energía.
Hace sólo treinta años la mayoría de geólogos,
incluidos casi todos los miembros de la distinguida facultad de geología de
Caltech, todavía desechaba desdeñosamente la idea de la deriva continental. Lo
recuerdo porque a menudo discutía con ellos sobre el asunto por aquel entonces.
A pesar de la acumulación de pruebas en su favor, se mostraban incrédulos ante
esta teoría. La consideraban una tontería principalmente porque la comunidad
geológica no tenía un mecanismo plausible para ella. Pero un fenómeno puede
perfectamente ser auténtico aunque no se haya encontrado una explicación
plausible de él. En estos casos es poco aconsejable descartar un fenómeno
hipotético sólo porque los expertos no pueden imaginar una causa directa que lo
justifique. Los científicos planetarios de hace dos siglos cometieron el
notorio error de desacreditar los meteoritos. «¿Cómo pueden caer rocas del
cielo», objetaban, «cuando todo el mundo sabe que no hay rocas en el cielo?»
Hoy día existe una fuerte tendencia entre mis
amigos del movimiento escéptico, y también entre mis colegas físicos, a
descartar demasiado deprisa las afirmaciones sobre la elevada incidencia de
cánceres raros en personas que están más expuestas de lo normal a campos
electromagnéticos relativamente débiles procedentes de dispositivos y líneas de
corriente alterna de 60 ciclos por segundo. Los escépticos pueden muy bien
estar en lo cierto al rechazar tales afirmaciones como falsas, pero la cosa no
es tan obvia como algunos dicen. Aunque los campos son demasiado débiles para
producir efectos notables como, por ejemplo, un incremento sustancial de
temperatura, sí que podrían tener efectos mucho más sutiles sobre ciertas
células altamente especializadas inusualmente sensibles al magnetismo por la
presencia en su interior de cantidades apreciables de magnetita. Joseph
Kirschvink (quien tiene unos intereses poco habituales en un profesor de
Caltech) está investigando experimentalmente esta posibilidad y ha hallado algunos
indicios preliminares de que la supuesta conexión del magnetismo con estos
cánceres raros podría ser algo más que una mera fantasía.
Relámpagos en bola
Ciertos fenómenos atmosféricos permanecen hasta el
día de hoy en una especie de limbo. Éste es el caso de los llamados «relámpagos
en bola». Algunos observadores declaran haber visto en tiempo tormentoso una
bola brillante, algo parecido a un relámpago esférico. Hay quien dice haberlas
visto entrar en una habitación por la ventana, rodar hacia dentro y desaparecer
después dejando una tenue llama. Aunque abundan los relatos anecdóticos de toda
clase, no existe una evidencia incontrovertible ni tampoco una teoría
satisfactoria sobre ellas. Un físico, Luis Alvarez, sugirió que los relámpagos
en bola eran sólo un efecto óptico. Esta explicación, sin embargo, no se ajusta
demasiado bien a las referencias anecdóticas fiables como, por ejemplo, las
recogidas por un científico a partir de entrevistas con empleados de un
laboratorio estatal. Algunos teóricos han investigado seriamente el fenómeno.
Mientras se encontraba bajo arresto domiciliario por negarse a trabajar en el
desarrollo de armas termonucleares bajo la tutela de Lavrenti P. Beria, jefe
del servicio secreto de Stalin, el gran físico ruso Pyotr L. Kapitsa, junto con
uno de sus hijos, escribió un artículo teórico proponiendo un mecanismo
hipotético para los relámpagos en bola. Otros han intentado reproducir el
fenómeno en el laboratorio. Pero hay que decir que hasta ahora los resultados
no son concluyentes. En pocas palabras, nadie tiene una buena explicación.
Hacia 1951, la mención de los relámpagos en bola
causó cierto revuelo en un seminario del Instituto de Estudios Avanzados de
Princeton, en el que Harold W. («Hal») Lewis, ahora profesor de física de la
Universidad de California en Santa Barbara, presentaba un trabajo teórico en
colaboración con Robert Oppenheimer. Creo que fue el último trabajo de
investigación de Robert antes de convertirse en director del Instituto, y
estaba muy inquieto esperando que la gente prestase atención a la ponencia de
Hal que resumía el artículo de Oppenheimer, Lewis y Wouthuysen sobre la
creación de mesones en colisiones protón-protón. En el curso de la discusión
posterior, alguien mencionó que Enrico Fermi había propuesto un modelo en el
que los dos protones se mantenían unidos durante largo tiempo por razones
desconocidas emitiendo mesones de manera estadística. Muchos de nosotros nos
sumamos a la discusión con propuestas acerca de la causa posible de este
comportamiento. El erudito físico teórico suizo Markus Fierz intervino haciendo
notar que no siempre está claro por qué las cosas se mantienen unidas. «Por
ejemplo», dijo, «pensemos en los relámpagos en bola.» (Oppenheimer comenzó a
ponerse rojo de ira. Acababan de presentar su último articulo científico y
Fierz estaba desviando la discusión hacia los relámpagos en bola.) Fierz vino a
decir que un amigo suyo había sido empleado por el gobierno suizo y se le había
concedido un pase especial de ferrocarril para que pudiese viajar por todo el
país en busca de testimonios sobre los relámpagos en bola. Finalmente, Robert
no pudo aguantar más y salió con gesto airado de la sala murmurando:
«¡Relámpagos en bola, relámpagos en bola!». No creo que nuestra comprensión del
fenómeno haya aumentado mucho desde entonces (ni siquiera aunque el propio Hal
Lewis haya escrito un interesante artículo sobre él).
Lluvias de peces
Uno de mis ejemplos favoritos de fenómeno
misterioso es la lluvia de peces y ranas. Muchos de los testimonios son muy
detallados y de buena fuente. Aquí tenemos uno de A. B. Bajkov describiendo una
lluvia de peces en Marksville, Louisiana, el 23 de octubre de 1947:
«Me encontraba dirigiendo investigaciones
biológicas para el Departamento de Fauna y Pesca. Aquel día, entre las siete y
las ocho de la mañana, comenzaron a caer peces de entre dos y nueve pulgadas
sobre las calles y patios de aquella población sureña, dejando atónitos a sus
habitantes. Yo estaba en el restaurante con mi mujer tomando el desayuno cuando
la camarera nos informó de que estaban lloviendo peces. Salimos inmediatamente
para coger algunos. La gente estaba entusiasmada. El director del Marksville Bank,
J. M. Barham, me contó que al levantarse de la cama se encontró con que habían
caído cientos de peces en su patio y en el de su vecina Mrs. J. W. Joffrion. El
cajero del mismo banco, J. E. Gremillion, y dos comerciantes, E. A. Blanchart y
J. M. Brouillette, fueron alcanzados por la lluvia de peces cuando se dirigían
a su lugar de trabajo hacia las 7:45.».
(Citado de William R. Corliss en Science, 109,
402, 22 de abril de 1949.)
Todos los meteorólogos a quienes he consultado me
han asegurado que no existe ninguna objeción concluyente a la posibilidad de
que tales criaturas puedan ser elevadas y transportadas a considerable
distancia antes de caer, como resultado de perturbaciones meteorológicas.
Aunque los mecanismos específicos, como las trombas marinas, son puramente
especulativos, es perfectamente posible que el fenómeno sea auténtico.
Por otra parte, el hecho de que los peces, o por lo
menos su puesta, lleguen al suelo vivos podría ser relevante para la
zoogeografía, el estudio de la distribución de las especies animales. Ernst
Mayr, el gran ornitólogo y zoogeógrafo, comentaba en uno de sus artículos que
hay muchos enigmas sobre la distribución de los peces de agua dulce que podrían
resolverse si estas criaturas pudieran ser transportadas por medios poco
convencionales, como las lluvias de peces.
De la discusión precedente se concluye que, si es
cierto que de vez en cuando caen peces del cielo, el proceso no representa
ningún perjuicio para las leyes aceptadas por la ciencia, más bien todo lo
contrario. Igualmente, si alguna de las supuestas criaturas «criptozoológicas»,
como el hipotético perezoso gigante de la Amazonia, resultase ser real, esto no
alteraría las leyes de la ciencia más de lo que lo hizo el descubrimiento del
celacanto en las aguas sudafricanas hace cincuenta años, cuando se creía extinguido
desde hacía mucho tiempo. ¿Pero qué se puede decir sobre aquellos fenómenos que
supuestamente desafían las leyes de la ciencia tal como las conocemos?
Fenómenos que desafían las leyes conocidas de la
ciencia
Aunque tales fenómenos no pueden descartarse ipso
facto, hay que aplicarles una alta cuota de escepticismo. Ahora bien,
si alguno de ellos resultara ser auténtico, las leyes científicas tendrían que
ser modificadas para acomodarlo.
Consideremos el supuesto fenómeno (en el que, dicho
sea de paso, yo no creo) de la telepatía entre dos personas estrechamente
emparentadas, digamos una madre y un hijo o dos gemelos idénticos. Casi todo el
mundo ha oído anécdotas que relatan que, en momentos de extrema tensión de uno
de los miembros de la pareja, el otro se siente alarmado, incluso cuando les
separa una gran distancia. Lo más probable es que estos testimonios respondan a
una combinación de coincidencia, memoria selectiva (olvido de falsas alarmas,
por ejemplo), recuerdo distorsionado de las circunstancias (incluyendo una
exageración de la simultaneidad), etc. Por otro lado, es muy difícil investigar
científicamente estos fenómenos, aunque no es imposible en principio. Por
ejemplo, uno puede imaginar un experimento —cruel y por lo tanto prohibido por
consideraciones éticas, aunque por otra parte factible— en el que se tomasen
muchas parejas de gemelos idénticos, se les separase por una larga distancia y
se sometiese a uno de los miembros de cada pareja a una intensa tensión para
ver si el otro reacciona. (Hay algunos crédulos, entre ellos varios de mis
conocidos de la New Age de Aspen, que creen que efectivamente
tal experimento se llevó a cabo con animales a bordo del submarino Nautilus bajo
los hielos polares. Según ellos, una coneja madre que viajaba en el submarino
mostraba signos de angustia cuando alguna de sus crías era torturada en
Holanda.)
En cualquier caso, supongamos por un momento que,
contrariamente a lo que yo esperaría, la telepatía entre, digamos, gemelos
idénticos resulta ser un fenómeno auténtico. Esto requeriría una profunda
revisión de las teorías científicas fundamentales, pero sin duda acabaría por
encontrarse alguna explicación. Por ejemplo, los teóricos podrían postular
alguna clase de cordón, de naturaleza por ahora desconocida, que probablemente
supondría importantes modificaciones de las leyes físicas tal como están ahora
formuladas. Este cordón conectaría a ambos gemelos transportando una señal
cuando alguno de ellos se encontrase en serias dificultades. De este modo el
efecto podría ser en gran parte independiente de la distancia, como muchos de
los testimonios sugieren. Una vez más quiero recordar que cito este ejemplo no
porque yo crea en la telepatía, sino sólo para ilustrar cómo deberían
modificarse las teorías científicas para acomodar fenómenos de lo más extraño
en el caso improbable de que resultaran ser auténticos.
Una habilidad genuina: Leer los surcos de los
discos
De vez en cuando el CSICOP encuentra que una
pretensión en apariencia descabellada está en realidad justificada. T ales
casos son debidamente notificados en el Skeptical Inquirer y
discutidos en las reuniones, pero en mi opinión debería prestárseles más
atención. Así quedaría más claro que lo fundamental es intentar distinguir los
hechos auténticos de los falsos y no simplemente desenmascarar el fraude.
Los científicos en conjunto acreditan un escaso
porcentaje de éxitos en la investigación de sospechosos de fraude. Con harta
frecuencia los farsantes han tomado el pelo a intelectuales reputados, y
algunos hasta se han convertido en defensores del charlatán de turno. El CSICOP
cuenta con el asesoramiento de un mago, James Randi, para diseñar las pruebas a
que deben someterse quienes dicen tener poderes extraordinarios. Randi sabe
cómo engañar al público, y es igualmente hábil para adivinar cuándo alguien intenta
engañarlo a él. Le encanta desenmascarar impostores y poner en evidencia sus
trucos.
Cuando la revista Discover publicó
que un hombre era capaz de extraer información leyendo en los surcos de los
discos de vinilo, se le encomendó a Randi investigar el asunto. El hombre en
cuestión era el doctor Arthur Lintgen, un físico de Pennsylvania que aseguraba
que podía mirar un disco de música sinfónica de cualquier época posterior a
Mozart e identificar el compositor, a menudo la pieza y a veces hasta el
intérprete. Randi le sometió a las rigurosas pruebas habituales y descubrió que
en efecto estaba diciendo la verdad. El físico identificó correctamente dos
grabaciones distintas de La consagración de la primavera de
Stravinski, así como el Bolero de Ravel, Los planetas de
Holst y la Sexta sinfonía de Beethoven. Naturalmente, Randi le
mostró otros discos a modo de control. Uno, etiquetado «guirigay» por el doctor
Lintgen, era del rockero Alice Cooper. Ante otro control dijo: «Esto no es
música instrumental. Debe ser un solo vocal de algún tipo». De hecho era la
grabación de un hombre hablando, titulada Así que quieres ser un mago.
Esta curiosa habilidad, que resultó ser auténtica,
no violaba ningún principio importante. La información estaba presente en los
surcos; la cuestión era saber si de verdad había alguien capaz de extraerla por
inspección, y Randi confirmó que en efecto lo había.
Capítulo 19
Esquemas adaptativos y no adaptativos
Una historia que el examen escéptico ha
desacreditado por completo es la del «centésimo mono». La primera parte del
cuento es verdad. Ciertos miembros de una colonia de monos de una pequeña isla
japonesa aprendieron a limpiar de arena su comida lavándola en las aguas del
lago que rodea la isla, y comunicaron su habilidad a los otros miembros de la
colonia. Hasta aquí muy bien. Pero una leyenda New Age retoma
estos hechos y va más allá, afirmando que, cuando el mono número cien aprende
el truco, entonces, súbitamente y por algún proceso misterioso, todos los
miembros de la especie, estén donde estén, adquieren la habilidad y comienzan a
practicarla. Naturalmente, no hay ninguna evidencia creíble de nada de esto.
La parte verdadera de la historia es ciertamente
interesante por sí misma, como ejemplo de transmisión cultural de un
comportamiento aprendido en animales distintos del hombre. Otro ejemplo lo
proporciona el comportamiento de los carboneros de ciertas poblaciones inglesas
hace algunas décadas. Estos pájaros aprendieron a abrir las botellas de leche,
y con el tiempo dicho comportamiento se extendió entre todos los miembros de la
especie e incluso de especies próximas. La actividad física requerida para abrir
los tapones estaba ya presente en el repertorio de movimientos de las aves;
todo lo que tenían que aprender era que la botella de leche contenía una buena
recompensa. Hay muchos otros casos conocidos de comportamiento animal novedoso
transmitido de esta manera.
ADN cultural
Naturalmente, la transmisión cultural humana puede
ser considerablemente más sofisticada. La explicación reside presumiblemente no
sólo en la superior inteligencia, sino también en el carácter de las lenguas
humanas, que permiten vocalizaciones arbitrariamente complejas. Gracias a tales
lenguas, las sociedades humanas exhiben aprendizaje grupal (o adaptación de
grupo, o evolución cultural) en un grado mucho mayor que las bandas de otros
primates, manadas de perros salvajes o bandadas de aves. Este comportamiento
colectivo puede analizarse hasta cierto punto reduciéndolo al de un
conglomerado de individuos que actúan como sistemas complejos adaptativos.
Ahora bien, como siempre, tal reducción sacrifica las valiosas intuiciones que
pueden obtenerse estudiando el fenómeno en su propio nivel. En particular, una
simple reducción a la psicología puede descuidar el hecho de que, además de los
rasgos generales de los seres humanos individuales, hay una información
adicional presente en el sistema que incluye las tradiciones específicas, las
costumbres, las leyes y los mitos del grupo. Parafraseando a Hazel Henderson,
todas estas cosas pueden contemplarse como «ADN cultural». Encapsulan la
experiencia compartida de muchas generaciones y abarcan los esquemas de la sociedad,
que funciona a su vez como un sistema complejo adaptativo. De ahí que el
biólogo inglés
Richard Dawkins haya acuñado el término «meme» para
designar una unidad de información transmitida culturalmente, el análogo de los
genes en la evolución biológica.
En realidad, la adaptación tiene lugar en tres
niveles diferentes por lo menos, lo que a veces causa confusión en el uso del
término. En primer lugar, tiene lugar cierta adaptación directa (como en un
termostato o dispositivo cibernético) como resultado de la operación de un
esquema dominante en una época particular. Cuando el clima se hace más cálido y
seco, una sociedad puede tener la costumbre de trasladarse a las montañas.
También puede recurrir a ceremonias religiosas para atraer la lluvia, bajo la
supervisión de un sacerdote. Cuando su territorio es invadido por una fuerza
enemiga, la sociedad puede reaccionar automáticamente refugiándose en un
poblado bien fortificado y con una reserva de provisiones para resistir el
asedio. Cuando un eclipse aterroriza a la gente, puede haber chamanes
dispuestos con algún abracadabra apropiado. Ninguno de estos comportamientos
requiere cambios en los esquemas dominantes.
El segundo nivel incluye cambios de esquema,
competencia entre esquemas diversos y su promoción o degradación en respuesta a
las presiones selectivas en el mundo real. Si las danzas de la lluvia no
consiguen aliviar una sequía, el sacerdote de turno puede caer en desgracia y
entrar en juego una nueva religión. En los lugares donde la respuesta
tradicional al cambio climático es trasladarse a tierras más elevadas, un pobre
resultado de tal esquema puede llevar a la adopción de otras prácticas, como
nuevos métodos de irrigación o nuevos cultivos. Si la estrategia de retirarse a
una fortaleza no consigue responder adecuadamente a una serie de ataques
enemigos, la próxima invasión puede provocar el envío de una fuerza
expedicionaria a tierras enemigas.
El tercer nivel de adaptación es la supervivencia
darwiniana del más apto. Una sociedad puede simplemente dejar de existir como
consecuencia de la incapacidad de sus esquemas para hacer frente a los
acontecimientos. No necesariamente tiene que morir todo el mundo, y los
individuos que queden pueden crear nuevas sociedades, pero la sociedad en sí
desaparece, llevando sus esquemas a la extinción junto con ella. Ha tenido
lugar una forma de selección natural en el nivel social.
No es difícil encontrar ejemplos de esquemas que
llevan a la extinción. Algunas comunidades (como los esenios en la antigua
Palestina y los shakers estadounidenses) han practicado la
abstinencia sexual en el pasado, no restringiéndola a unos pocos monjes y
monjas, sino haciéndola extensiva a todos los miembros de la comunidad. Con un
esquema así, la supervivencia de la comunidad requiere que el número de
conversos supere el de fallecimientos. No parece que esto haya sucedido. Los
esenios desaparecieron y los shakers son en la actualidad muy
escasos. En cualquier caso, la prohibición del comercio sexual es un rasgo
cultural que ha contribuido de manera obvia a la extinción total o virtual de
la comunidad.
El hundimiento de la civilización maya clásica en
las selvas tropicales centroamericanas durante el siglo X es un notable ejemplo
de la extinción de una cultura avanzada. Como indicábamos en el capítulo
primero, las causas de este hundimiento son aún objeto de controversia; los
arqueólogos tienen dudas acerca de los esquemas fallidos —los relativos a las
clases sociales, la agricultura en la jungla, la guerra entre ciudades u otras
facetas de la civilización—. En cualquier caso, se cree que mucha gente sobrevivió
a la crisis y que algunos de los pueblos actuales que hablan lenguajes mayas en
el área son sus descendientes. Pero las construcciones de piedra y el
levantamiento de estelas para conmemorar fechas señaladas en el calendario maya
tocaron a su fin, y las sociedades subsiguientes serían mucho menos complejas
que las del período clásico.
En líneas generales, los tres niveles de adaptación
tienen lugar en escalas de tiempo diferentes. Un esquema dominante vigente
puede ponerse en acción en cuestión de días o meses. Una revolución en la
jerarquía de esquemas suele ir asociada a una mayor escala de tiempo, aunque
los eventos culminantes pueden tener lugar rápidamente. Las extinciones de las
sociedades suelen abarcar intervalos de tiempo todavía más largos.
En las discusiones teóricas dentro de las ciencias
sociales, por ejemplo en la literatura arqueológica, la distinción entre los
diferentes niveles de adaptación no siempre está clara, lo que frecuentemente
lleva a un alto grado de confusión.
La evolución de los lenguajes humanos
En el caso de los lenguajes, al igual que en el de
las sociedades, la evolución, aprendizaje o adaptación tienen lugar de diversas
maneras y en diferentes escalas temporales. Como ya hemos discutido, la
adquisición del lenguaje por un niño representa la actuación de un sistema
complejo adaptativo. En una escala de tiempo más larga, la evolución de los
lenguajes humanos en el transcurso de siglos o milenios puede contemplarse como
otro sistema complejo adaptativo. En una escala de tiempo de cientos de miles o
millones de años, la evolución biológica dio lugar a la capacidad de los seres
humanos (Homo sapiens sapiens) de comunicarse por medio de
lenguajes de tipo moderno. (Todos estos lenguajes tienen ciertas propiedades
comunes, como oraciones de longitud arbitraria, estructura gramatical elaborada
y elementos gramaticales como pronombres, genitivos diversos, etc.)
Cuando se considera la evolución de la gramática,
es importante tener en cuenta los diversos niveles de adaptación. Desde el
trabajo pionero de Joe Greenberg, se ha acumulado una considerable cantidad de
información sobre los rasgos gramaticales comunes a todos los lenguajes
conocidos («universales») y aquéllos que aparecen en casi todos
(«cuasiuniversales»), Al considerar estos rasgos generales, es obvio que debe
prestarse atención a los condicionantes fruto de la evolución biológica,
neurológicamente preprogramados, señalados por Chomsky y su escuela. Pero
también hay que considerar los resultados de la evolución lingüística al cabo
de los siglos y los milenios, los cuales deben reflejar hasta cierto punto las
presiones selectivas que favorecen los rasgos gramaticales aptos para la
comunicación. Por último, puede haber accidentes congelados, «efectos
fundadores» que se originan en la elección arbitraria de rasgos gramaticales de
los lenguajes ancestrales de todas las lenguas modernas, y cuyas consecuencias persisten
en todas partes hasta el día de hoy (recuérdese que en biología la asimetría
entre moléculas dextrógiras y levógiras puede ser uno de tales accidentes
congelados). En las discusiones sobre lingüística en el Instituto de Santa Fe,
el énfasis se pone en la necesidad de incluir todas estas contribuciones en las
tentativas de explicación de los rasgos gramaticales universales y
cuasiuniversales.
Al estudiar la evolución de cualquier sistema
complejo adaptativo, es esencial separar estos tres factores: las reglas
básicas, los accidentes congelados y la selección de lo que es adaptativo. Y,
por supuesto, las reglas básicas pueden aparecer como accidentes congelados
cuando se contemplan en una escala cósmica de espacio y tiempo.
Adaptación versus adaptativo
La distinción de los diferentes niveles y escalas
temporales de la adaptación deja todavía pendiente una serie de enigmas
relativos al porqué los sistemas complejos adaptativos del tipo de las
sociedades parecen tan a menudo quedarse bloqueados en esquemas no adaptativos.
¿Por qué no han desarrollado esquemas cada vez mejores y progresado hacia una
adaptación cada vez mayor? Algunas de las razones ya han sido mencionadas en
capítulos anteriores.
Las sociedades, al igual que otros sistemas
complejos adaptativos, están a menudo sujetas a presiones selectivas no
descritas de modo preciso por ninguna función de adaptación. Y la adaptación
misma, como hemos visto, no es algo que simplemente aumente con el tiempo, ni
siquiera cuando está bien definida. Además, no existe una correspondencia
simple entre rasgos adaptativos y rasgos surgidos a través de las diversas
formas de adaptación. Ninguna de estas cuestiones se restringe a las
sociedades. Aparecen por doquier en biología y a veces de forma particularmente
aguda en la experiencia de los seres humanos individuales. ¿Cuáles son algunos
de los mecanismos que permiten la supervivencia de esquemas no adaptativos?
Esquemas no adaptativos: Presiones selectivas
externas
Un mecanismo muy general para la persistencia de
comportamientos aparentemente no adaptativos ha sido ya discutido con cierta
extensión, especialmente en relación con el conflicto entre superstición y
ciencia. Las presiones selectivas que afectan a la promoción y degradación de
las teorías científicas tienen que ver principalmente con el éxito de estas
teorías en la explicación coherente y la predicción correcta de los resultados
de la observación, al menos cuando la empresa científica funciona adecuadamente.
Cuando no es así es porque otras presiones selectivas, muchas de ellas producto
de las debilidades humanas de los científicos, actúan con fuerza.
En el caso de la teorización supersticiosa, las
presiones selectivas no científicas tienen un papel dominante. Recapitulemos
las que ya hemos mencionado. Estas presiones selectivas incluyen el refuerzo de
la autoridad de individuos poderosos y también el mantenimiento de la cohesión
social, lo cual confiere una ventaja en la evolución de la sociedad. Por otro
lado, la imposición de una estructura falsamente ordenada y regular sobre
acontecimientos fundamentalmente aleatorios o hechos desconectados entre sí puede
proporcionar cierto grado de consuelo; la ilusión de comprensión y,
especialmente, de dominio mitiga el temor a lo incontrolable. Relacionada con
ésta tenemos una presión selectiva muy general que hemos asociado con el lema
del «esquema egoísta»: cualquier sistema complejo adaptativo ha evolucionado
para descubrir patrones, por lo que un patrón constituye en cierto modo una
recompensa en sí mismo.
El elemento común en todas estas presiones
selectivas es que son en gran parte externas a lo que se considera adaptativo
en ciencia, es decir, el éxito en la descripción de la naturaleza. También son
en gran parte externas a lo que se considera adaptativo en ingeniería, es
decir, el control de la naturaleza con algún propósito humano. Sin embargo,
tales presiones selectivas tienen un papel crucial en la evolución del ADN
cultural.
De aquí puede extraerse una lección general. El
sistema objeto de discusión es definido a menudo de manera que no constituye un
sistema cerrado. Presiones selectivas de gran importancia se ejercen desde el
exterior. Un ejemplo simple lo encontramos en uno de los procesos que tienen
lugar en la evolución de los lenguajes humanos. Supongamos que ciertas tribus o
naciones que hablan lenguas diferentes entran en contacto y, al cabo de algunas
generaciones, sobreviven con ciertas modificaciones algunas de las lenguas,
mientras que otras se extinguen. Las desapariciones dependen menos de los
méritos relativos de las diversas lenguas como instrumentos de comunicación que
de consideraciones bien distintas, como el poder militar o el acervo cultural
de las diferentes tribus o naciones. Éstas son presiones selectivas ejercidas
fuera del dominio lingüístico.
En el dominio de la evolución biológica, donde la
selección tiene lugar normalmente en el nivel fenotípico, puede haber, como ya
hemos discutido, casos excepcionales en que actúe directamente sobre las
células germinales: un «gen literalmente egoísta» que promueva la fecundación
con éxito de un huevo por parte de un espermatozoide que lo porte, incluso
aunque dicho gen pueda ser desventajoso, y hasta dañino, para el organismo
resultante.
Lo que todos estos ejemplos sugieren es que la
aparente persistencia de esquemas no adaptativos en los sistemas complejos
adaptativos puede con frecuencia surgir simplemente de unos criterios demasiado
estrechos en la consideración de lo que es adaptativo, teniendo en cuenta todas
las presiones selectivas que actúan.
Presiones ejercidas por individuos influyentes
Al estudiar la evolución de las organizaciones
humanas, no siempre es ventajoso considerar los miembros individuales de la
organización como meros agentes genéricos simplificados. A menudo las
decisiones particulares hechas por individuos concretos condicionan en gran
manera la historia futura. Aunque puede ser que a largo plazo muchas de las
consecuencias de tales decisiones demuestren ser aberraciones temporales que
«se curan» con el tiempo, es imposible ignorar el hecho de que los individuos
tienen importancia. De este modo el elemento de diseño entra en el cuadro. La
carta magna de un estado o federación es redactada por individuos. Aunque
muchos de los conflictos que surgen en su preparación representan la
competencia entre intereses a gran escala, los compromisos específicos que
resultan se fraguan entre hombres de estado particulares. Igualmente, una
empresa la dirigen individuos, y el carácter e ideas del jefe o jefes (y a
veces también de los otros individuos) tienen una importancia crítica en el éxito
o fracaso de la misma.
Al mismo tiempo, una organización se comporta en
muchos aspectos como un sistema complejo adaptativo, con esquemas y presiones
selectivas. Una firma comercial funciona de acuerdo con una serie de prácticas
y procedimientos, establece objetivos para sus diversos departamentos o
divisiones, hace planes para el futuro y genera modelos mentales para el
funcionamiento general de la empresa. Los modelos, junto con los objetivos,
planes, prácticas y procedimientos, constituyen esquemas sujetos a presiones
directas ejercidas por los ejecutivos a diversos niveles, desde el gerente
hasta el capataz o el jefe de sección. Las auténticas presiones selectivas
sobre la empresa en el mundo real tienen que ver, sin embargo, con los
beneficios y con la supervivencia en el mercado. Es importante que los clientes
se sientan atraídos y después satisfechos. En general, cuando las
organizaciones se contemplan a la vez como sistemas complejos adaptativos y
como escenarios para el ejercicio de las habilidades de gestión de los individuos,
surge la cuestión de la relación entre las presiones de selección últimas que
gobiernan la supervivencia de la organización y las presiones selectivas
internas ejercidas por los ejecutivos individuales.
W Edwards Deming, el estadístico norteamericano
(con un doctorado en física) que asesoró a los japoneses en la reconstrucción
de sus industrias tras la segunda guerra mundial, se convirtió en una especie
de héroe nacional en Japón. Una década antes de su reciente fallecimiento a la
edad de 93 años, fue por fin homenajeado en su país natal, donde sus ideas
están ahora ampliamente extendidas y han sido adoptadas por muchas industrias.
Quizá lo más conocido de él es su énfasis en la «gestión de calidad total». De
las múltiples facetas de la gestión de calidad total, quizá lo más útil aquí
sea citar sus restricciones a las presiones internas ejercidas por los
ejecutivos, incluso los de categoría media. Son los ejecutivos quienes otorgan
recompensas e imponen sanciones. Al crear incentivos para que los empleados
actúen de determinada manera, afectan directamente algunos de los principales
esquemas organizativos. Ahora bien, ¿están estos efectos directos en
consonancia con las presiones selectivas ejercidas en el mundo real? ¿Son
recompensados los empleados por actividades que de verdad llevan a la
satisfacción del cliente o sólo intentan satisfacer los caprichos del jefe? ¿Se
comportan los ejecutivos como un gen literalmente egoísta, influyendo
directamente en la supervivencia del esquema de un modo que puede no favorecer
la supervivencia del organismo?
Sistemas adaptativos con humanos en bucle
El caso de los ejecutivos en una empresa
ejemplifica la situación más general de sistemas adaptativos con humanos en el
bucle, sistemas sujetos a lo que a veces se llama evolución dirigida, en la que
las presiones selectivas son ejercidas por seres humanos individuales.
Los casos más simples tienen que ver con la
adaptación directa, sin esquemas variantes. Considérese el examen de un ojo por
parte de un optometrista. Éste nos hace mirar con un ojo un panel con filas de
letras acompañadas de líneas verticales y horizontales. El optometrista nos
presenta una secuencia de elecciones binarias y, para cada par de imágenes, nos
pregunta cuál de las dos es más clara. Al cabo de un rato se llega a la
prescripción correcta para cualquier combinación de astigmatismo, miopía y presbicia
que presente el ojo en cuestión. El esquema simple ojo-panel se ha ajustado por
sí mismo a nuestro ojo.
Un ejemplo no tan trivial procede de la obra de
Karl Sims, ahora en Thinking Machines, una compañía que diseña y fabrica
computadores paralelos. Sims emplea una pantalla de ordenador de 256 x 256
puntos, cada uno de los cuales puede adquirir uno cualquiera de los colores del
espectro. Especificando el color de cada punto se obtiene un patrón. El
programa de Sims hace que el ordenador parta de un patrón particular y después
genera un juego de variantes por medio de un algoritmo especial. La persona «en
el bucle» escoge la que más le gusta. El ordenador ofrece después otro juego de
variantes, y así sucesivamente. Al cabo de poco tiempo, el sistema converge
hacia un cuadro que resulta atractivo para la persona involucrada. Me han
contado que los resultados son a menudo extraordinarios, y que la participación
en el proceso crea adicción.
Uno puede imaginar variantes de este método en las
que el azar podría intervenir en el algoritmo que genera las opciones ofrecidas
en cada etapa. O, lo que viene a ser lo mismo, el ordenador podría emplear un
proceso pseudoaleatorio como parte del algoritmo.
En un simposio celebrado en el Instituto de Santa
Fe, Chris Langton hizo una breve descripción del trabajo de Sims. Bob Adams, el
arqueólogo secretario de la Smithsonian Institution, hizo notar que el
algoritmo que gobierna el ofrecimiento de opciones podría él mismo estar sujeto
a variación. Si es así, se convertiría en una clase de esquema, cada variante
del cual podría contemplarse como un diferente proceso de búsqueda para
escudriñar entre la enormemente larga lista de patrones posibles. El proceso de
búsqueda particular adoptado (que puede o no incluir un elemento aleatorio)
determinará, junto con los resultados de las elecciones hechas por el sujeto
humano, el patrón que aparezca finalmente en la pantalla.
Los patrones podrían después ser transferidos a
algún medio permanente y sujetos a presiones selectivas como, por ejemplo, la
venta en el mercado o los comentarios de los críticos. Los programas que
condujeran con más frecuencia (a través de sujetos humanos) a cuadros por los
que se pagasen precios relativamente altos o comentarios relativamente
favorables podrían ser promocionados, y los otros degradados. Igualmente, los
gustos (conscientes o inconscientes) del sujeto humano podrían cambiar bajo la
influencia de los precios o comentarios. El programa, el ordenador, el sujeto
humano y el mercado o los críticos constituirían entonces un sistema complejo
adaptativo con seres humanos en el bucle. De hecho, un sistema así constituiría
una caricatura de cómo funciona a veces el proceso creativo de los artistas de
verdad.
Todos estamos familiarizados con otro sistema
complejo adaptativo que funciona de esta manera: la crianza de animales o el
cultivo de plantas para uso humano. Ambas actividades han tenido un papel
importante en la historia de la biología moderna. Darwin se refirió
repetidamente a ellas en su Origen de las especies con el
apelativo de «selección artificial», frente a la cual la selección natural era
comparada y contrastada. Las leyes de la genética mendeliana fueron
descubiertas por el monje Gregor Mendel a través del cultivo de guisantes.
Además, con el cambio de siglo, por la misma época en que la obra de Mendel fue
redescubierta y difundida por el mundo, el holandés de Vries, cultivando
tulipanes, descubrió las mutaciones.
El criador ejerce presiones selectivas eligiendo
para la reproducción posterior sólo algunos de los organismos producidos. Por
supuesto, la selección natural interviene también, y muchos de los animales o
plantas no consiguen sobrevivir o procrear por razones que no tienen nada que
ver con la decisión del criador. El genoma es un esquema, como acostumbra a
pasar en la evolución biológica, pero aquí la evolución es en parte dirigida, y
los principios del criador también constituyen un esquema, aunque de una clase
diferente.
Cuando un criador de caballos pone un animal a la
venta o lo incluye en una carrera (o ambas cosas) sus métodos, en analogía con
el programa de Karl Sims y las elecciones hechas por el sujeto humano, están
siendo expuestos a las presiones selectivas del mercado y del hipódromo. Así,
un sistema complejo adaptativo con una componente de evolución dirigida puede
convertirse en parte de un sistema complejo adaptativo de orden superior, en el
que el carácter de la dirección humana puede evolucionar a su vez.
Ahora bien, imaginemos un criador aficionado y rico
al que no le preocupa si sus caballos ganan carreras o si alguien quiere
comprarlos. En ese caso, en el contexto del sistema complejo adaptativo de
orden superior, los resultados de los métodos de cría probablemente parecerán
no adaptativos.
Como los ejecutivos que ofrecen incentivos para un
comportamiento que es improbable que atraiga o retenga a los clientes, un
criador diletante como éste quizá obtenga una satisfacción personal, pero no
está actuando como un hombre de negocios. Desde un punto de vista puramente
empresarial, la cría es un fracaso, aunque pueda continuar.
Persistencia de esquemas no adaptativos: Ventanas
de maduración
Los esquemas no adaptativos a veces persisten
porque el tipo de adaptación relevante ha tocado a su fin, o casi. Los niños
pequeños establecen relaciones con personas importantes en su vida: padres,
padrastros, hermanos, niñeras, madres de los amigos, etc. Según el doctor Mardi
Horowitz, las actitudes y comportamiento de un niño respecto a estas personas
están gobernadas por un «esquema personal» relativo a la percepción infantil
del individuo en cuestión. Al principio tal esquema está sujeto a variaciones,
pero más tarde se hace muy resistente al cambio. A medida que el niño crece,
estos esquemas personales pueden afectar profundamente la manera en que se
relaciona con otras personas. Todos estamos familiarizados, por ejemplo, con
adultos que mantienen una relación infantil paterna o materna con diversos
sustitutos. A menudo los esquemas personales parecen ser claramente no
adaptativos, y vivir conforme a ellos equivale a lo que suele llamarse
comportamiento neurótico, notoriamente difícil de curar.
Una manera conveniente de considerar estas
situaciones es en términos de «ventanas de maduración» en oposición a
«plasticidad». Un ejemplo extremo de ventana de maduración es el fenómeno de la
impronta, popularizado por Konrad Lorenz en su libro El anillo del rey
Salomón. Un ganso salvaje recién nacido contemplará al primer animal
grande que vea como su progenitor y lo seguirá a todas partes.
Si el animal es Lorenz u otro ser humano, entonces
el ganso se verá a sí mismo como humano, y su capacidad para vivir como un
ganso normal queda permanentemente comprometida. La ventana de maduración es el
breve período tras el nacimiento en el que el ganso identifica a su «madre» y
tras el cual dicha identificación queda fijada para siempre. El polluelo de
ganso típico ve a su verdadera madre bien pronto, y el programa genético de la
impronta es entonces exitoso desde el punto de vista fenotípico. Para el raro
polluelo de ganso que adopta como madre a un etólogo como Lorentz, es obvio que
el programa es un fiasco. En tal caso el esquema de aprendizaje proporcionado
por la impronta no es adaptativo para el individuo implicado. Pero, dado que
este esquema funciona bien para la mayoría de individuos, los esquemas
genéticos que determinan la impronta no han sido eliminados en el curso de la
evolución biológica. Por otra parte, dado que han sobrevivido, los esquemas
genéticos responsables de las ventanas de maduración deben conferir alguna
ventaja de tipo general. Esta ventaja presumiblemente tiene que ver con la
posibilidad, una vez cerrada la ventana, de dejar dispuesta la maquinaria para
la adquisición de nueva información.
En los seres humanos también existen ventanas de
maduración. Por ejemplo, algunos bebés nacen con problemas visuales que deben
corregirse pronto antes de que se hagan irreversibles (al menos mientras no se
descubra algún tratamiento eficaz). En otros casos, por así decirlo, las
ventanas no son absolutas. Las consecuencias de diversas formas de negligencia
en períodos cruciales de la infancia y la niñez pueden ser serias si no se hace
nada para remediar el daño, pero en condiciones adecuadas las posibilidades de
recuperación pueden ser significativas. Esto es lo que se conoce como
«plasticidad», la capacidad del sistema nervioso para reorganizarse de manera
que patrones de conducta que de otro modo persistirían indefinidamente puedan
de hecho cambiarse.
Un tema capital en política ciudadana,
particularmente en los Estados Unidos, es saber hasta qué punto los déficits en
la capacidad de aprendizaje adquiridos antes de los dos años y medio pueden
remediarse mediante programas como Head Start, que proporciona a los niños una
ayuda especial durante aproximadamente los siguientes dos años y medio. Algunos
investigadores proclaman que una ventana de maduración temprana tiene aquí un
papel crucial, y que los programas terapéuticos en edades posteriores no son ni
mucho menos tan efectivos a largo plazo como el mejoramiento del entorno de los
bebés. Otros sostienen que han demostrado que existe suficiente plasticidad en
este caso para permitir una reversión sustancial y a largo plazo de los
déficits de aprendizaje mediante intervenciones del tipo del Head Start,
siempre y cuando se lleven a cabo con suficiente intensidad y duración (lo que
no siempre es así).
Sea como fuere, se sabe que para la adquisición de
un primer lenguaje los primeros años de la vida son críticos. Los pocos casos
conocidos de niños criados con escaso o nulo contacto con el lenguaje humano
indican que la maquinaria innata para adquirir la gramática de un lenguaje deja
de ser efectiva. Parece ser, pues, que hay implicada una verdadera ventana de
maduración.
Persistencia de esquemas no adaptativos: Escalas
temporales
Una de las razones más comunes, y quizá la más
simple, de la existencia de esquemas no adaptativos es que alguna vez, en
condiciones que han dejado de prevalecer, fueron adaptativos. El entorno del
sistema complejo adaptativo ha cambiado más rápidamente de lo que el proceso
evolutivo puede responder (las ventanas de maduración son, en cierto sentido,
un ejemplo extremo de tal desajuste de escalas temporales).
En el dominio del pensamiento humano, a menudo
ocurre que nos enfrentamos a una situación rápidamente cambiante que supera
nuestra capacidad para modificar nuestros esquemas mentales. Gerald Durrell, el
fundador del zoo de la isla de Jersey, autor de tantos libros encantadores
sobre sus expediciones en busca de animales raros, suele contar lo que le
ocurrió una vez cuando sostenía cierta serpiente del África oriental en sus
manos. No estaba tomando precauciones especiales porque «sabía» que la
serpiente pertenecía a una especie ciega no peligrosa (como las culebras ciegas
europeas). Súbitamente la serpiente abrió los ojos, pero Durrell no reaccionó
con la suficiente rapidez ante la nueva información de que la serpiente
pertenecía a una especie desconocida para él y posiblemente peligrosa. De hecho
resultó ser venenosa, y Durrell fue mordido y estuvo a punto de morir.
Más que cambiar nuestro modo de pensar, tendemos a
agarramos tenazmente a nuestros esquemas e incluso a distorsionar la nueva
información para hacerla encajar en ellos. Hace muchos años, dos físicos del
Centro de Física de Aspen pasaron la mañana escalando en las montañas de la
región de Maroon Bells Wilderness. En el descenso, perdieron de vista sus
marcas y fueron a parar a la cara sur de las montañas en vez de la cara norte,
la más cercana a Aspen. Miraron el paisaje por debajo de ellos y vieron lo que
identificaron como Crater Lake, que habrían tenido que divisar en el camino de
vuelta a casa. Uno de ellos, sin embargo, reparó en que había un embarcadero
que no estaba antes en el lago. El otro replicó: «Deben de haberlo construido
después de pasar nosotros esta mañana». Esta desesperada defensa de un esquema
fallido resultó ser, no hace falta decirlo, incorrecta. Los dos físicos estaban
contemplando Avalanche Lake, y les llevó un par de días regresar a casa.
Caer en la cuenta de que la serpiente, una vez
comprobado que no era ciega, podía ser venenosa se ajusta a nuestra descripción
de tener una idea creativa en la vida diaria, escapando de una cuenca de
atracción a otra. Y también pensar que era improbable que el lago, con su
embarcadero, fuese Crater Lake y por lo tanto estaba en otra parte de las
montañas. La presente discusión subraya el hecho de que el proceso de
generación de tales ideas puede, en muchos casos, ir con retraso respecto de su
necesidad.
Es notorio que las empresas a menudo tienen
problemas para ajustar lo bastante deprisa sus prácticas a las condiciones
cambiantes del mercado. Ahora mismo, en los Estados Unidos, la reducción de los
presupuestos militares supone que las industrias hasta ahora dedicadas
principalmente a la defensa tienen que darse prisa en encontrar clientes
civiles. Las concepciones comerciales de muchas de estas industrias se han
formado a lo largo de décadas de trato con las fuerzas armadas y las agencias
gubernamentales relacionadas. El esquema dominante para la venta de un producto
puede ser almorzar con un almirante, una táctica no necesariamente ganadora en
la competencia civil. Por otro lado, los mecanismos para modificar tales
esquemas y responder a las presiones selectivas a menudo necesitan muchos años
para entrar en funcionamiento, mientras que la demanda de sistemas de defensa
puede reducirse drásticamente en un año o dos. Si los antiguos ejecutivos (u
otros nuevos que los reemplacen) no introducen nuevos mecanismos con un tiempo
de respuesta menor, las perspectivas para sus empresas son poco optimistas.
El reto que representan unas circunstancias que
cambian más rápidamente de lo que un determinado proceso evolutivo puede
responder tiene una influencia profunda en las perspectivas para la biosfera y
para la totalidad del género humano. La evolución cultural humana,
especialmente a través de los avances en el terreno tecnológico, ha hecho
posible en un breve lapso de tiempo una extraordinaria expansión de la
población humana y de la capacidad de cada persona para afectar de modo adverso
a otras personas y al medio ambiente. La evolución biológica, tanto en los
humanos como en otros organismos, no puede seguir el ritmo. Nuestro propio
esquema genético refleja en gran parte el mundo de hace 50 000 años y no puede,
a través de los mecanismos normales de la evolución biológica, experimentar
cambios importantes en unos pocos siglos. Igualmente, los otros organismos y
las comunidades ecológicas al completo no pueden evolucionar con la suficiente
rapidez para afrontar los cambios acarreados por la cultura humana.
La deducción es que el cambio cultural en sí mismo
es la única esperanza para hacer frente a las consecuencias de una población
humana gigantesca armada de una poderosa tecnología. Se requiere tanto una
cooperación (junto con una competencia saludable) como una previsión sin
precedentes para gestionar sabiamente las capacidades humanas. La necesidad de
cooperación y previsión será incluso mayor si, para tratar algunos de los
problemas más urgentes, la confianza se deposita en las transformaciones artificiales
de seres humanos y otros organismos, por medio de futuros avances en ingeniería
genética y otras técnicas.
Dada la inmensa complejidad de las numerosas
cuestiones interrelacionadas que ha de afrontar la humanidad, la previsión
exige identificar y recopilar grandes cantidades de información relevante,
vislumbrar, gracias a esa información, las opciones ofrecidas por las
ramificaciones alternativas de la historia futura, y seleccionar con juicio
simplificaciones y aproximaciones que no sacrifiquen la representación de
cuestiones cualitativas críticas, especialmente cuestiones de valores. La
asistencia de ordenadores poderosos es esencial para la visión de futuro, pero
no debemos dejar que su empleo desvíe la formulación de problemas hacia lo
cuantificable y lo analizable a expensas de lo importante.
En este punto es conveniente echar una ojeada a los
modelos simplificados de problemas complejos que los ordenadores pueden
suministrar. Los ordenadores, actuando como sistemas complejos adaptativos,
pueden servimos tanto aprendiendo como adaptándose, y modelando o simulando
sistemas reales que aprenden, se adaptan o evolucionan.
Capítulo 20
Máquinas que aprenden o simulan aprendizaje
Los ordenadores pueden funcionar como sistemas
complejos adaptativos. Puede tratarse de equipos especialmente diseñados o bien
de ordenadores convencionales programados para aprender, adaptarse o
evolucionar. Hasta ahora, la mayoría de diseños o programas intentan imitar de
modo simplificado el funcionamiento de algunos sistemas complejos adaptativos
vivientes.
Redes neuronales
Un tipo bien conocido de sistema complejo
adaptativo informático es la red neuronal, que puede implementarse tanto en
forma de programa como de circuito. Constituye una tosca analogía del
funcionamiento del cerebro de un mamífero (especialmente el humano). Se parte
de un conjunto de múltiples nodos o unidades (que suelen llamarse neuronas,
aunque no está nada claro hasta qué punto se corresponden con las neuronas
individuales de un cerebro vivo). En cada instante de tiempo, cada unidad está
caracterizada por un bit (0 o 1) que se supone que indica si la «neurona» se ha
disparado o no. Cada unidad está conectada con algunas o todas las otras, y la
influencia ejercida por una unidad sobre otra es un número positivo si la
primera unidad excita a la segunda, o negativo si la inhibe. Estos coeficientes
cambian a medida que progresa el aprendizaje.
Las redes neuronales pueden hacerse funcionar en
ordenadores convencionales; en ese caso un programa se hace cargo de la
definición de las distintas unidades y de sus efectos excitadores o inhibidores
sobre las otras. Las unidades existen sólo como elementos de computación.
También es posible el empleo de equipos especiales para conformar la red, que
entonces se compone de unidades separadas dispuestas en paralelo.
Un ejemplo de los muchos problemas a los que las
redes neuronales han sido aplicadas es aprender a leer un texto en inglés en
voz alta con una pronunciación correcta. Dado que existe una notable separación
entre la ortografía y la fonética inglesas, este ejercicio no es en absoluto
trivial. El ordenador tiene que descubrir un número enorme de reglas generales
junto con sus excepciones, que pueden considerarse reglas especiales
adicionales. Si se tiene un texto lo bastante largo, tanto las reglas generales
como las especiales aparecerán un número de veces suficiente como para que se
comporten como regularidades. Para que la red neuronal aprenda a leer en inglés
en voz alta, tiene que funcionar como un sistema complejo adaptativo. Debe
hacer diversas tentativas de identificación de conjuntos de regularidades en un
bloque de texto, comprimir la información obtenida en esquemas y aplicar éstos
a más texto, dejando que compitan entre sí para acercarse a la pronunciación
correcta, que es facilitada por un «profesor». Esta clase de aprendizaje se
denomina supervisado, en oposición, por ejemplo, a la clase de aprendizaje
consistente en poner a prueba los esquemas de pronunciación ante angloparlantes
para ver si entienden, pero sin la presencia de un profesor que facilite la
respuesta correcta. La supervisión permite definir la adaptación en términos de
la diferencia entre la pronunciación correcta de un texto y la pronunciación
resultante del esquema.
En la red NETtalk, tal como fue desarrollada por
Terry Sejnowski y C. R. Rosenberg en 1987, los datos de entrada consistían en
siete caracteres consecutivos (cada uno de los cuales podía ser una de las 26
letras del alfabeto inglés, o bien un espacio, una coma o un punto) de algún
texto escrito en inglés, presentado en una ventana móvil que recorría
gradualmente el pasaje. La salida era un código de pronunciación para el
carácter central de los siete; este código alimentaba un generador de voz.
Los datos de entrada se identificaban con los bits
correspondientes a un conjunto de 7 veces 29 (= 203) unidades, y las salidas
con los bits asociados a otras 26 unidades. Había otras 80 unidades adicionales
para la asistencia en el aprendizaje. Los esquemas estaban representados por
tablas de coeficientes de interacción, donde las interacciones se restringían a
los efectos de las unidades de entrada sobre las unidades de ayuda y los de
estas últimas sobre las unidades de salida. Todos los demás coeficientes de
interacción se fijaron en cero para que el proceso resultara manejable.
La red fue adiestrada por medio de los caracteres
que componían un texto de 1024 palabras, acompañado del «profesor», que era la
secuencia de códigos de pronunciación de todos los caracteres, la cual daba la
pronunciación correcta de la totalidad del texto.
En el primer recorrido de ensayo a través del
texto, los coeficientes de interacción se inicializaban en valores arbitrarios
y después cambiaban (en virtud de una suerte de aprendizaje) a medida que el
centro de la ventana de siete letras se desplazaba letra a letra por el texto.
En cada paso, los datos de entrada y los coeficientes alimentaban una fórmula
simple que daba valores de salida que indicaban opciones de pronunciación
posibles. La discrepancia entre los datos de salida candidatos y los correctos se
reducía después modificando los coeficientes de interacción por medio de una
fórmula simple. Los coeficientes de interacción al final de la primera pasada
servían de inicio para una segunda pasada sobre el mismo texto de 1024
palabras. Y así sucesivamente.
El éxito implicaba que los coeficientes, en lugar
de fluctuar ampliamente de un recorrido a otro, convergerían, con sólo
desviaciones mínimas, hacia valores que darían una buena aproximación de la
pronunciación correcta. Las pruebas mostraron que diez pasadas de
adiestramiento sobre las 1024 palabras eran suficientes para dar una
pronunciación inteligible, mientras que después de cincuenta pasadas se estimó
que la pronunciación era correcta en un 95 por ciento. Tras el adiestramiento,
los coeficientes resultantes se emplearon para pronunciar otro bloque de texto,
esta vez sin profesor. Se consiguió una pronunciación inteligible con una
precisión del 75 por ciento.
Hay muchas otras versiones de redes neuronales y
una plétora de problemas a los que han sido aplicadas, a menudo con un éxito
considerable. El esquema se representa siempre por una tabla de coeficientes de
interacción, donde cada uno representa el efecto de una unidad sobre otra. Mi
colega de Caltech John Hopfield señaló en 1982 una condición que, si se impone
artificialmente sobre los coeficientes de interacción, permitiría no sólo que
la adaptación estuviese bien definida, sino que aumentara sin interrupción
durante el proceso de aprendizaje. Se requiere que el efecto de cualquier
unidad A sobre otra B sea el mismo que el de B sobre A. Esta condición es casi
con toda seguridad poco realista para cerebros reales, y también es violada por
muchas redes neuronales exitosas, como la misma NETtalk. Aun así, resulta
instructivo el hecho de que haya situaciones en las que la adaptación está bien
definida y aumenta ininterrumpidamente y otras en las que no ocurre así.
Como siempre que la adaptación está bien definida,
el proceso de aprendizaje consiste en la exploración de valles sobre un relieve
adaptativo. Si además la adaptación aumenta sin interrupción, de modo que la
altura de la superficie explorada siempre decrece, entonces vuelve a surgir el
problema de quedarse atrapado en una depresión somera cuando hay pozos
profundos cerca, lo que puede paliarse introduciendo ruido. Los coeficientes de
interacción podrían alterarse ligeramente de vez en cuando de forma aleatoria.
Estos cambios aleatorios en el esquema recuerdan los propuestos para sacar la
mente del atolladero cuando uno persigue una idea creativa. Como siempre,
existe un nivel de ruido óptimo.
Algoritmos genéticos como sistemas complejos
adaptativos
Puesto que las redes neuronales se inspiran en una
tosca analogía con el aprendizaje en los animales superiores, uno podría
preguntarse si existen también sistemas complejos adaptativos de carácter
informático inspirados en una analogía con la evolución biológica.
Efectivamente así es. Los primeros fueron obra de John Holland, de la
Universidad de Michigan, uno de los pilares del Instituto de Santa Fe, y hacen
uso de un «algoritmo genético» y un «sistema de clasificación» especial,
programados en un ordenador convencional. Hasta ahora, estos sistemas han sido
empleados principalmente en problemas donde la adaptación está bien definida,
como el diseño de estrategias para ganar a las damas o métodos para la
instalación de cableados con un costo mínimo. Sin embargo, nada impide
aplicarlos a otra clase de problemas.
Una descripción muy simplificada del algoritmo
genético sería como sigue. Cada esquema es un programa para una estrategia o
método posible. Cada programa se compone de cierto número de instrucciones. La
variación entre esquemas consiste en cambiar estas instrucciones, por ejemplo
haciendo que entre dos de ellas se produzca un entrecruzamiento (como se
muestra en la Figura 23) análogo al que tiene lugar en la reproducción sexual
de los seres vivos (ilustrado en la Figura 20). Las dos instrucciones se dividen
por un cierto punto en un principio y un final. El entrecruzamiento hace surgir
dos nuevas instrucciones, una de ellas compuesta por el principio de la primera
vieja instrucción y el final de la segunda, y la otra por el principio de la
segunda y el final de la primera.
Figura 23. Entrecruzamiento de instrucciones codificadas
La modificación de un programa mediante el
reemplazamiento de una o más instrucciones por otras nuevas en la forma
descrita mejora unas veces la adaptación del programa y otras la empeora. Sólo
poniendo a prueba los diferentes programas el computador puede juzgar la bondad
de cada modificación (la realización de este tipo de juicios difíciles es lo
que se conoce como «concesión de crédito»). El sistema de clasificación de John
Holland proporciona una especie de mercado donde las instrucciones en competencia
son compradas y vendidas. Aquéllas que acreditan un mejoramiento en la
ejecución de los programas alcanzan precios más altos que las que no mejoran o
empeoran la ejecución. De este modo se establece una lista ordenada de
instrucciones. En esta lista entran continuamente nuevas instrucciones, a la
vez que las de la cola son borradas para hacerles sitio. Las instrucciones del
principio de la lista son las empleadas en los programas modificados que
constituyen los esquemas mutados.
Esto es sólo un burdo bosquejo de lo que en
realidad es un procedimiento bastante sofisticado. Aun así, debería quedar
claro que el resultado es la evolución de los programas, y que la adaptación
tiende a aumentar en el curso de dicha evolución. El bucle retroactivo que se
establece entre la ejecución de un programa y la promoción o degradación de las
instrucciones que lo componen no es, sin embargo, rígido, sino una tendencia
general afectada por las condiciones de mercado. Esto introduce suficiente ruido
en el sistema para permitir la escapatoria de las cuencas de adaptación someras
y el acceso a las profundidades cercanas. Lo típico es que el sistema explore
un vasto espacio de métodos o estrategias posibles y no alcance un estado
estacionario —un óptimo absoluto —. La estrategia óptima para jugar al ajedrez,
por ejemplo, no se ha encontrado. Si el juego en cuestión fuera en cambio el
tres en raya, la máquina pronto encontraría la mejor manera de jugar y la
búsqueda terminaría.
Al igual que las redes neuronales, aunque el método
del algoritmo genético ha sido aplicado principalmente a problemas de búsqueda
y optimización donde la adaptación (o «coyuntura») está bien definida, también
puede emplearse en otros ámbitos. Tanto las redes neuronales como los
algoritmos genéticos constituyen sistemas complejos adaptativos de carácter
informático que pueden desarrollar estrategias nunca diseñadas por un ser
humano. Es natural preguntarse si hay algo especial en estas dos técnicas, sugeridas
por vagas analogías con el funcionamiento cerebral y la evolución biológica
respectivamente. ¿Puede inventarse otra técnica basada en una analogía con el
sistema inmunitario de los mamíferos? ¿Existe de hecho un vasto pero bien
definido conjunto de sistemas complejos adaptativos de carácter informático que
incluya los ya conocidos o los hipotéticos, y muchos otros más? ¿Puede
describirse tal categoría superior en términos prácticos, de modo que un
usuario potencial pueda buscar entre los diferentes sistemas hasta encontrar
uno apropiado para su problema?
Estas cuestiones son algunas de las que intentan
responder los estudiosos de los sistemas complejos adaptativos informáticos.
Simulación de sistemas complejos adaptativos
El empleo de ordenadores en conexión con los
sistemas complejos adaptativos no se reduce ni mucho menos al desarrollo de
equipos o programas destinados a la creación de sistemas complejos adaptativos
informáticos encaminados a la resolución de problemas. Otra vasta área de
aplicaciones informáticas es la simulación del comportamiento de los sistemas
complejos adaptativos.
El rasgo más sobresaliente de tales simulaciones es
la emergencia de comportamientos complejos a partir de reglas simples. Estas
reglas implican regularidades de carácter general, pero los casos individuales
exhiben regularidades particulares añadidas. Esta situación es similar a la de
la totalidad del universo, gobernado por leyes simples que permiten una
infinidad de escenarios, cada uno de los cuales exhibe sus propias
regularidades, especialmente para una región del espacio y un periodo
determinados, de manera que a medida que pasa el tiempo pueden emerger cada vez
más formas complejas.
Para diseñar una simulación manejable el truco
consiste en reducir al máximo las reglas, pero de manera que no desaparezcan
los comportamientos emergentes más interesantes. El diseñador de una simulación
debe, pues, saber mucho sobre los efectos de los cambios en las reglas sobre el
comportamiento del sistema en escenarios muy diversos. Algunos diseñadores,
como Robert Axelrod, un experto en ciencias políticas de la Universidad de
Michigan, han desarrollado una aguda intuición que les permite adivinar cómo simplificar
sin tirar al niño junto con el agua del baño. Naturalmente, esta intuición se
basa en parte en un razonamiento a priori y en parte en la
experiencia de jugar con las reglas y ver qué pasa luego. De hecho, el diseño
de simulaciones simples pero ricas en consecuencias interesantes tiene más de
arte que de ciencia.
¿Puede hacerse más científico el estudio de
conjuntos de reglas y de sus consecuencias? Se requeriría una experiencia
adicional, junto con la formulación de las intuiciones empíricas sobre qué
clases de reglas conducen a qué modos de comportamiento. Después podrían
conjeturarse teoremas rigurosos y por último algunos de estos teoremas podrían
ser demostrados, presumiblemente por matemáticos.
De esta manera podría emerger una ciencia de las
reglas y sus consecuencias, donde los experimentos serían las ejecuciones de
programas y los teoremas demostrados constituirían el cuerpo de teoría. De
hecho, con el advenimiento de ordenadores rápidos y poderosos se están
realizando cada vez más simulaciones sencillas sobre cada vez más temas. La
materia prima para la ciencia futura ya se está recopilando.
Pero en última instancia lo que de verdad importa
es la relevancia de las simulaciones respecto de las situaciones reales que
remedan. ¿Proporcionan las simulaciones intuiciones valiosas sobre situaciones
reales? ¿Sugieren conjeturas que podrían verificarse mediante la observación?
¿Revelan posibles comportamientos antes insospechados? ¿Indican nuevas
explicaciones posibles de fenómenos ya conocidos?
En la mayoría de campos las simulaciones son
todavía demasiado primitivas para responder afirmativamente a estas preguntas.
De todos modos, es asombroso comprobar cómo, en ciertos casos, un conjunto de
reglas muy simple puede dar idea del funcionamiento de un sistema complejo
adaptativo en el mundo real.
Una simulación de la evolución biológica
Un espléndido ejemplo es el programa TIERRA,
escrito por Thomas Ray, un ecólogo de la Universidad de Delaware adscrito al
Instituto de Santa Fe. Ray trabajaba en las selvas bajas de Costa Rica, en la
estación de investigación biológica de La Selva. Se sintió atraído por la
investigación ecológica porque quería dedicarse al estudio de la evolución.
Desafortunadamente, poca evolución biológica tiene lugar en el lapso de una
vida humana, lo que hizo que su campo de trabajo comenzara a parecerle
frustrante. Así pues, decidió simular la evolución en un computador.
Inicialmente planeó el desarrollo de su programa en
etapas, comenzando con uno supersimplificado al que se le añadirían
progresivamente nuevos rasgos, como el equilibrio puntuado o la existencia de
parasitismo. Tras un penoso aprendizaje autodidacta consiguió escribir y
depurar un primer programa muy simple en «lenguaje máquina». Este programa
inicial se llamó TIERRA, y ha resultado ser de una riqueza extraordinaria, pues
Tom ha estado ocupado en el mismo desde entonces. Más aún, ciertos rasgos que
él había planeado introducir más tarde, incluidos el equilibrio puntuado y el
parasitismo, surgieron espontáneamente de TIERRA. El programa incluso produjo
algo muy semejante al sexo.
TIERRA se vale de «organismos digitales», que son
secuencias de instrucciones en código máquina que compiten por un espacio en la
memoria del ordenador y por tiempo en la unidad central de proceso, de la que
se sirven para su autorreplicación. En cierto sentido, la comunidad de sistemas
complejos adaptativos proporcionada por TIERRA es degenerada, porque el
genotipo y el fenotipo de cada organismo digital están representados por el
mismo objeto, a saber, la secuencia de instrucciones. Esta secuencia es lo que
experimenta mutaciones y es afectado por las presiones selectivas en el mundo
real. De todas maneras, es conveniente (como ha sido remarcado por Walter
Fontana) mantener una separación mental entre las dos funciones aunque ambas
corran a cargo de la misma entidad. (De acuerdo con algunas teorías sobre el
origen de la vida, una etapa temprana del proceso habría tenido el mismo
carácter degenerado, con el ARN asumiendo el papel tanto de genotipo como de
fenotipo.)
Las mutaciones se introducen de dos maneras. En
primer lugar, de vez en cuando los bits cambian (de 0 a 1 o viceversa) al azar
en cualquier parte del conjunto de organismos (lo que se parece mucho al modo
en que los rayos cósmicos afectan a los organismos reales), a una tasa de
alrededor de un bit por cada 10 000 instrucciones ejecutadas. En segundo lugar,
en el curso de la replicación de los organismos digitales, los bits cambian al
azar en las copias. Aquí la tasa es algo mayor, alrededor de un bit por cada
2000 instrucciones copiadas. Éstas son tasas promedio; los errores se
distribuyen irregularmente en el tiempo para evitar periodicidades
artificiosas.
La importancia de la muerte en biología no fue
descuidada en el diseño de TIERRA. La capacidad de la memoria está severamente
limitada, y en ausencia de muerte las criaturas autorreplicantes pronto la
llenan, no dejando espacio para ulteriores replicaciones. De ahí el «segador»,
que elimina organismos regularmente según una regla que depende de la edad del
organismo y de los errores cometidos por el mismo en la ejecución de ciertas
instrucciones.
Tom Ray diseñó una secuencia autorreplicante de
ochenta instrucciones que sirve siempre de ancestro —el organismo digital
inicial— en cualquier ejecución de TIERRA. Cuando ejecutó el programa por
primera vez esperaba un largo período subsiguiente de refinamiento del mismo,
pero enseguida comenzaron a surgir resultados interesantes, muchos de los
cuales sugerían fenómenos biológicos reales, y esta situación se ha mantenido
desde entonces.
Una misteriosa novedad fue la aparición, tras un
largo período de evolución, de una versión refinada del ancestro, que constaba
únicamente de treinta y seis instrucciones, pero en cambio contenía un
algoritmo más complejo. Cuando Tom le enseñó esta versión optimizada a un
informático, éste le dijo que era un ejemplo de una conocida técnica llamada
«desrizar el rizo». En TIERRA, la evolución había resuelto el problema de
desrizar el rizo. Tom escribe: «La optimización es una técnica muy ingeniosa
inventada por los humanos. Pero es implementada en un estilo desordenado aunque
funcional que ningún humano usaría (a menos que estuviese muy borracho)».
¿De dónde salen estos organismos con un número de
instrucciones distinto de ochenta? Las mutaciones no pueden producirlos
directamente. Inicialmente, el sistema contiene sólo el ancestro y sus
descendientes de ochenta instrucciones (que se multiplican hasta que la memoria
está casi repleta, momento en que el segador comienza a trabajar; luego la
población cambiante de organismos continúa ocupando casi toda la memoria).
Finalmente aparecen mutaciones que alteran el genotipo de un organismo de
ochenta instrucciones de un modo especial: cuando el organismo se examina a sí
mismo para determinar su talla y transferirla a sus descendientes, se produce
una respuesta incorrecta y se transfiere una nueva talla. De este modo, la
población comienza a albergar organismos de tallas muy diferentes.
Si el primer intento de modelar la evolución
biológica por este camino ha dado tantos frutos, sin duda debe haber un enorme
territorio todavía por explorar. Nuevas maneras de simular cómo la evolución,
operando sobre enormes períodos de tiempo, ha generado la información ahora
almacenada en los organismos y las comunidades naturales de todo el mundo
pueden ayudarnos no sólo a mejorar nuestra comprensión de la diversidad
existente, sino a crear un clima intelectual en el que esa diversidad pueda ser
mejor protegida.
Una herramienta para la enseñanza de la evolución
El programa TIERRA, junto con otras simulaciones
informáticas de la evolución biológica que puedan desarrollarse en el futuro,
será especialmente valioso para que los no científicos puedan apreciar cómo
funciona la evolución. A la mayoría de gente no le resulta difícil comprender,
incluso sin simulaciones, cómo variaciones relativamente pequeñas combinadas
con unas pocas generaciones de selección pueden producir cambios en una
población. La experiencia personal con la cría de perros, periquitos, caballos
o rosas puede convencer fácilmente a casi todo el mundo de la realidad de la
evolución a pequeña escala. Pero la evolución a gran escala, con la aparición
de nuevas especies, géneros, familias e incluso taxones superiores, es otra
cosa. Hasta el relativamente cercano parentesco del elefante con el damán es
duro de roer para la mayoría de gente. Todavía es más difícil visualizar la
interrelación entre todas las formas de vida, incluyendo los inmensos cambios
que pueden producirse en el transcurso de miles de millones de años.
Lo que para mucha gente resulta especialmente
difícil de aceptar es que el azar más las presiones selectivas puedan
conducir de una condición inicial simple a formas altamente complejas y a las
comunidades ecológicas que las contienen. No pueden creer que tal evolución
pueda tener lugar sin alguna clase de guía o designio. (Otros se resisten
especialmente a la evolución de la conciencia, de la que los humanos nos
sentimos tan orgullosos; creen que la conciencia no puede surgir de otra cosa
que no sea una conciencia preexistente.) Dado que nunca he albergado dudas de
esta clase, sólo puedo contemplarlas desde fuera. Pero para mí está claro que
una manera de superarlas es dejar que la gente experimente las notables
transformaciones efectuadas por millones de generaciones de procesos
fundamentalmente aleatorios combinados con la selección natural. Esto sólo
puede conseguirse por medio de la simulación, como en TIERRA, que puede
recorrer un enorme número de generaciones en un período de tiempo razonable, y
en simulaciones más sofisticadas y realistas que estarán disponibles en el
futuro.
Al describir la evolución biológica en términos de
azar y selección, estamos tratando los diversos procesos de mutación, por
simplicidad, como si fueran puramente estocásticos. Pero de hecho podrían
apartarse algo del puro azar. Varios autores citan observaciones que sugieren
que las mutaciones surgen a veces de forma no aleatoria, incluso de maneras que
parecen favorecer una adaptación creciente. Pero la posible existencia de
efectos ocasionales de esta clase no altera la cuestión fundamental, es decir,
que en ausencia de tales cambios ocasionales no aleatorios la evolución
biológica procedería, hasta donde sabemos, tal como lo hace ahora.
Antes de que Tom Ray desarrollase el programa
TIERRA, convoqué a un pequeño grupo de pensadores en el Instituto de Santa Fe
para discutir la posibilidad de inventar un juego de ordenador que pudiera
popularizarse y convenciese a los jugadores del inmenso poder del proceso
evolutivo al abarcar un gran número de generaciones. Un excelente resultado del
encuentro fue que, de vuelta a casa, John Holland inventó ECHO, una rica
simulación por ordenador de una ecología de organismos simples. Pero la idea
del juego didáctico no prosperó. Luego, al poco tiempo y de manera
independiente, llegó Tom Ray con su TIERRA, que, aunque no se trata en realidad
de un juego, puede en última instancia hacer la misma función.
Algunos de los participantes en el encuentro me
indicaron que un bolsillo en la tapa de la primera edición del libro de Richard
Dawkins El relojero ciego contenía el programa de un juego de
ordenador ilustrativo de la evolución. Pero aquella clase de juego no era
exactamente lo que yo tenía en mente. La cuestión es que en la evolución
biológica no hay ningún diseñador en el bucle. Pero Dawkins, cuyo libro está
dedicado a dejar claro este punto de una manera elegante, inventó un juego en
el que el jugador introduce las presiones selectivas a medida que procede la
evolución, de modo muy parecido al usuario del programa de Karl Sims p ara
producir cuadros (el juego viene con una opción que deja a los organismos
evolucionar solos, pero faltan las presiones selectivas procedentes de la
comunidad ecológica a la que pertenecen). Utilizando el (sólo parcialmente
justificado) lenguaje de la adaptación, se puede decir que en el juego de
Dawkins la adaptación es exógena, inducida desde fuera,
mientras que en la naturaleza la adaptación es endógena, determinada
en última instancia, sin interferencias externas, por el carácter de la Tierra
y el Sol y por sucesos aleatorios que incluyen la evolución de un enorme número
de especies particulares. ¿Puede diseñarse un juego en el que los jugadores, como
Tom Ray con TIERRA, aporten sólo una situación inicial y un conjunto de reglas
evolutivas, y el azar y la selección natural hagan el resto?
Simulación de colectivos de agentes adaptativos
Cualquier simulación evolutiva seria debe incluir
la interacción entre poblaciones pertenecientes a numerosas especies; el medio
ambiente de cada una de ellas comprende, además del entorno fisicoquímico,
todos los otros organismos. Pero si lo que queremos es comprender qué ocurre
con una comunidad ecológica tal en un periodo de tiempo lo bastante corto como
para que los cambios evolutivos carezcan de importancia, entonces tenemos que
simular un proceso ecológico.
Unos cuantos teóricos asociados al Instituto de
Santa Fe han empleado modelos de ordenador para estudiar las propiedades de
aquellos sistemas complejos adaptativos formados por colectivos de agentes
adaptativos, los cuales elaboran esquemas para describir y predecir el
comportamiento mutuo. Estos investigadores han reunido un cuerpo de
conocimientos sobre dichos sistemas, que incluye tanto conjeturas plausibles
como resultados demostrados para modelos particulares. El cuadro resultante es
tal que la región de contenido de información algorítmica intermedio, entre el
orden y el desorden, es posible que contenga un régimen que recuerda el de la
criticalidad autoorganizada, ejemplificado por los montones de arena, en el
cual podría haber magnitudes clave distribuidas según leyes potenciales. Y lo
más importante de todo, la totalidad del sistema podría tender a evolucionar
hacia la condición en que se aplican dichas leyes potenciales.
Stuart Kauffman ha llevado a cabo una buena
cantidad de estudios teóricos sobre este tema, lo mismo que Per Bak. Stuart
está entre quienes lo describen como «adaptación hacia el límite del caos»,
donde «límite del caos» se emplea aquí en un sentido algo metafórico para
indicar una condición crítica entre el orden y el desorden. La expresión
entera, ahora extendida en la literatura popular, fue acuñada por Norman
Packard como título de un artículo sobre la aproximación a dicha condición
crítica por parte de un sistema informático de aprendizaje muy simple. Por la
misma época Chris Langton llevó a cabo investigaciones parecidas de forma
independiente.
En los dominios ecológico y económico, donde hay
aplicaciones obvias, las leyes potenciales mencionadas son bien conocidas a
partir de las observaciones, en particular las que gobiernan la distribución de
recursos. La conocida ley empírica de la distribución de los salarios en una
economía de mercado, descubierta el siglo pasado por el economista italiano
Vilfredo Pareto, se aproxima a una ley potencial para los sueldos más altos.
Pareto descubrió también una ley potencial aproximada para la riqueza individual,
otra vez aplicable al extremo superior del espectro.
Los ecólogos suelen fijarse en la fracción de los
recursos utilizada por la totalidad de individuos de una especie dada,
considerada como una función de las diversas especies de la comunidad. Aquí
vuelven a aparecer las leyes potenciales empíricas. Por ejemplo, a lo largo de
las costas rocosas del mar de Cortés, cerca de su extremo norte justo al sur de
la orilla estadounidense, la zona intermareal contiene cierto número de
organismos, como las bellotas de mar y los mejillones, que ocupan una
proporción variable del área superficial de las rocas. El área total ocupada
por cada especie obedece, con muy buena aproximación, a una ley potencial.
Estos habitantes de las rocas son depredados por otras criaturas. Entre ellas,
en lo más alto de la cadena trófica, está la estrella de mar de 22 brazos (Heliaster
kubniji). ¿Qué pasaría si se eliminase la estrella del cuadro general?
De hecho esto es lo que ocurrió, a causa de alguna catástrofe, en una cierta
extensión de costa, y los ecólogos pudieron observar las consecuencias. El
resultado fue un reajuste del sistema formado por los organismos restantes, con
nuevos valores para el área total de roca cubierta por cada especie. Sin
embargo, la ley potencial aproximada todavía regía. Esto podría dar un cierto
soporte empírico a la idea de que los sistemas de agentes coadaptados son
atraídos hacia una especie de régimen de transición caracterizado por leyes
potenciales para la distribución de recursos.
Matemática basada en leyes y matemática basada en
agentes
En buena parte de la investigación actual sobre los
sistemas complejos adaptativos las matemáticas tienen un papel muy
significativo, pero la mayoría de las veces no se trata de la clase de
matemáticas que tradicionalmente predomina en la teoría científica. Supongamos
que el problema consiste en la evolución temporal de un sistema tal que en cada
momento su estado cambia de acuerdo con cierta ley. Muchos de los éxitos más
sonados de la teoría científica se han conseguido gracias a la matemática
continua, donde la variable tiempo es continua y también lo son las variables
que describen el estado del sistema. Dicho estado cambia en cada momento de
acuerdo con una ley expresada en términos de las variables continuas que
caracterizan el sistema. En lenguaje técnico, se dice que la evolución temporal
del sistema está descrita por una ecuación diferencial o un conjunto de ellas.
Gran parte de los progresos en física fundamental durante los últimos siglos se
fundamentan en leyes de esta clase, incluidas las ecuaciones de Maxwell para el
electromagnetismo, las ecuaciones de Einstein para la gravitación en el marco
de la relatividad general y la ecuación de Schrödinger para la mecánica
cuántica.
Cuando estas ecuaciones se resuelven con la ayuda
de un ordenador digital, lo normal es aproximar la variable continua tiempo
mediante lo que se llama una variable discreta, que toma valores separados por
intervalos finitos en vez de todos los valores posibles entre los instantes
inicial y final que limitan el período de tiempo objeto de estudio. También las
variables continuas que caracterizan el estado del sistema se aproximan
mediante variables discretas. La ecuación diferencial es reemplazada por una ecuación
en diferencias finitas. A medida que se reducen los intervalos entre valores
contiguos de las variables discretas, tiempo incluido, la ecuación en
diferencias se parece más a la ecuación diferencial que sustituye, y el
ordenador digital se acerca más a la solución del problema original.
En la simulación de sistemas complejos adaptativos
suele emplearse una matemática discreta semejante a la que sirve para aproximar
ecuaciones diferenciales continuas en un ordenador digital, pero aquí la
matemática discreta no constituye una aproximación, sino que es fundamental en
sí misma. Las variables que describen el estado del sistema pueden tomar sólo
algunos valores, que representan diferentes alternativas. (Por ejemplo, un
organismo puede o no comerse a otro, o dos organismos pueden o no entrar en combate
y, si lo hacen, puede ganar uno u otro, o un inversor puede comprar, vender o
guardar acciones.)
Incluso la variable tiempo puede tomar sólo unos
pocos miles de valores que representen, por ejemplo, generaciones o
transacciones comerciales, según el tipo de problema. Además, en muchos
problemas los cambios que experimenta el sistema en cada uno de esos instantes
están determinados por una ley que depende no sólo del estado del sistema en un
momento dado, sino también del resultado de un proceso estocástico.
De la clase de matemática discreta que hemos estado
discutiendo suele decirse que es una matemática basada en leyes. Es una
matemática natural para los ordenadores digitales, y a menudo se aplica a la
simulación de sistemas complejos adaptativos compuestos por multitud de agentes
individuales, cada uno de ellos un sistema complejo adaptativo a su vez.
Típicamente, los agentes — como los organismos en una comunidad ecológica o los
individuos y negocios en un sistema económico— desarrollan esquemas que describen
el comportamiento de otros agentes y la manera de reaccionar ante él. En tales
casos, la matemática basada en leyes se convierte en una matemática basada en
agentes, como ocurre, por ejemplo, en el programa TIERRA.
Hacia una economía menos sombría
Los ejercicios con matemáticas basadas en agentes
están entre las herramientas recientes empleadas para guiar a los economistas
hacia una aproximación más evolucionista. Una gran parte de la economía teórica
de las últimas décadas se ha caracterizado por una preocupación por una especie
de equilibrio ideal basado en mercados perfectos, información perfecta y
agentes perfectamente racionales, a pesar de los esfuerzos de algunos de los
mejores economistas para incorporar imperfecciones en estas tres categorías
dentro de la síntesis neoclásica posterior a la segunda guerra mundial.
Según una vieja historia que circula entre los
economistas, un teórico neoclásico y su educada nietecita estaban paseando por
la calle en una gran ciudad norteamericana. La niña vio un billete de veinte
dólares en el suelo y, como era muy formal, preguntó a su abuelo si podía
cogerlo. «No, cariño», replicó él, «si fuera auténtico ya lo habría cogido
alguien».
Desde hace algunos años, un puñado de estudiosos,
incluidos los miembros de un grupo interdisciplinario reunido por el Instituto
de Santa Fe, han dirigido sus esfuerzos hacia el estudio de las economías como
sistemas complejos adaptativos en evolución, compuestos por agentes adaptativos
económicos dotados de una racionalidad limitada, con información imperfecta y
actuando fundamentalmente al azar y en función de la percepción de los propios
intereses económicos. Las felices predicciones de la teoría del equilibrio
aparecen entonces únicamente como aproximaciones, mientras que la nueva
aproximación admite fluctuaciones en torno a dichas predicciones, lo que se
ajusta mejor a la realidad.
En un modelo sumamente simple desarrollado por
Brian Arthur. John Holland y Richard Palmer (un físico de la Universidad de
Duke adscrito al Instituto de Santa Fe), los inversionistas, de una sola clase,
están representados por agentes adaptativos que tratan los unos con los otros a
través de una cámara de compensación. Cada acción rinde unos dividendos anuales
que pueden variar de manera arbitraria. El tipo de interés anual es una
constante, y la razón entre beneficio e interés determina, más o menos, el valor
fundamental de la acción. Pero el precio real puede desviarse mucho del valor
fundamental. Cada agente elabora esquemas elementales basados en la historia de
los precios de las acciones, los cuales les dicen cuándo comprar, guardar o
vender. En cualquier momento, los distintos agentes pueden estar haciendo uso
de esquemas diferentes. Además, un agente dado puede tener una lista de
esquemas y pasar de uno a otro según vayan las cosas. De este modo se generan
fluctuaciones en los precios, a menudo exageradas y ligadas a alzas y bajas
repentinas de carácter especulativo, añadidas a un valor fundamental lentamente
cambiante que representa una especie de límite inferior poco definido para la
desigual curva de precios en función del tiempo. Tales fluctuaciones,
reminiscencias de lo que pasa en los mercados reales, surgen aquí de un modelo
evolutivo que trata con agentes que distan de la perfección pero intentan
mantenerse informados.
Algunos de los participantes en el movimiento para
la reforma económica han demostrado que la racionalidad perfecta no sólo está
en clara contradicción con los asuntos humanos, sino que es inconsistente con
cualquier situación en la que se den fluctuaciones de mercado. Personalmente
siempre me ha causado asombro la tendencia de tantos psicólogos, economistas y
hasta antropólogos académicos a tratar a los seres humanos como entes
absolutamente racionales, o casi. Mi propia experiencia, sea por introspección o
por observación del comportamiento ajeno, me dice que la racionalidad es sólo
uno de los muchos factores que gobiernan la conducta humana, y de ningún modo
es siempre el principal. Asumir que los seres humanos son racionales a menudo
facilita la construcción de teorías sobre su modo de actuación, pero tales
teorías suelen ser poco realistas. Aquí, ¡ay!, reside la principal debilidad de
muchas de las teorías actuales en ciencias sociales y del comportamiento.
Cuando se trata de construir teorías sobre fenómenos complejos, el hacerlas más
analizables puede resultar conveniente, pero no necesariamente las hace mejores
a la hora de describir los fenómenos —y muy bien puede hacerlas mucho peores.
En mi opinión, la gran contribución de la teoría
económica a la comprensión de los asuntos humanos es simplemente el repetido
énfasis en los incentivos. En cualquier situación, ¿cuáles son los incentivos
para las diferentes líneas de acción? Cuando los primeros manuscritos del mar
Muerto fueron descubiertos y los despistados arqueólogos, en su afán por
conseguir más trozos de pergamino, ofrecieron a los nómadas árabes una
retribución fija por cada fragmento encontrado, estaban
propiciando que las piezas fuesen hechas pedazos antes de ser entregadas. Los
economistas estudian, a menudo de manera sofisticada, cómo actúan los
incentivos en el seno de la sociedad, poniendo de manifiesto las debilidades en
los sucesivos esquemas de gobierno o de gestión, análogas a las del sistema de
retribución en el caso de los manuscritos del mar Muerto. Los incentivos
representan presiones selectivas en el seno de un sistema económico. Aun cuando
las respuestas a los mismos no sean completamente racionales, y aunque haya otras
presiones en liza, los incentivos económicos contribuyen a determinar qué
esquemas de comportamiento económico prevalecerán. El ingenio humano siempre se
las arreglará para aprovecharse de los incentivos existentes, igual que la
evolución biológica casi siempre acaba por llenar algún nicho ecológico
vacante. El enfoque evolucionista de la economía, junto con el reconocimiento
de la racionalidad limitada de los seres humanos, no puede sino mejorar las
intuiciones de los economistas acerca de cómo operan los incentivos.
El programa económico ha sido una de las
actividades más fructíferas del Instituto de Santa Fe, al estimular nuevos
trabajos teóricos y modelizaciones de alta calidad. Naturalmente, como en toda
ciencia teórica, el éxito debe medirse en última instancia por las
explicaciones de los datos existentes y por las predicciones correctas de los
resultados de futuras observaciones. El Instituto es todavía muy joven y los
problemas que se estudian en él demasiado difíciles para que se obtengan éxitos
espectaculares a corto plazo. Los próximos años serán críticos para juzgar la
obra del Instituto, y es probable que los modelos económicos hayan dado como
fruto la verificación de algunas predicciones.
Sin embargo, hay otras reformas muy necesarias en
teoría económica. Algunas tentativas fueron contempladas en el plan original
del programa económico del Instituto, pero todavía no se han puesto en marcha.
Una cuestión vital es cómo tener en cuenta de forma apropiada valores difíciles
de cuantificar.
Los economistas han sido a veces satirizados como
gente que mediría el valor del amor a partir del precio de la prostitución. El
valor de algunas cosas es fácil de calcular en dinero, y la tentación de tener
en cuenta sólo tales cosas e ignorar todo lo demás en los cálculos de costes y
beneficios es fuerte. Si se propone la construcción de una presa, un análisis
clásico de costes y beneficios tendría en cuenta cosas como la energía
eléctrica y el control del caudal. Por otra parte, al embalse resultante se le
puede asignar un valor recreativo medido por el valor de los clubs náuticos y
puertos que se construirán para acoger las embarcaciones. Es posible que en el
debe del proyecto se cuente el coste de las casas que quedarán inundadas por el
embalse, pero no así el valor de las plantas y animales del valle, ni el valor
histórico que pueda tener el mismo, ni los lazos comunales que serán
destruidos. Es difícil asignar un valor monetario a tales cosas.
La aparentemente insensible práctica de ignorar lo
que es difícil de cuantificar suele atribuirse a una falta de valores. Pero en
realidad es todo lo contrario, pues representa la imposición sobre cualquier
análisis de un rígido sistema de valores que favorece aquellos que son
fácilmente cuantificables sobre otros que son más delicados pero que, en
cambio, quizá sean más importantes. Las decisiones basadas en esta manera de
pensar empobrecen nuestras vidas. Muchos economistas y expertos en ciencias
políticas han recomendado no considerar valores no cuantificables en el proceso
político. Pero si se hace esto, todos los estudios cuantitativos, con sus
cálculos precisos de lo que pasa con los valores fácilmente cuantificables,
tienen que ser sopesados por quienes toman las decisiones frente a argumentos
cualitativos a los que no se les puede asignar un número. Hoy día está ganando
terreno la idea de consultar a la gente para comprobar qué valor asignaría a
cosas como un mejoramiento de la calidad del aire, la preservación de un parque
o el mantenimiento de las relaciones con el vecindario. En teoría económica,
las preferencias de la gente suelen tratarse como cosas bien definidas y
fijadas. Éste es un punto de vista en armonía con los ideales democráticos.
Pero el destino del planeta ¿es sólo un asunto de opinión pública? ¿No tiene la
ciencia algo que ofrecer?
La ciencia natural tendría que ser especialmente
relevante cuando los cambios se contemplan como irreversibles o casi
irreversibles. T al como está formulada en el presente, ¿presta la economía
suficiente atención a la irreversibilidad? En física, la primera ley de la
termodinámica establece la conservación de la energía total, y seguir la pista
de la energía en física se parece al proceso de seguir la pista del dinero en
economía. Ahora bien, ¿dónde está el análogo económico de la segunda ley de la
termodinámica, la tendencia de la entropía a aumentar (o no cambiar) en un
sistema cerrado? La entropía sirve para definir la irreversibilidad en física,
y muchos pensadores han intentado definir la noción correspondiente en
economía, hasta ahora sin un éxito claro. Pero quizá la búsqueda no sea
infructuosa después de todo, pues podría servir para enmendar la extendida idea
de que cualquier cosa que se esté agotando puede reemplazarse por algún
sustitutivo, como árboles de plástico.
Mientras tanto, los economistas más destacados han
desarrollado conceptos encaminados a corregir el planteamiento de tener en
cuenta sólo las cosas fácilmente convertibles en dinero. La noción de
«retribución psíquica» considera el hecho de que la gente obtiene satisfacción,
y por lo tanto puede sentirse pagada, con cosas intangibles, como el orgullo de
ayudar a los demás. El «coste de la información» tiene en cuenta el hecho de
que la gente puede no saber cómo tomar decisiones razonables en un mercado libre
(por ejemplo sobre compras) si no tiene la necesaria experiencia o intuición.
La «tasa social de depreciación» se supone que considera la deuda entre
generaciones —el grado en que una generación determinada deprecia el futuro
está relacionado con cuánto planea dejar a las generaciones que le sucederán.
Sin embargo, para los economistas que trabajan en
los negocios, el gobierno y las agencias internacionales, puede que no sea
fácil incluir conceptos tan avanzados en sus informes y recomendaciones. Más
aún, puede ser muy difícil cuantificar algunos de estos conceptos aunque hayan
sido introducidos en la teoría.
En conclusión, tanto en la teoría como en la
práctica parece haber espacio para mejorar el tratamiento económico de valores
difícilmente cuantificables, especialmente en casos donde estos valores están
en peligro de desaparecer irreversiblemente. Los progresos que se hagan pueden
ser particularmente valiosos para la preservación de la diversidad biológica y
cultural.
Parte IV
Diversidad y sostenibilidad
Capítulo 21
Diversidades en peligro
Hemos examinado cómo unas leyes simples, que
incluyen un estado inicial ordenado, junto con la intervención del azar, han
producido las maravillosas complejidades del universo. Hemos visto cómo, cuando
los sistemas complejos adaptativos se establecen, funcionan a través del ciclo
de esquemas variables, circunstancias accidentales, consecuencias fenotípicas y
retroacción de las presiones selectivas sobre la competencia entre esquemas.
Tienden a explorar un enorme espacio de posibilidades, con aperturas hacia
niveles superiores de complejidad asociados a la generación de nuevas clases de
sistema complejo adaptativo. A lo largo de extensos períodos de tiempo,
destilan, a partir de sus experiencias, una notable cantidad de información,
caracterizada tanto por su complejidad como por su profundidad.
La información almacenada en tales sistemas en
cualquier momento incluye contribuciones de toda su historia anterior. Esto es
así en el caso de la evolución biológica, que ha progresado durante 4000
millones de años, y también en el de la evolución cultural del Homo
sapiens sapiens, que ha durado unos 100 000 años. En este capítulo
trataremos algunos de los problemas y dilemas que plantea la preservación de al
menos una buena parte de la diversidad que estos dos tipos de evolución han
generado.
En contraste con los capítulos previos, aquí el
énfasis se pondrá más en actuaciones y políticas que en el conocimiento por sí
mismo. Por lo mismo, el discurso será más el de un abogado que el de un
erudito. En el capítulo siguiente, nos trasladaremos al amplio marco dentro del
cual se perseguiría un futuro sostenible y deseable, y veremos cómo podría
estudiarse dicho marco.
Aunque buena parte de nuestra discusión se centrará
en la ciencia y el saber, y en el papel de los expertos, hay que tener en mente
que los intentos de imponer a las sociedades humanas soluciones desde arriba
suelen tener consecuencias destructivas a largo plazo. Sólo a través de la
educación, la participación, cierto grado de consenso y la percepción
generalizada por parte de los individuos de estar personalmente comprometidos
en la empresa, puede conseguirse un cambio duradero y satisfactorio.
La conservación de la diversidad biológica
Hemos mencionado la importancia de transmitir a
todo el mundo (por ejemplo a través de la simulación por ordenador) una
apreciación de cómo un único ancestro podría dar lugar, a través de la
transmisión de errores y la recombinación genética, acompañadas de la selección
natural, a la complejidad efectiva representada por la asombrosa diversidad de
formas de vida existentes en la actualidad. Estas formas de vida contienen una
extraordinaria cantidad de información, acumulada en un período de tiempo de magnitud
geológica, sobre modos de vida en el planeta Tierra y modos de relación mutua
entre las diferentes formas de vida. ¡Cuán poco de toda esta información ha
sido recopilado hasta ahora por los seres humanos!
Pero los humanos, a través de la procreación
combinada con un elevado impacto ambiental por persona (especialmente por
persona rica), han dado inicio a un episodio de extinción que podría acabar
siendo comparable en destructividad con alguna de las grandes extinciones del
pasado. ¿Tiene algún sentido destruir en unas pocas décadas una fracción
importante de la complejidad que la evolución ha creado en tan largo período?
¿Vamos a comportamos los humanos como muchos otros
animales que, en respuesta a un imperativo biológico, ocupan todos los rincones
y grietas disponibles, hasta que su población se ve limitada por el hambre, las
enfermedades y las peleas? ¿O vamos a hacer uso de la inteligencia que, como
tanto nos gusta presumir, distingue nuestra especie de las demás?
La conservación de la diversidad biológica es una
de las tareas más importantes que afronta la humanidad cuando se acerca el
final del siglo XX. En la empresa están comprometidas gentes de toda condición
y de todo el mundo, aplicando diversos métodos para decidir qué hay que hacer y
sobre todo qué hay que hacer primero. Aunque las prioridades variarán de un
sitio a otro, hay algunos principios y prácticas que pueden ser de aplicación
muy general.
La importancia de los trópicos
Es en los trópicos (especialmente en tierra firme)
donde los esfuerzos de conservación se hacen más necesarios. Allí existe la
mayor diversidad de especies y también la mayor presión sobre los recursos
naturales para cubrir las necesidades de una población humana pobre y en rápido
crecimiento. Esta conjunción —más que perder y más peligro de pérdida— hace que
la conservación biológica de los trópicos sea especialmente urgente.
Los trópicos son diferentes de las zonas templadas
no sólo por el número de especies amenazadas, sino también por lo poco que se
sabe de ellas. En las latitudes templadas es posible en general definir las
necesidades de conservación observando especies individuales (al menos las
plantas y animales «superiores») y determinando cuáles se encuentran en
dificultades a escala local, nacional o mundial. Cuando, como debe ser, se
consideran los biomas (las comunidades ecológicas), pueden definirse como
asociaciones de especies conocidas.
En los trópicos, en cambio, numerosas especies son
todavía desconocidas para la ciencia y algunos biomas apenas han sido
explorados. En estas condiciones es impracticable, como norma, establecer los
objetivos de conservación en términos de especies. En vez de eso uno tiene que
concentrarse en salvar sistemas representativos en los que estén representadas
las especies individuales, y la definición de estos sistemas no siempre es
fácil.
El papel de la ciencia
La ciencia tiene un papel crucial en la
conservación de los trópicos. Esto resulta especialmente claro si recordamos
que el objetivo de la ciencia no es sólo acumular hechos, sino aumentar la
comprensión descubriendo estructuras (esto es, regularidades) en la información
y también, siempre que sea posible, mecanismos (explicaciones dinámicas) para
los fenómenos.
Hay toda una gama de métodos disponibles para
recopilar, organizar e interpretar datos sobre el estado de las comunidades
naturales de los trópicos. Los biólogos sistemáticos (aquellos que estudian la
clasificación y distribución de plantas y animales) se inclinan por los
estudios a largo plazo, que pueden prolongarse durante muchas décadas y rinden
conocimientos que tendrán importancia al cabo de largo tiempo. En el otro
extremo de la escala hay técnicas, como las imágenes por satélite y la
fotografía aérea, que proporcionan indicaciones inmediatas de diferencias en la
cubierta vegetal. Para entender el significado de estas diferencias uno tiene
que bajar al suelo y hacer un estudio más o menos detallado, que suele
consistir en expediciones y una buena cantidad de trabajo taxonómico. Estos
esfuerzos se sitúan en medio del espectro, entre los estudios a largo plazo en
el suelo y las inspecciones rápidas desde el aire o el espacio.
Ya nadie duda seriamente de que en los trópicos ha
dado comienzo un episodio de extinción a gran escala. Para algunos, es evidente
por sí mismo que no deberíamos destrozar caprichosamente el producto de miles
de millones de años de evolución. Otros encuentran razones adicionales para
proteger lo que corre peligro de perderse para siempre, entre ellas la utilidad
potencial para los seres humanos de especies que estamos exterminando antes de
saber siquiera que existen, por no hablar del valor que tiene para las
generaciones futuras la percepción del funcionamiento de ecosistemas complejos
en un estado relativamente no degradado. Una de las tareas importantes de los
científicos es explicar estos argumentos en detalle. La ciencia puede
proporcionar no sólo una guía para establecer prioridades, sino también una
base lógica para las mismas.
En otras palabras, la preservación de la diversidad
biológica requiere un mayor conocimiento científico, tanto para que los
conservacionistas tengan una idea acertada de cómo proceder como para que
puedan demostrar que lo que hacen tiene sentido. Una información precisa y bien
organizada es una poderosa herramienta que puede contribuir a movilizar la
conciencia social necesaria para proteger ejemplos viables de las diversas
comunidades ecológicas. En este esfuerzo, pienso que son importantes las
aportaciones y progresos de la disciplina de la biogeografía.
La biogeografía es el estudio de la distribución de
plantas y animales y de la evolución de la misma, teniendo en cuenta la
influencia de la geología y la topografía. Se ocupa de los procesos de
variación, dispersión, supervivencia y extinción, así como de la historia y los
procesos que determinan las fronteras de las distribuciones de los organismos
actuales. La biogeografía, en estrecha relación con la sistemática y la
ecología, puede proporcionar un cuerpo de teoría que contribuya a organizar los
datos sobre presencia de especies animales y vegetales. Podría suministrar una
clasificación de biomas y ser de gran utilidad en la planificación de un
sistema viable de áreas protegidas y en la identificación de lagunas en los
existentes.
Valoración rápida
Desde el punto de vista científico, es esencial
mantener la investigación a largo plazo, que no proporciona resultados
inmediatos pero sí duraderos. Pero, obviamente, la conservación no siempre
puede esperar. Para cuando los biólogos de campo hayan completado un estudio
meticuloso y exhaustivo de la flora y la fauna en un área tropical particular,
puede que sea demasiado tarde para emprender la preservación de las comunidades
de toda o parte del área porque tales comunidades habrán dejado de existir.
Ejercer la totalidad del espectro de actividades
científicas necesarias para la conservación requiere el aprovechamiento
creativo de todos los recursos potenciales. En particular, a partir de su
adiestramiento, experiencia y conocimiento científico, unos pocos biólogos de
campo (botánicos, ornitólogos y herpetólogos, por ejemplo) han aprendido cómo
obtener rápidamente un censo aproximado de las especies presentes en un área
tropical dada, se han formado una idea de la composición de diversos biomas y
han desarrollado métodos ágiles para determinar el grado de degradación de un
entorno determinado. Su conocimiento y juicio podría ser de utilidad en las
tareas de preservación. Estimando la diversidad biológica de un área
particular, así como el estado de conservación de sus comunidades naturales, y
determinando qué biomas están restringidos a pequeñas regiones y cuáles están
seriamente amenazados, pueden proporcionar una información inmensamente valiosa
para los encargados de establecer las prioridades de protección. Estos mismos
biólogos de campo pueden también contribuir en gran medida al éxito de las
expediciones para observar sobre el terreno los datos de fotografías aéreas y
satélites, así como al de los estudios sistemáticos y biogeográficos a largo
plazo. Es de particular importancia formar más científicos como ellos,
especialmente dentro de los propios países tropicales.
A través de la Fundación John D. y Catherine T.
MacArthur, de la que soy director, colaboré en la puesta a punto del Programa
de Valoración Rápida, bajo los auspicios de Conservación Internacional. Se
reunió un núcleo compuesto por un ornitólogo, un teriólogo y dos botánicos. En
asociación con otros biólogos de campo, se formaron equipos para explorar zonas
particulares (principalmente americanas). Hasta ahora los equipos han examinado
áreas muy diferentes que incluyen bosques secos, bosque húmedo de montaña y
pluvisilvas, identificadas inicialmente por reconocimiento aéreo para descubrir
si poseían suficiente diversidad biológica y estaban lo suficientemente poco
degradadas para que su protección estuviese justificada.
En 1989 participé en uno de estos reconocimientos
aéreos al lado de Spencer Beebe, entonces miembro de Conservación
Internacional, y Ted Parker, el ornitólogo del programa. Encontramos un área
selvática notablemente extensa y bien conservada en Bolivia, el Alto Madidi,
que convertimos en uno de los primeros objetivos del programa. La zona abarca
desde una selva de tipo amazónico (drenada por ríos tributarios del Amazonas,
aunque a cientos de kilómetros de distancia del gran río) hasta bosques de
montaña de varias clases. Más adelante, el equipo visitó la región y la estudió
sobre el terreno, encontrándola todavía más rica en diversidad y calidad de lo
que se adivinaba desde el aire. Ahora la Academia Boliviana de Ciencias y el
gobierno boliviano se están planteando la posibilidad de extender la protección
de sus selvas al Alto Madidi.
Caminando con Ted Parker por las selvas
sudamericanas, no podía dejar de estar de acuerdo con los calificativos
superlativos que había oído sobre él. De todos los ornitólogos de campo
altamente experimentados a los que he acompañado, él fue el que me dejó más
impresionado. Conocía de memoria y podía reconocer los cantos de más de tres
mil aves del Nuevo Mundo. Al final del día había identificado cada sonido del
bosque como obra de una rana, un insecto o un pájaro. Cuando hacíamos acudir a
las aves reproduciendo en la selva sonidos grabados previamente, sus
identificaciones siempre resultaban ser correctas. Pero de tarde en tarde, al
oír un débil «Psst» entre la maleza, exclamaba: «¡No sé qué es esto!». Entonces
seguro que se trataba de un ave hasta entonces no observada en el área o el
país, o incluso, muy de vez en cuando, de una especie desconocida para la
ciencia.
Escuchando al amanecer podía estimar, a partir de
los cánticos y sonidos que oía, tanto la diversidad ornitológica como la
calidad del hábitat. Sus colegas en teriología (Louise Emmons) y botánica
(Alwyn Gentry y Robin Foster) llevaban a cabo hazañas semejantes en sus
respectivas especialidades.
Recientemente, la tragedia golpeó a este
extraordinario equipo.
Ted y Alwyn murieron, junto con un colega
ecuatoriano, Eduardo Aspiazu, cuando su avión se estrelló durante un
reconocimiento aéreo. El piloto también murió. Los biólogos, como es habitual,
le habían pedido al piloto que volara más bajo para poder inspeccionar mejor el
bosque desde el aire (estaban buscando una pequeña extensión de bosque seco
cerca de Guayaquil). De pronto el avión entró en una nube, perdieron la
visibilidad y colisionaron con una montaña cercana.
Mientras lloramos la pérdida de nuestros
compañeros, que eran casi indispensables, los que estamos comprometidos en la
conservación de los trópicos tenemos la esperanza de que el trabajo del
Programa de Valoración Rápida continúe de alguna manera. Esperamos que su lugar
sea ocupado por otros especialistas de campo igualmente diestros y que se
formen otros nuevos, especialmente entre la población autóctona.
En general, el futuro de la preservación de la
diversidad ecológica tropical depende en gran manera de las actividades del
creciente cuerpo de científicos y conservacionistas de los propios países
tropicales. Las decisiones principales en materia de conservación serán tomadas
por lo general a escala nacional, y un creciente número de organizaciones
ciudadanas están tomando el liderazgo de la protección de la diversidad
biológica en los diversos países. Científicos de prestigio internacional de los
países templados pueden ejercer cierta influencia, pero la conservación no
podrá llevarse a cabo sin el apoyo local y nacional.
Participación de la población local
De hecho, la conservación necesita tanto del apoyo
de individuos influyentes, para que los proyectos se pongan en marcha, como del
de las poblaciones rurales locales para el mantenimiento de las reservas
naturales. La protección de grandes áreas a largo plazo no puede prosperar a
menos que sea vista con buenos ojos por la población local. Esto significa
hacer hincapié en las posibles contribuciones de la conservación al desarrollo
rural. Por ejemplo, la agricultura depende a menudo de la protección de las cuencas
fluviales, y la disponibilidad a largo plazo de productos forestales para el
consumo y la venta requiere a menudo el mantenimiento de tierras de bosque
cercanas. La población local tiene que obtener algún beneficio de la
conservación, y tiene que ser consciente de este beneficio. A menudo los
indígenas pueden estar directamente ligados a las áreas protegidas, a través
del turismo natural o sirviendo como guías o guardas en los p arques
nacionales.
Es de particular importancia implicar a los pueblos
indígenas locales. En muchos casos, su continuidad cultural y hasta física
están más amenazadas incluso que las plantas y animales de las áreas donde
viven. Su conocimiento del medio en el que viven, acumulado a lo largo de
muchos siglos, puede servir para encontrar usos humanos de los organismos
nativos, así como maneras de ganarse la vida sin destruir las comunidades
ecológicas locales. En algunos casos los pueblos indígenas han tomado la
iniciativa en los esfuerzos de conservación, como por ejemplo los kuna de
Panamá, que han convertido en parque una fracción importante de su territorio
en el continente (muchos de los kuna viven en las islas de San Blas, donde son
bien conocidos como artífices de las pintorescas molas, usadas
a menudo para decorar vestidos y bolsos).
La lucha de los organismos por la vida en los
bosques tropicales conduce a una escalada de armas químicas y otros procesos
que generan sustancias con potentes efectos biológicos, muchas de las cuales
son de utilidad, especialmente en medicina. Estos productos químicos se buscan
de dos maneras diferentes. Un método, la etnobotánica, explota el conocimiento
de los pueblos indígenas, obtenido mediante prueba y error a lo largo de
cientos o miles de años, haciendo así uso de la evolución cultural tanto como
de la evolución biológica que produjo las sustancias. El otro método es la
prospección química directa, llevando especímenes de plantas y animales
(insectos, por ejemplo) al laboratorio y aislando productos químicos nuevos
mediante métodos modernos de extracción. Aquí los resultados de la evolución
biológica se explotan sin la intervención de las culturas indígenas. Ambos
métodos aspiran a encontrar al menos unas pocas sustancias que puedan
utilizarse, por ejemplo, para elaborar fármacos, casi siempre en los países
desarrollados. Aunque tales sustancias se emplearían en forma tratada o
sintética, hay que encontrar el modo de que una fracción significativa de los
beneficios vuelva a los pueblos del bosque o de las áreas adyacentes. Sólo así
el proceso de explotación y consumo puede representar un beneficio adicional
para los pueblos locales fruto de la preservación de la vegetación. Lo mismo
puede aplicarse a muchos esquemas para la gestión de productos forestales
distintos de la madera, como frutos tropicales secos y suculentos. Como
siempre, los incentivos crean presiones selectivas sobre los esquemas de
comportamiento humano.
Un espectro de prácticas conservacionistas
El aprovechamiento de ciertos productos forestales
distintos de la madera (como los derivados de la caza) sólo puede llevarse a
cabo, igual que el de la madera misma, en áreas que como mucho estén sólo
parcialmente protegidas. Un modelo que ha sido ampliamente adoptado y cuenta
con la aprobación de Naciones Unidas es la creación de reservas de la biosfera.
Una reserva de la biosfera típica consta de un área central, a menudo una
cuenca fluvial agreste, absolutamente protegida y una región circundante en la que
se permiten ciertas prácticas de explotación controladas. Más allá de esta
zona, pero todavía dentro de la reserva, puede haber áreas donde se permita la
agricultura y otras actividades económicas normales, pero con algunas
restricciones.
Está claro que el establecimiento de un sistema de
áreas naturales totalmente protegidas, incluidas las del interior de las
reservas de la biosfera, es sólo una parte de lo que hay que hacer. Fuera de
esas áreas se requiere una amplia variedad de prácticas conservacionistas,
entre ellas la repoblación forestal (con especies nativas siempre que sea
posible), la implantación de políticas racionales energéticas y de aguas, la
minimización de los efectos sobre el medio ambiente de actividades como la
agricultura, la minería y la industria, y la atención al problema, de máxima
importancia, del crecimiento demográfico. Por otra parte, es muy deseable el
desarrollo de estrategias de conservación integradas tanto nacionales como
regionales.
Muchos aspectos de la conservación en este sentido
amplio requieren una financiación que los países tropicales más pobres no
pueden permitirse. Para las naciones desarrolladas de la zona templada, asumir
una buena parte de la carga es algo que a la larga redundará en su propio
beneficio. Todos los que nos encontramos sobre la superficie de este planeta
saldremos perdiendo si la riqueza biológica de los trópicos continúa
devastándose. Dondequiera que lleguen recursos procedentes de los países
desarrollados, sea a través de donativos, préstamos o remoción parcial de la
deuda, una fracción apreciable debería reservarse para la conservación en
sentido amplio. Un acuerdo para la práctica de la conservación a cambio de
ayudas es parte de lo que a veces se ha dado en llamar «el contrato
planetario». En los últimos años se han llevado a cabo unos cuantos «canjes de
deuda». Las deudas de algunos países tropicales han sido asumidas por
organizaciones conservacionistas a cambio de que los gobiernos dediquen una
parte proporcional de las tierras a áreas protegidas (el mismo principio puede
aplicarse a otros objetivos deseables, como el desarrollo económico de un país
subdesarrollado o la educación superior en el extranjero para sus ciudadanos).
Los canjes de deuda son ejemplos excelentes de contrato planetario.
Si uno se parara a pensar en las perspectivas de
éxito de un programa global de conservación de la diversidad biológica en los
trópicos, quizá los resultados serían poco esperanzadores. Sin embargo, la
historia muestra claramente que la humanidad avanza no gracias a aquellos que
se detienen a cada paso para calibrar el éxito o fracaso final de sus
aventuras, sino a quienes piensan profundamente en lo que es justo y luego
ponen toda su energía en alcanzarlo.
La preservación de la diversidad cultural
Del mismo modo que es una locura tirar por la borda
en unas pocas décadas la riqueza biológica que ha evolucionado a lo largo de
miles de millones de años, también lo es permitir la desaparición de la
diversidad cultural humana, que ha evolucionado de manera análoga a lo largo de
muchas decenas de miles de años. Pero la unidad de la especie humana (así como
la solidaridad con las otras formas de vida con las que compartimos la
biosfera) es ahora más necesaria que nunca. ¿Cómo pueden reconciliarse ambas inquietudes?
Tomé conciencia por primera vez de la tensión entre
unidad y diversidad a una edad temprana. Cuando era niño, le planteé a mi padre
la vieja cuestión de si la humanidad podría promover la paz universal haciendo
uso de un único lenguaje mundial. En respuesta él me contó que doscientos años
atrás, en la era de la Ilustración y la Revolución Francesa, el pensador alemán
Herder, un pionero del romanticismo y figura de la Ilustración, escribió acerca
de la necesidad de preservar la diversidad lingüística salvando las lenguas
letona y lituana —tan arcaicas, tan cercanas a la lengua indoeuropea ancestral—
en peligro de desaparecer. Con la ayuda de escritores nativos de la época, como
el poeta lituano Donelaitis, la tarea de conservar estos pedazos de ADN
cultural pudo completarse. Hoy Letonia y Lituania son otra vez países
independientes, y los lenguajes salvados de la extinción hace dos siglos son
ahora lenguas oficiales.
Los problemas relativos a la conservación cultural
que representan un desafío mayor tienen que ver con los pueblos indígenas,
especialmente los que son a veces calificados de primitivos, fundamentalmente
por el estado de su tecnología. En muchos casos, estos mismos pueblos indígenas
están siendo físicamente exterminados por las enfermedades y la violencia, o
bien desplazados o dispersados y aniquilados culturalmente. Hace un siglo, en
algunas partes del oeste de los Estados Unidos, todavía había gente que se
dedicaba a disparar a los «indios salvajes» los fines de semana. Así fue como
Ishi, el último indio yahi, perdió a su familia y amigos, según el relato de
Alfred y Theodora Kroeber. Hoy día los norteamericanos deploran atrocidades
similares cometidas en otros países. Esperemos que la desesperada situación
presente pueda mejorar con rapidez y estos pueblos tengan mayores oportunidades
de sobrevivir y de elegir entre seguir más o menos aislados en el futuro o
modernizarse conservando una continuidad cultural y una memoria del pasado.
Las ricas tradiciones locales, así como las
instituciones y modos de vida, de los pueblos indígenas de todo el mundo
constituyen un tesoro de información sobre las posibilidades de organización y
modos de pensar humanos. Muchos de ellos poseen también conocimientos preciosos
sobre cómo vivir formando parte de una comunidad ecológica tropical. (Hay que
hacer notar que otros han destruido la naturaleza, particularmente los pueblos
que han colonizado islas deshabitadas, grandes o pequeñas, por menos de uno o dos
milenios. En algunos casos, la idea de un pueblo indígena viviendo en armonía
con la naturaleza es más una ilusión que una realidad.)
Pensemos en el conocimiento de las propiedades de
las plantas que se alberga en la mente de ciertos chamanes. Muchos de estos
hechiceros están ahora falleciendo sin que nadie les reemplace. Richard
Schultes, el gran etnobotánico de Harvard que pasó muchos años estudiando
plantas medicinales en la cuenca amazónica, dice que cada vez que muere un
chamán es como si ardiera una biblioteca. Schultes ha adiestrado a muchos
etnobotánicos más jóvenes, que han emprendido la labor de salvaguardar tantos
secretos como sea posible de estas bibliotecas vivientes antes de que
desaparezcan definitivamente. Uno de ellos, Mark Plotkin, publicó recientemente
un delicioso relato de sus aventuras titulado Tales of a Shaman ’s
Apprentice (Cuentos de un aprendiz de chamán).
Los seres humanos han destilado, durante cientos o
miles de años de aprendizaje por el método de prueba y error, una considerable
cantidad de información sobre los usos de los organismos para la obtención de
alimento, medicinas y vestido. A veces el proceso de aprendizaje debe haber
sido verdaderamente dramático, como en el caso de la mandioca, una planta de la
selva amazónica. No hay muchas plantas que crezcan en el suelo de la selva,
pues la mayor parte de la luz es captada por los árboles del dosel superior,
medio e inferior. En estas condiciones, la mandioca (el tubérculo del que se
hace la tapioca) es un valioso recurso, comestible y nutritivo. Pero el
tubérculo contiene una buena cantidad de ácido prúsico (cianuro de hidrógeno) y
es por lo tanto muy venenoso. Sólo calentando para descomponer y expulsar el
ácido se hace comestible la carne del tubérculo. Muchos miembros hambrientos de
bandas y tribus amazónicas deben haber perdido la vida antes de que se
aprendiera a utilizar la mandioca.
No es sólo en estas regiones subdesarrolladas donde
el método de ensayo y error ha revelado propiedades útiles de plantas y
preparados vegetales. La medicina popular ha tenido gran importancia para la
vida de las personas en todo el planeta. Naturalmente, no todas las recetas
populares están justificadas, pero la ciencia moderna ha confirmado algunas de
ellas. Como ejemplo citaré una experiencia de mi propio padre. Hijo de un
guardabosques, cuando era todavía un muchacho y vivía en los bosques de hayas de
lo que entonces era Austria oriental, cerca de la frontera rusa, se cortó
accidentalmente con un hacha la última falange de un dedo. Entonces la cogió,
la enjuagó un poco y se la volvió a colocar, envolviendo el dedo con una
cataplasma hecha de miga de pan. Llevó la cicatriz circular durante el resto de
su vida, pero la falange se mantuvo en su sitio. Esto sucedió muchos años antes
de que la ciencia moderna reconociera las propiedades bacteriostáticas del moho
del pan (Penicillium notatum), pues sin duda fueron estas
propiedades las que salvaron el dedo de mi padre.
En el proceso adaptativo por el que los grupos
humanos hacen estos descubrimientos útiles, las presiones selectivas tienen que
haber traído consigo algunas cuestiones muy similares a las que se plantea la
ciencia. ¿Sirve para algo este procedimiento? ¿Se puede comer esto
tranquilamente? ¿Sanan las heridas envolviéndolas así? ¿Ayuda esta hierba a
acelerar el parto cuando el niño se retrasa?
Los remedios populares que derivan de la magia
simpática son otra cosa. Entre las pretendidas curas basadas en la similaridad
hay una para la ictericia (en realidad un síntoma de enfermedad hepática) que
consiste en mirar fijamente el ojo dorado de un alcaraván. Si mi padre hubiera
probado esto, de poco le habría servido, fuera de algún ligero efecto
psicosomático. En la evolución de la magia simpática, tan extendida entre los
pueblos de la Tierra, las presiones selectivas, como ya hemos remarcado antes,
eran en su mayoría muy diferentes de las que corresponderían a un éxito
objetivo.
Pero aquellos pueblos no necesariamente trazaban
una frontera clara entre la magia y el descubrimiento de usos reales de
productos animales y vegetales. Los hechiceros no dejaban de ser hechiceros,
aunque enseñaran al mundo moderno el empleo de materiales como la corteza de
chinchona, de la que se extrae la quinina, un tratamiento contra la malaria. En
las tradiciones culturales no siempre es fácil separar lo que se adapta
fácilmente a las ideas modernas de lo que entra en conflicto con ellas.
La tensión entre ilustración y diversidad cultural
La tensión entre la universalidad soñada por la
Ilustración y la necesidad de preservar la diversidad cultural continúa
existiendo en nuestros días. En la discusión sobre el futuro del planeta,
incluyendo los resultados de la investigación científica y tratando de
reflexionar racionalmente sobre sus implicaciones, nos vemos obstaculizados por
el predominio de la superstición. La persistencia de creencias erróneas
contribuye a exacerbar la extendida y anacrónica incapacidad para reconocer los
problemas urgentes a los que se enfrenta la humanidad en este planeta.
Naturalmente, la ausencia de unidad filosófica y, especialmente, los
particularismos destructivos de toda clase constituyen una seria amenaza. T
ales particularismos se siguen manifestando en muchos sitios en forma de
tribalidad, pero hoy día pueden relacionarse con diferencias de nacionalidad,
lengua, religión o de otro tipo, a veces tan pequeñas que alguien ajeno a la
cuestión difícilmente puede detectarlas, pero suficientes para dar lugar a rivalidades
y odios mortíferos, especialmente cuando son explotados por dirigentes poco
escrupulosos.
Pero, al mismo tiempo, la diversidad cultural es en
sí misma una valiosa herencia que debería preservarse: esa torre de Babel de
lenguas, esa confusión de sistemas religiosos y éticos, ese panorama mítico,
esa mezcolanza de tradiciones políticas y sociales, acompañadas como están por
tantas formas de irracionalidad y particularismo. Uno de los principales retos
de la raza humana es reconciliar los factores universalizantes como la ciencia,
la tecnología, la racionalidad y la libertad de pensamiento con los factores
particularizantes como las tradiciones y creencias locales, así como las
simples diferencias geográficas, de temperamento o de ocupación.
Cultura popular universal
La erosión de los modelos culturales locales en
todas partes del mundo no es, sin embargo, resultado únicamente, ni siquiera
principalmente, del contacto con los efectos universalizantes de la ilustración
científica. La cultura popular es casi siempre mucho más efectiva a la hora de
borrar distinciones entre lugares o sociedades. Los tejanos, las hamburguesas,
la música rock y las series de televisión norteamericanas han estado
propagándose por el mundo durante años. Por otra parte, las influencias universalizantes
no pueden clasificarse simplemente como pertenecientes a la cultura científica
o a la popular, sino que forman un continuo, un espectro de impactos culturales
diferentes.
Ocupando una posición intermedia entre la cultura
superior y la popular hay instituciones como la CNN (Cable News Network). En
algunos lugares y en determinadas ocasiones, las emisiones de la CNN son una
valiosa y oportuna fuente de imágenes memorables y de información
razonablemente precisa que de otra manera sería inasequible. En otras
situaciones parece representar una forma de diversión, parte de la cultura
popular universalizante. En cualquier caso, los telediarios emitidos en todo el
mundo y los diarios y revistas semanales que se publican en muchos países se
consideran parte de la «explosión informativa» mundial, junto con la increíble
proliferación de publicaciones periódicas y libros de carácter no literario,
por no hablar del veloz crecimiento de las redes de correo electrónico y la
explosión venidera de comunicaciones multimedia interactivas.
La explosión informativa (¿o desinformativa?)
Desafortunadamente, esta explosión informativa es
en gran parte desinformativa. Todos estamos expuestos a enormes cantidades de
material consistente en datos, ideas y conclusiones —en gran parte mal
comprendidos o simplemente equivocados—. La necesidad de comentarios y reseñas
más inteligentes es acuciante.
Debemos conceder más prestigio al acto creativo en
sí, a la redacción de artículos y libros serios que distingan lo fidedigno de
lo que no lo es y sistematicen y encapsulen, en la forma de teorías razonables
y otras clases de esquema, lo que parece digno de crédito. Si un investigador o
investigadora publica un resultado novedoso en las fronteras del conocimiento
científico o el saber en general, puede obtener una recompensa en forma de
cátedra o ascenso, aunque se demuestre después que el resultado era totalmente
incorrecto. Ahora bien, dedicándose a poner en claro lo que otros han hecho (o
a extraer lo que vale la pena de entre lo accesorio) es mucho menos fácil hacer
carrera. Sería mucho mejor para la humanidad que la estructura de recompensas
se modificase de manera que las presiones selectivas sobre las carreras
favoreciesen el examen de la información tanto como su adquisición.
Tolerar la intolerancia: ¿Es eso posible?
¿Pero cómo podemos reconciliar el examen crítico de
las ideas, incluso la identificación y clasificación del error, con la
tolerancia —e incluso la celebración y preservación— de la diversidad cultural?
Hemos discutido cómo cada tradición cultural específica incluye, en forma de
motivos artísticos, ideas y creencias que definen y unifican las fuerzas
sociales y son fuente de consuelo personal frente a la tragedia. Como hemos
destacado, muchas de estas ideas y creencias serían etiquetadas como erróneas por
la ciencia (o al menos no justificadas por la evidencia) mientras que otras
representan preciosos descubrimientos sobre el mundo natural y sobre posibles
formas de desarrollo humano individual y social (incluidas, quizá, la
exploración de nuevos dominios de la experiencia mística y la formulación de
escalas de valores que subordinen el apetito por los bienes materiales a otros
más espirituales). La preservación de la diversidad cultural, sin embargo,
tiene que superar de algún modo esa distinción. Los modelos o esquemas que son
elementos de ADN cultural no son fácilmente clasificables entre los que vale la
pena preservar y los que no.
Pero hay una dificultad aún más profunda. Muchos de
los modelos locales de pensamiento y comportamiento están asociados no sólo con
errores dañinos y particularismos destructivos, sino de modo específico con el
hostigamiento y la persecución hacia aquellos que se adhieren a la cultura
científica laica y universalizante, con su acento en la racionalidad y en los
derechos humanos individuales. Y es precisamente en el seno de estas culturas
donde es más fácil encontrar gente comprometida, por cuestión de principios,
con la preservación de la diversidad cultural.
De algún modo, la especie humana tiene que
encontrar maneras de respetar y beneficiarse de la gran variedad de tradiciones
culturales y a la vez resistir las amenazas de desunión, opresión y
oscurantismo que de vez en cuando representan algunas de estas mismas
tradiciones.
Capítulo 22
Transiciones hacia un mundo más sostenible
La preocupación por la preservación de la
diversidad biológica es inseparable de la preocupación por el futuro del
conjunto de la biosfera, pero el destino de la biosfera está a su vez
estrechamente ligado con virtualmente todos los aspectos del futuro humano.
Trataré de detallar aquí una especie de proyecto investigador acerca del futuro
de la especie humana y del resto de la biosfera. Este proyecto no pretende
quedarse en predicciones poco definidas. Es más bien un llamamiento para que
personas que trabajan en un gran número de instituciones y una amplia variedad
de disciplinas se unan para concebir posibles escenarios evolutivos que,
partiendo de la situación presente, conduzcan hacia un mundo más sostenible en
el siglo XXI. Este enfoque es más concreto que la simple especulación sobre lo
que podría acontecer en el futuro.
¿Por qué es necesario pensar a tan gran escala? ¿No
sería mejor un proyecto más manejable que se concentrase en un aspecto
particular de la situación mundial?
El hecho es que vivimos en una época de
especialización creciente, y por buenas razones. La humanidad puede así
acumular más conocimientos dentro de cada campo de estudio, y a medida que una
especialidad crece, tiende a dividirse en subespecialidades. Este proceso se
repite una y otra vez, cosa que es tanto necesaria como deseable. Sin embargo,
se hace también cada vez más necesario complementar la especialización con la
integración. La razón es que no existe sistema complejo no lineal que pueda
describirse adecuadamente dividiéndolo en subsistemas o en diversos aspectos
definidos de antemano. Si estas partes, todas en mutua interacción, se estudian
por separado, aunque sea con un alto grado de detalle, los resultados, una vez
reunidos, no proporcionan una buena imagen del conjunto. En ese sentido, hay
una profunda verdad en el viejo adagio que dice: «El todo es más que la suma de
sus partes».
Es necesario, por lo tanto, abandonar la idea de
que lo único serio es trabajar con todas las energías en un problema bien
definido en el marco de una disciplina restringida y dejar las ideas de
carácter eminentemente integrador para las fiestas de sociedad. En la vida
académica, en las burocracias y en todas partes, la labor integradora es
infravalorada. Y, sin embargo, cualquier alto cargo de una organización, sea un
presidente, un primer ministro o un secretario general, tiene que tomar
decisiones como si todos los aspectos de la cuestión, junto
con sus influencias mutuas, se tuviesen en cuenta. ¿Es razonable que cuando el
dirigente busca asesoramiento encuentre únicamente especialistas y tenga que
hacerse cargo él solo de la reflexión integradora a la hora de hacer los
juicios intuitivos finales?
En el Instituto de Santa Fe, donde científicos,
sabios y pensadores de todo el mundo, representantes de virtualmente todas las
disciplinas, se reúnen para investigar acerca de los sistemas complejos y de
cómo surge la complejidad a partir de leyes simples subyacentes, se encuentra
gente que tiene el coraje de dar un vistazo a la totalidad además
de estudiar las partes de un sistema a la manera tradicional. Quizás el
Instituto pueda contribuir a que se produzca una explosión de investigación
conjunta sobre vías potenciales hacia un mundo más sostenible por parte de
instituciones de todo el globo dedicadas a estudiar aspectos particulares de la
situación mundial. Los aspectos en cuestión tendrían que incluir asuntos
políticos, militares, diplomáticos, económicos, sociales, ideológicos,
demográficos y medioambientales. Con el nombre de Proyecto 2050 ha dado
comienzo un esfuerzo relativamente modesto bajo la dirección del Instituto de
Recursos Mundiales, la Institución Brookings y el propio Instituto de Santa Fe,
en el que participan personas e instituciones de muchas partes del mundo.
Ahora bien, ¿qué es lo que se entiende aquí por
sostenible? En A través del espejo, Humpty Dumpty explica a
Alicia cómo emplea las palabras para significar lo que le venga en gana,
pagándoles por ese privilegio cada sábado por la noche (el final de la semana
laboral decimonónica). Estos días debe haber mucha gente pagando primas a la
palabra «sostenible». Por ejemplo, si el Banco Mundial tiene que financiar
algún anticuado proyecto de desarrollo masivo destructivo para el medio
ambiente, muy bien puede ponérsele la etiqueta de «desarrollo sostenible» con
la intención de hacerlo más aceptable.
Esta práctica me recuerda el gag de los Monty
Python en el que un hombre entra en una oficina para pedir una licencia para su
pez, Eric. Cuando el funcionario le dice que no existen las
licencias para peces, él replica que le dijeron lo mismo cuando pidió una
licencia para gatos, pero que él tenía una. Tras enseñársela al funcionario,
éste le dice: «Esto no es una licencia para gatos. Es una licencia para perros
con la palabra “perro” tachada y la palabra “gato” escrita encima a lápiz».
Hoy día hay mucha gente atareada en escribir a
lápiz la palabra «sostenible». La definición no siempre está clara, por lo que
no es irrazonable asignar aquí un significado a la palabra.
Evidentemente, la definición literal es inadecuada. La ausencia completa de
vida en la Tierra sería sostenible durante cientos de millones de años, pero
está claro que no es esto lo que perseguimos. La tiranía universal podría
sostenerse durante muchas generaciones, pero tampoco es esto lo que buscamos.
Imaginemos un mundo atestado de gente, quizás extremadamente violento y
autoritario, con sólo unas pocas especies de plantas y animales supervivientes
(las que están en íntima conexión con la sociedad humana). Aunque tales
condiciones podrían mantenerse, no se corresponderían con lo que queremos
significar aquí. Está claro que vamos en busca de unas condiciones que, aparte
de sostenibles, sean mínimamente deseables. Curiosamente, hay en la actualidad
un cierto grado de acuerdo teórico sobre lo que es deseable, sobre las aspiraciones
de la especie humana tal y como están expresadas, por ejemplo, en las
declaraciones de Naciones Unidas.
Entonces, ¿qué tipo de futuro estamos concibiendo
para nuestro planeta y nuestra especie cuando hablamos de sostenibilidad,
atemperando nuestros deseos con cierta dosis de realismo? Seguramente no uno de
estancamiento, sin esperanza para las personas hambrientas u oprimidas. Pero
tampoco uno de abuso continuado y creciente del medio ambiente a medida que la
población crece, los pobres intentan elevar su nivel de vida y los ricos
provocan un enorme impacto ambiental per capita. Por otro
lado, la sostenibilidad no se refiere sólo a cuestiones medioambientales y
económicas.
En términos negativos, la especie humana tiene que
evitar la guerra aniquiladora, la tiranía generalizada y la omnipresencia
continuada de la pobreza extrema, así como la desastrosa degradación de la
biosfera y la destrucción de la diversidad biológica y ecológica. La idea
fundamental es el logro de mayor calidad de vida sin que se adquiera
principalmente a expensas del futuro. Esto abarca la supervivencia de cierto
grado de diversidad cultural y también de muchos de los organismos con los que
compartimos el planeta, así como las comunidades ecológicas de que forman
parte.
Desde el punto de vista tecnológico, hay optimistas
que piensan que los humanos no necesitamos cambiar demasiado el curso de las
cosas para evitar un futuro desastroso, que podemos lograr una sostenibilidad
aceptable sin esfuerzos especiales, a través de una serie ilimitada de ajustes
tecnológicos simples. Algunos ni siquiera creen en la sostenibilidad como
objetivo. Pero eso no impide que todos podamos reflexionar sobre ella. Incluso
quienes no aceptan que la sostenibilidad sea un objetivo irrenunciable pueden
preguntarse si hay maneras de acercarse a ella en los próximos cincuenta a cien
años y, si las hay, qué alternativas habría y qué mundo resultaría. El debate
sobre una cuestión no requiere que se compartan los puntos de vista de quienes
lo plantean.
Los historiadores tienden a irritarse cuando
alguien sentencia: «Éste es un período único en la historia». Pero nuestra
época es efectivamente especial en dos aspectos bien definidos y estrechamente
relacionados.
En primer lugar, la especie humana ha alcanzado la
capacidad técnica de alterar la biosfera a través de efectos de primer orden.
La guerra es antigua, pero la escala a la que puede desencadenarse hoy día es
enteramente nueva. Es sabido que una guerra termonuclear total arrasaría una
fracción significativa de la vida planetaria, sin mencionar los problemas que
podría causar el armamento biológico o químico. Por otro lado, a través del
crecimiento demográfico y determinadas actividades económicas, los humanos
están alterando el clima global y exterminando un número significativo de
especies animales y vegetales. A decir verdad, los seres humanos han causado en
el pasado más destrucción de lo que suele admitirse. La deforestación por obra
de hachas y cabras, con la consiguiente erosión y desecación, data de hace
miles de años y ya fue señalada, por ejemplo, por Plinio el Viejo. Hasta los
pequeños grupos humanos que vivían en Norteamérica hace diez mil años podrían
haber contribuido a la extinción de la megafauna norteamericana de la era
glacial, de la que formaban parte mamuts, perezosos gigantes, lobos de las
cavernas, felinos de dientes de sable y diversas especies de camélidos y
equinos (una teoría atribuye algunas de las extinciones, al menos parcialmente,
al hábito de hacer despeñarse rebaños enteros de animales por los acantilados
para después aprovechar sólo la carne y la piel de unos cuantos). Sin embargo,
el perjuicio potencial para la biosfera en su totalidad es ahora mucho mayor
que nunca antes. La actividad humana ha provocado ya múltiples problemas
medioambientales, incluyendo cambios climáticos, contaminación oceánica,
empobrecimiento de la calidad del agua dulce, deforestación, erosión del suelo,
etc. Y como los conflictos, muchos de los males que afectan al medio ambiente
son antiguos, pero su escala actual no tiene precedentes.
En segundo lugar, el crecimiento de la población
mundial y la merma de los recursos naturales no pueden continuar para siempre;
pronto se alcanzará un punto de inflexión (cuando la tasa de crecimiento
comience a disminuir). El siglo XXI es un periodo crucial (en el sentido
original de encrucijada) para la especie humana y el planeta. Durante muchos
siglos, la población humana total en función del tiempo se ha ajustado
estrechamente a una curva hiperbólica simple que se eleva hasta infinito hacia
el año 2025. La nuestra es, obviamente, la generación en la que la población
mundial tiene que empezar a despegarse de esa hipérbola, y de hecho ya ha
comenzado a hacerlo. Ahora bien, ¿se aplanará la curva de población gracias a
la previsión humana y el progreso hacia un mundo sostenible o bien caerá y
fluctuará de resultas de los tradicionales azotes de la guerra, el hambre y las
epidemias? Si las curvas de población y agotamiento de recursos se aplanan, ¿lo
harán de manera que sea posible una razonable calidad de vida —incluyendo
cierto grado de libertad— y la persistencia de una alta diversidad biológica, o
bien tendremos un mundo gris de escasez, polución y autoritarismo, con plantas
y animales reducidos a unas pocas especies que coexistan con facilidad con la
nuestra?
Una cuestión similar puede plantearse en relación
al desarrollo progresivo de los medios militares y la escala de los conflictos.
¿Permitirá la gente que estallen guerras aniquiladoras a gran escala o hará uso
de su inteligencia y capacidad de previsión para limitar y reorientar las
luchas, suavizar los conflictos y equilibrar la rivalidad con la cooperación?
¿Aprenderemos, o quizá ya hemos aprendido, a tratar nuestras diferencias sin la
posibilidad de guerras catastróficas? ¿Y los conflictos menores que surgen de
la desintegración política?
Gus Speth, que fue el primer presidente del
Instituto de Recursos Mundiales (en cuya fundación tengo el honor de haber
colaborado), ha sugerido que el desafío para el género humano en las próximas
décadas consistirá en efectuar una serie de transiciones interrelacionadas. Yo
propongo ampliar ligeramente sus concepciones incorporando consideraciones de
orden más político, militar y diplomático, sumadas a las de orden social,
económico y medioambiental que él destaca. Con estas modificaciones, el resto
de este capítulo se organiza alrededor de esta noción, algo tosca pero útil, de
conjunto de transiciones.
La transición demográfica
Hemos visto que las décadas venideras serán testigo
de un cambio histórico en la curva demográfica global. La mayoría de expertos
piensa que la población mundial se estabilizará en el próximo siglo en torno al
doble de la población actual, estimada en unos 5500 millones de personas. Hoy
día, las altas tasas de crecimiento demográfico (que tienen que ver
fundamentalmente con unas mejoras en la medicina y la salud pública que no han
llevado aparejado un descenso de la natalidad) todavía predominan en muchas partes
del mundo. Esto ocurre especialmente en las regiones tropicales
subdesarrolladas, incluyendo países que, como Kenia, no pueden permitírselo ni
ecológica ni económicamente. Mientras tanto, la población de los países
desarrollados en general se ha estabilizado bastante, si se exceptúan los
efectos de la migración, la cual ciertamente será un asunto de la mayor
importancia en las décadas venideras.
Los expertos se han enzarzado en muchas discusiones
sobre los factores responsables del declive de la natalidad que ha tenido lugar
en la mayoría de países desarrollados, y ahora sugieren medidas encaminadas a
producir los mismos efectos en el mundo tropical. Estas medidas incluyen
mejoras en la sanidad, alfabetización, educación y oportunidades de las mujeres
además de otros progresos en la condición femenina, una reducción en la
mortalidad infantil (lo cual en principio obra, naturalmente, en sentido opuesto,
pero más adelante puede evitar que las parejas intenten compensar las muertes
esperadas produciendo más niños de los que realmente desean) y un seguro social
para los mayores, una meta aún distante en muchos países en vías de desarrollo.
Naturalmente, la disponibilidad de una
contracepción segura y efectiva es crucial, pero también lo es la erosión de
los incentivos tradicionales para tener familias numerosas. En diversas partes
del mundo la pareja típica (y especialmente el varón típico) todavía desea
tener muchos hijos. ¿Qué clase de incentivos pueden ofrecerse a las familias de
uno o dos hijos? ¿Cómo puede persuadirse a la gente,
por las vías culturalmente apropiadas, de que en el
mundo moderno tales familias son de interés común, con mayores niveles de
sanidad, educación, prosperidad y calidad de vida de lo que permiten las
familias numerosas? Con la importancia que tienen en los asuntos humanos los
vaivenes de la moda, ¿qué se puede hacer para popularizar la idea de una
familia pequeña? Estas cuestiones todavía están desatendidas en muchos sitios,
incluso por parte de las organizaciones que declaran estar contribuyendo a
resolver el problema de la población mundial.
Si es cierto que la población humana se encamina
hacia un punto de inflexión y que acabará estabilizándose globalmente en unas
pocas décadas, es de la mayor importancia tanto el proceso histórico en sí como
su duración y las cifras resultantes. El carácter exacto y la magnitud del
efecto del crecimiento demográfico sobre la calidad del medio ambiente depende
de muchas variables, como por ejemplo el reparto de las tierras, y valdría la
pena hacer un cuidadoso estudio en áreas diferentes. No obstante, de entrada
parece evidente que, en conjunto, el crecimiento demográfico contribuye a la
degradación del medio ambiente, ya sea por las enormes tasas de consumo de los
ricos o por la desesperada lucha de los pobres por sobrevivir, sea cual sea el
precio de cara al futuro.
Las consecuencias para el medio ambiente serán
probablemente mucho más serias si el mundo simplemente espera a que mejoren las
condiciones económicas entre las poblaciones empobrecidas para que surtan
efecto las medidas de reducción de la natalidad, en vez de fomentar tal
reducción en paralelo con el desarrollo económico. Es muy probable que el
impacto medioambiental total por persona sea considerablemente mayor tras el
desarrollo económico que antes, y cuanto menores sean las cifras cuando
finalmente se alcance una prosperidad relativa, mejor para las personas y para
el resto de la biosfera.
La transición tecnológica
Hace unas décadas, algunos de nosotros (en
particular Paul Ehrlich y John Holdren) señalábamos el hecho absolutamente
obvio de que el impacto sobre el medio ambiente en un área geográfica
determinada puede descomponerse en tres factores: población, prosperidad
convencional por persona e impacto medioambiental por persona y por unidad de
prosperidad convencional. El último factor depende especialmente de la
tecnología. Es el cambio tecnológico el que de algún modo ha permitido la
existencia de la gigantesca población humana actual, y mientras miles de
millones de personas viven en una situación de pobreza desesperada, unos pocos
consiguen vivir con unas comodidades razonables como consecuencia de los
adelantos científicos y tecnológicos, incluida la medicina. Los costes
medioambientales han sido enormes, pero en ninguna parte tan grandes como
pueden serlo en el futuro si el género humano no actúa con algo de previsión.
La tecnología, bien aprovechada, puede contribuir a
reducir el tercer factor prácticamente tanto como lo permitan las leyes
naturales. Cuánto puede mejorarse el factor de prosperidad, especialmente en lo
que se refiere a la pobreza extrema, depende en considerable medida de cuánto
acapara el primer factor, el número de personas.
La evidencia del comienzo de la transición
tecnológica está empezando a manifestarse en muchos sitios, aunque el grueso de
la misma está aún por llegar. Pero hasta elementos tecnológicos relativamente
simples pueden acabar planteando problemas extremadamente complejos.
Considérese el ejemplo de la erradicación de la
malaria en las poblaciones humanas. Hace no demasiado tiempo, la desecación de
los pantanos era todavía el principal método de control. Pero ahora se entiende
que hay que evitar la destrucción de los pantanales siempre que sea posible.
Entretanto la ciencia había identificado el plasmodio responsable de la malaria
y sus mosquitos vectores. La fumigación con plaguicidas químicos como el DDT
para eliminar los mosquitos parecía un paso adelante, pero resultó tener serias
consecuencias para el medio ambiente. En primer lugar, las aves en lo más alto
de la cadena trófica acuática comenzaron a acumular altas dosis de DDE, un
metabolito del DDT que causaba un adelgazamiento de las cáscaras de los huevos
provocando el fracaso reproductivo de muchas especies, incluida el águila
calva, emblema nacional norteamericano. Hace veinte años que el DDT quedó
desfasado en el mundo desarrollado, y las poblaciones de aves amenazadas
comenzaron a recuperarse. Pero todavía se sigue utilizando en otras partes,
aunque están comenzando a aparecer cepas resistentes del mosquito vector.
Después resultó que algunos de los sustitutos
inmediatos del DDT eran claramente peligrosos para los humanos. Hoy día, sin
embargo, hay métodos mucho más sofisticados para reducir la población de
vectores, incluyendo el uso de productos químicos específicos, así como la
liberación de compañeros sexuales estériles y otros «controles biológicos».
Todas estas medidas pueden coordinarse en lo que se denomina «gestión integrada
de plagas». Hasta ahora el empleo a gran escala de tales métodos todavía
resulta demasiado caro. En el futuro podrían desarrollarse técnicas más baratas
e igualmente inocuas. También se dispone de repelentes de insectos, pero son
igualmente caros y plantean problemas propios.
Mientras tanto, un tratamiento simple y efectivo en
muchos sitios es meterse dentro de un mosquitero media hora al amanecer y media
hora al anochecer, cuando actúa con preferencia el mosquito vector. Por
desgracia, en muchos países tropicales la población rural está demasiado
atareada a esas horas para meterse debajo de una red.
Es probable que algún día se desarrollen vacunas
contra la malaria que erradiquen completamente las diversas formas de la
enfermedad, pero entonces surgirá otra dificultad: áreas silvestres importantes
que estaban protegidas por el peligro de la malaria quedarán expuestas al
desarrollo irresponsable.
Sin duda he invertido demasiado tiempo en este
ejemplo aparentemente simple, sólo para exponer algunas de sus complicaciones.
Puede esperarse que surjan complicaciones análogas dondequiera que se efectúe
una transición tecnológica para reducir el impacto sobre el medio ambiente, sea
en la producción industrial, la extracción de minerales, la producción de
alimentos o la generación de energía.
Al igual que la reconversión de las industrias
militares en industrias civiles, la transición tecnológica requiere una ayuda
financiera y la readaptación de los trabajadores a medida que las oportunidades
se cierran para una clase de empleo y se abren para otras. Sería aconsejable
que los políticos consideraran los retos planteados por estas reconversiones.
Así, el dejar de fabricar agentes químicos para la guerra podría contemplarse
de la misma manera que el desmantelamiento de la explotación forestal en los
antiguos bosques del noroeste de los Estados Unidos. Por otra parte, estas
cuestiones políticas vuelven a surgir cuando la sociedad intenta reducir el
consumo de productos perjudiciales para la salud, sean legales como el tabaco o
ilegales como la cocaína.
No obstante, en cuanto a exigencias, estas tres
formas de reconversión plantean problemas algo diferentes. En el caso de las
armas químicas, el reto principal era persuadir a los gobiernos de no volver a
encargar su fabricación y sacar a la luz y destruir las existencias presentes.
El tema de las drogas, en cambio, es objeto de agrias disputas. En el caso de
la transición tecnológica para reducir el impacto sobre el medio ambiente, la
cuestión es cuáles son los incentivos para el desarrollo y empleo de tecnologías
inocuas. Esto nos conduce a la transición económica.
La transición económica
Si el aire o el agua son tratados como bienes
libres en las transacciones económicas, entonces contaminarlos y degradar su
calidad no cuesta nada. La actividad económica implicada se desempeña entonces
a costa del medio ambiente y del futuro. Durante siglos, las autoridades han
hecho frente a este tipo de problemas por medio de prohibiciones y multas, a
menudo ineficaces. Hoy día se intenta en algunos sitios ejercer una
reglamentación a gran escala, y se han conseguido algunos éxitos. Sin embargo,
parece ser que para los gobiernos el modo más eficiente de tratar estas
cuestiones es hacer pagar de alguna forma el coste de la restauración de la
calidad. Esto es lo que los economistas llaman «internalización de
externalidades». La reglamentación, con sus multas y otras penalizaciones,
constituye en sí misma un recargo. Sin embargo, suele requerir acciones
específicas por parte de los contaminadores, mientras que la internalización
fomenta la restauración de la calidad, o su no degradación en primera instancia,
de la manera más barata posible. Los ingenieros y administradores de la
industria implicada son quienes prescriben las medidas que deben tomarse. La
microgestión burocrática se hace innecesaria.
El pago de los costes reales es un elemento
fundamental de la transición económica requerida para pasar de vivir en gran
medida del capital de la naturaleza a vivir principalmente de las rentas de la
naturaleza. Aparte de que suele ser mejor que la reglamentación, el recargo es
desde luego mucho mejor que la mera exhortación. De entrada, reduce las
ambigüedades.
Supongamos que nos comprometemos a premiar con la
medalla verde los productos que tengan un menor impacto ambiental. Pronto nos
encontraremos con un problema. Un detergente particular puede ser más bajo en
fosfatos que otro y así producir menos eutrofización (crecimiento de algas) en
los lagos, pero puede requerir un consumo energético mayor porque hay que
usarlo con agua caliente. ¿Cómo se puede sopesar una consideración frente a
otra? Si se prueba a imponer un recargo a los productores por la eutrofización
causada por sus detergentes y, por otra parte, el coste de la energía que
requiere un lavado se marca con claridad en el paquete, el consumidor puede
decidirse en función del desembolso total, y el mercado determinará los
precios. La medalla verde se hace innecesaria.
La gran dificultad a la hora de establecer el pago
de los costes reales es, naturalmente, estimarlos. Hemos discutido ya cómo los
economistas nunca han conseguido un éxito pleno a la hora de abordar problemas
sutiles relacionados con la calidad y la irreversibilidad, cuestiones análogas
a las que surgen en conexión con la segunda ley de la termodinámica en el marco
de la ciencia natural. Tales problemas pueden, por supuesto, sacarse a relucir
en el ruedo político y tratarse únicamente como asuntos de opinión pública,
pero a largo plazo seguramente la ciencia tendrá también algo que decir.
Mientras tanto, lo más simple es estimar el coste de reponer lo que se ha
perdido. Puede que sea necesario algún tipo de prohibición estricta sobre lo
que es irreemplazable, pero en los demás casos el logro de una calidad
sostenible está estrechamente ligado a la idea de pagar para restaurar la
calidad perdida, y la definición de calidad será competencia de la ciencia en
interacción con la opinión pública.
Un aspecto fundamental de cualquier programa de
pago de costes reales es la eliminación de subsidios para actividades
económicas destructivas, muchas de las cuales serían totalmente antieconómicas
si no fuera por tales subsidios. En la memoria de la Comisión Mundial de Medio
Ambiente y Desarrollo (la comisión Brundtland), compuesta por distinguidos
hombres de Estado de muchas partes del mundo, su brillante secretario general,
el canadiense Jim MacNeill, se encargó de señalar que, para ver lo que está pasando
con el medio ambiente, no hay que fijarse tanto en las actividades del
ministerio de Medio Ambiente como en las del ministerio de Finanzas y en los
presupuestos generales. Es aquí donde hay que buscar los subsidios destructivos
para, no sin grandes obstáculos políticos, eliminarlos.
La discusión sobre presupuestos conduce
directamente a la cuestión de si los procedimientos de contabilidad nacionales
incluyen la merma del capital natural. Por lo general no. Si el presidente de
un país tropical, a cambio de un soborno, hace un contrato con una compañía
maderera extranjera para talar buena parte de los bosques de la nación por poco
dinero, en las cuentas de la administración pública este dinero, incluido el
soborno si es que no va a parar a un banco suizo, aparecerá como parte de los ingresos
nacionales, pero la desaparición de los bosques, con todos sus beneficios y
potencial, no se contabilizará entre las pérdidas. No son sólo los países
tropicales los que venden sus bosques a un precio demasiado bajo, como lo
atestigua el destino de los bosques húmedos templados de la costa noroeste del
Pacífico estadounidense, la Columbia Británica y Alaska.
Está claro que la reforma de los sistemas de
contabilidad de la administración pública es una necesidad prioritaria en todos
los países. Por fortuna, los esfuerzos para acometer esta reforma han comenzado
ya en algunos sitios. Nuestro ejemplo también deja claro que la lucha contra la
corrupción es un elemento clave en el logro de la transición económica.
Otro indicador del grado de inquietud acerca de la
disminución del capital de la naturaleza es la tasa de depreciación. Por lo que
sé, el Banco Mundial, en la financiación de proyectos de gran impacto sobre el
medio ambiente, todavía aplica una depreciación del 10 por ciento por año. Si
esto es cierto, significa que la pérdida de una gran parte del patrimonio
natural al cabo de treinta años es descontada por un factor de 20. El
patrimonio natural de la próxima generación se valora en un 5 por ciento del
valor actual asignado, si es que se tiene en cuenta.
La tasa de depreciación, en esta forma, es una
medida de lo que se ha dado en llamar equidad intergeneracional, un concepto
crucial para la noción de calidad sostenible. Desvalorizar el futuro demasiado
rápidamente equivale a robarlo. Si se generaliza un poco más la noción de tasa
de depreciación, puede servir para sintetizar mucho de lo que se entiende por
sostenibilidad.
La transición social
Algunos economistas subrayan la importancia del
posible conflicto entre la equidad intergeneracional y la equidad
intrageneracional, esto es, la preocupación por el futuro y la preocupación por
la pobreza actual, que hace necesaria la explotación de algunos recursos para
asegurar la supervivencia. Aunque parte de la degradación actual de la biosfera
se debe a la lucha por la vida de los que viven en condiciones miserables, una
buena parte puede atribuirse al despilfarro de recursos por parte de los ricos.
Sin embargo, gran parte de ella tiene que ver también con proyectos a gran
escala que supuestamente sirven, por ejemplo, para ayudar a la población rural
de un país en desarrollo, pero a menudo, si es que lo hacen, de una manera
bastante ineficiente y destructiva. En contraste, esas mismas personas pueden
recibir ayuda de un modo más efectivo a través de la suma de pequeños esfuerzos
aplicados localmente; un ejemplo es la práctica conocida como micropréstamo.
En el micropréstamo, se establece una institución
financiera dedicada a conceder préstamos de escasa cuantía a los propietarios
locales, muchos de ellos mujeres, para fundar pequeñas empresas que ofrezcan un
medio de vida local a un puñado de personas. Con frecuencia tales negocios
crean empleos relativamente no destructivos y contribuyen tanto a la equidad
intergeneracional como a la intrageneracional. Por fortuna, esta práctica de
apoyo a una economía sostenible se está extendiendo cada vez más.
Es difícil entender cómo puede conseguirse una
calidad de vida sostenible a largo plazo cuando está tan desigualmente
repartida, cuando hay tantas personas que pasan hambre, carecen de hogar o
mueren en la juventud a causa de alguna enfermedad, conscientes de que en otras
partes hay miles de millones de personas que llevan una existencia mucho más
confortable. Está claro que la sostenibilidad requiere acciones a gran escala
orientadas hacia la equidad intrageneracional. Como en el caso del
micropréstamo, a menudo hay más sinergia que conflicto entre equidad
intergeneracional y equidad intrageneracional. Las políticas que en verdad
ayudan a la población rural de los países en desarrollo son mucho más
compatibles con la preservación de la naturaleza de lo que se suele pretender.
Las políticas que sirven para combatir efectivamente la pobreza urbana son
precisamente las que incluyen disposiciones encaminadas a evitar catástrofes
medioambientales urbanas. Tales políticas incluyen también medidas para
resolver los problemas rurales que están causando emigraciones en masa a las
ciudades, en su mayoría ya atestadas. De hecho, está claro que la transición
social debe incluir el alivio de algunos de los problemas más graves de las
megalópolis.
Hoy día, todavía más que en el pasado, ninguna
nación puede abordar problemas que afecten a la actividad económica urbana o
rural sin tener en cuenta los asuntos internacionales. La aparición de la
economía global es uno de los rasgos dominantes del escenario contemporáneo, y
el deseo de participar más activamente en dicha economía es una de las fuerzas
principales que influyen en la política de gobiernos e intercambios comerciales
en todo el mundo. Junto con el transporte rápido, las comunicaciones a escala
planetaria y los efectos sobre el medio ambiente global, la importancia de los
temas económicos globales hace que sea esencial un mayor grado de cooperación
mundial para tratar con las serias cuestiones a las que se enfrenta la
totalidad del género humano. Esto nos lleva a la transición institucional.
La transición institucional
La necesidad de cooperación a escala regional y
global no se restringe a los temas de medio ambiente, ni tampoco a los
económicos. El mantenimiento de la paz y la seguridad internacional es,
por lo menos, igual de importante.
Desde hace poco, con la disolución de la Unión
Soviética y el «bloque soviético» de naciones, y con un mayor grado de
cooperación por parte de China, las instituciones mundiales, incluidos los
órganos de las Naciones Unidas, pueden funcionar con más eficiencia que antes.
Para la ONU es ahora rutinario organizar la supervisión de unas elecciones o
promover negociaciones para frenar una guerra civil. Las actividades para el
mantenimiento de la paz están progresando en muchas partes del mundo. Los
resultados no son ni mucho menos satisfactorios, pero por lo menos el proceso
está comenzando a afianzarse.
Mientras tanto, la cooperación transnacional está
tomando forma de muchas otras maneras y, necesariamente, el papel del Estado se
está debilitando cada vez más en un mundo donde existen tantos fenómenos
importantes por encima de las fronteras nacionales. En muchas esferas de la
actividad humana funcionan desde hace largo tiempo instituciones
transnacionales y hasta universales (o casi), tanto de carácter formal como
informal. Ahora hay muchas más. Todas ellas contribuyen de algún modo a
canalizar la competencia dentro de modelos sostenibles y la atemperan a base de
cooperación. Unas son más importantes o más efectivas que otras, pero todas
tienen alguna trascendencia. Son ejemplos la red de tráfico aéreo, la Unión
Postal Internacional, la Convención sobre Frecuencias de Emisión, la Interpol,
los tratados sobre aves migratorias, la CITES (Convention on International
Trade in Endangered Species), la Convención sobre Armas Químicas, la Unión
Internacional de Física Pura y Aplicada, el Consejo Internacional de Organizaciones
Científicas, los congresos mundiales de matemáticas, astronomía, antropología,
psiquiatría, etc., el PEN (organización internacional de escritores),
instituciones financieras como el Banco Mundial y el Fondo Monetario
Internacional, corporaciones multinacionales desde McDonald’s hasta IBM,
agencias de la ONU como WHO, UNEP, UNDP, UNFPA, UNICEF y UNESCO, y Cruz Roja
Internacional. Por otro lado, no habría que ignorar la creciente importancia
del inglés como lenguaje internacional.
Poco a poco, sobre una base global o altamente
transnacional, la especie humana está comenzando a luchar contra algunos de los
problemas que plantea la gestión de la biosfera y de las actividades humanas
que se desarrollan en ella. Aquí el efecto del cambio de situación en la
antigua Unión Soviética y en la Europa del Este es extremadamente esperanzador.
El resultado es que ahora se ha hecho probable la cuasiuniversalidad en
numerosas actividades para las que antes apenas podía esperarse nada parecido.
Además, se han puesto en marcha negociaciones sobre
asuntos generales de carácter global — aquellos aspectos del medio ambiente que
no se reconocen como patrimonio de nadie, y por lo tanto patrimonio de todos,
cuya explotación egoísta sin ninguna clase de cooperación internacional sólo
puede llevar a resultados negativos para todas las partes—. Son ejemplos obvios
los océanos, el espacio y la Antártida.
Los acuerdos entre países más y menos desarrollados
pueden seguir el modelo del contrato planetario, del que ya hablamos en
conexión con la conservación de la naturaleza. Aquí asume un significado más
general: la transferencia de recursos de los países ricos a los pobres conlleva
la obligación para estos últimos de tomar medidas que hagan progresar la
sostenibilidad en sentido amplio, es decir, desde la no proliferación nuclear
hasta la protección de áreas salvajes. (Otra manifestación del contrato planetario
es que los aparatos eléctricos en los países templados compensen sus emisiones
de dióxido de carbono pagando una cuota destinada a preservar los bosques
tropicales.)
Sin embargo, el problema de los particularismos
destructivos —la competencia encarnizada y a menudo violenta entre pueblos de
diferente lengua, religión, raza, nación o cualquier otra cosa— se ha agudizado
aún más de lo habitual en los últimos años, especialmente tras la rotura de
algunas de las ligaduras impuestas por ciertos regímenes autoritarios. Decenas
de conflictos violentos de carácter étnico o religioso están en curso en
diferentes partes del globo. Fundamentalismos de diverso cuño están a la orden
del día. El mundo actual experimenta simultáneamente una tendencia hacia la
unidad y otra hacia la fragmentación.
Ya hemos mencionado que, por lo que parece, ninguna
diferencia es demasiado pequeña para provocar la división de la gente en grupos
violentamente antagónicos. Pensemos, por ejemplo, en el agrio conflicto que se
desarrolla en Somalia. ¿Diferencias lingüísticas? No, todos hablan somalí.
¿Diferencias religiosas? Virtualmente todos son musulmanes. ¿Diferentes sectas
islámicas? No. ¿Diferencias entre clanes? Las hay, pero no crean demasiados
problemas. La guerra es principalmente un asunto de subclanes dominados
por señores de la guerra, cuyas rivalidades se han desatado tras el hundimiento
del orden legal.
La transición ideológica
¿Hacia dónde nos conducirán estas tendencias? Si se
da rienda suelta a nuestra propensión anacrónica hacia el particularismo
destructivo, tendremos rivalidades militares, problemas demográficos y una
competencia por los recursos que hará difícil o incluso imposible el logro de
una calidad de vida sostenible. Es necesaria una radical transición ideológica
que comprenda la transformación de nuestras maneras de pensar, nuestros
esquemas, nuestros paradigmas, si es que queremos acercarnos a la sostenibilidad
en nuestras relaciones mutuas, por no hablar de nuestras interacciones con el
resto de la biosfera.
La investigación científica aún no ha dejado claro
hasta qué punto las actitudes humanas hacia las personas percibidas como
diferentes (y hacia los otros organismos) están gobernadas por tendencias
hereditarias desarrolladas hace tiempo en el curso de la evolución biológica.
Puede que hasta cierto punto nuestra propensión a formar grupos mutuamente
intolerantes y a destruir el medio ambiente de manera innecesaria tenga ese
origen. Podría tratarse de tendencias que fueron adaptativas en el pasado, pero
que han dejado de serlo en un mundo de interdependencia, armas destructivas y
una capacidad para la degradación de la biosfera incrementada en grado sumo. La
evolución biológica es demasiado lenta para responder a tales cambios. Pero
sabemos que la evolución cultural, mucho más rápida, puede modificar las
tendencias biológicas.
Los sociobiólogos subrayan que nosotros los
humanos, como otros animales, heredamos una tendencia a protegernos tanto a
nosotros mismos como a nuestros parientes cercanos, de modo que tanto nosotros
como ellos sobrevivamos para procrear y transmitir parte de nuestros genes
comunes. Pero en los seres humanos ese instinto promotor de adaptación
inclusiva está profundamente transformado por la cultura. Un sociobiólogo, al
invocar la imagen de alguien saltando a un río para salvar a otra persona de
las fauces de un cocodrilo, argumentaría que tal «altruismo» es más probable
cuando la otra persona es un pariente cercano. Un antropólogo cultural podría
señalar que en muchas tribus ciertos parientes, incluso muy lejanos, son
hermanos, padres o hijos «de clase», que son tratados en muchos aspectos como
si en verdad fueran parientes cercanos. Quizá los miembros de tales tribus
están dispuestos a arriesgar su vida por sus hermanos y hermanas de clase
simplemente porque quieren. En cualquier caso, los sociobiólogos admiten ahora
que los modelos de comportamiento altruista en el hombre están afectados en
gran medida por la cultura. Una cierta disposición a arriesgar la vida propia
por otro ser humano puede extenderse fácilmente a todos los miembros de la
tribu.
Este comportamiento se da también en niveles de
organización superiores. A escala de nación, se conoce como patriotismo. A
medida que las personas se han ido agregando en sociedades cada vez más
grandes, el concepto de «nosotros» se ha ido ampliando. (Desafortunadamente,
las tensiones pueden revelar puntos débiles en el tejido social que acaban
causando su fragmentación en unidades menores. Esto es lo que ha pasado, por
ejemplo, en la vecindad de Sarajevo, donde un residente se expresaba así:
«Hemos vivido al lado de esa gente durante cuarenta años, hasta nos hemos
casado con ellos, pero ahora nos damos cuenta de que no son del todo humanos».)
A pesar de tales reveses, es innegable que la tendencia es hacia un sentido de
la solidaridad cada vez más inclusivo.
La cuestión ideológica más importante es si, en una
escala de tiempo reducida, ese sentido de la solidaridad puede abarcar al
conjunto de la humanidad y también, en cierta medida, al resto de organismos
que componen la biosfera y a los ecosistemas de los que todos formamos parte.
¿Es posible que los intereses provincianos y a corto plazo se vean
crecientemente acompañados de intereses globales y a largo plazo? ¿Puede
experimentar la conciencia de familia una evolución cultural suficientemente
rápida hacia la conciencia planetaria?
Cuando en él pasado se ha alcanzado la unidad
política, casi siempre ha sido a través de las conquistas, muchas veces
seguidas de intentos de suprimir la diversidad cultural, pues diversidad
cultural y rivalidad étnica son dos caras de la misma moneda. Sin embargo, para
satisfacer el requerimiento de calidad sostenible la evolución hacia la
conciencia planetaria debe acomodar la diversidad cultural.
El género humano necesita unidad en la diversidad,
de modo que las diversas tradiciones evolucionen para permitir la cooperación y
la consecución de las muchas transiciones hacia la sostenibilidad necesarias.
La comunidad es esencial para las actividades humanas, pero sólo las
comunidades motivadas para el trabajo en común es probable que sean adaptativas
en el mundo futuro.
Mientras tanto, la diversidad cultural humana ha
dado lugar a una multiplicidad de ideologías o paradigmas, esquemas
característicos de las maneras de pensar de uno a otro lado del globo. Algunas
de estas maneras de ver el mundo, incluyendo concepciones particulares de lo
que es la buena vida, pueden hacer más corto el camino hacia la calidad
sostenible. Es deseable que tales actitudes se extiendan más, incluso aunque la
diversidad cultural se resienta por el declive de actitudes con consecuencias
más destructivas. Como siempre, la preservación de la diversidad cultural no
sólo puede engendrar paradojas, sino entrar en conflicto con las otras metas.
Hace unos años asistí a una notable conferencia
impartida en UCLA por Václav Havel, entonces presidente de la pronta a
dividirse República Federada Checa y Eslovaca, y ahora presidente de la
República Checa. La conferencia trataba de la degradación medioambiental que
había sufrido su país en las últimas décadas, con serios efectos sobre la salud
humana. Para él el culpable era el antropocentrismo, especialmente esa
filosofía que presupone que nosotros los humanos somos los dueños del planeta y
tenemos el juicio suficiente para saber qué hacer con él. Se lamentaba de que
ni los codiciosos capitalistas ni los dogmáticos comunistas tuviesen el
suficiente respeto por el sistema más amplio del que nosotros no somos más que
una parte. Havel, por supuesto, es escritor y defensor de los derechos humanos
además de político. Otros políticos más ordinarios se guardan de atacar el
antropocentrismo, pues a fin de cuentas los votantes son humanos. Pero sería
ciertamente saludable para nuestra especie atribuir un valor intrínseco a la
naturaleza y no sólo contemplarla como algo útil para un primate particular que
se califica a sí mismo como sapiens.
La transición informacional
El tratamiento, a escala nacional y transnacional,
de cuestiones medioambientales y demográficas, problemas sociales y económicos
y asuntos de seguridad internacional, junto con la fuerte interacción entre
todo ello, requiere una transición tanto en el conocimiento en sí como en la
difusión del mismo. Podemos llamar a esto transición informacional. Aquí tienen
que contribuir las ciencias naturales, la tecnología, las ciencias del
comportamiento y profesiones como el derecho, la medicina, la enseñanza y la diplomacia,
así como, naturalmente, el gobierno y la empresa privada. Sólo con un mayor
grado de comprensión, tanto entre la gente corriente como entre la élite,
acerca de las complejas cuestiones que afronta la humanidad cabe alguna
esperanza de alcanzar una calidad de vida sostenible.
El conocimiento especializado no basta. Por
supuesto, hoy día la especialización es necesaria. Pero también lo es la
integración del conocimiento especializado en un todo coherente, como ya hemos
discutido. Es esencial, por lo tanto, que más que nunca la sociedad conceda un
mayor valor a los estudios integradores, necesariamente toscos, que intentan
abarcar simultáneamente todos los rasgos importantes del conjunto de una
situación, además de sus interacciones, por medio de algún modelo o simulación
aproximados. Algunos de los primeros intentos de echar un vistazo a la
totalidad han quedado desacreditados, en parte porque era demasiado pronto y en
parte porque de los resultados se sacaron demasiadas conclusiones. Esto no
debería disuadir a la gente de volver a intentarlo, pero con la modestia que
corresponde a lo que necesariamente serán resultados muy provisionales y
aproximados.
Un defecto adicional de estos primeros estudios
—como Límites del crecimiento, el primer informe del club de
Roma— era que muchos de los supuestos y magnitudes críticas que determinaban el
resultado no variaban paramétricamente, de manera que un lector pudiese
comprobar las consecuencias de una variación en los postulados o los números de
partida. Hoy día, con la posibilidad de disponer de poderosos ordenadores, las
consecuencias de la variación de los parámetros pueden explorarse con mucha
mayor facilidad. Puede examinarse la sensibilidad de los resultados a los
diferentes supuestos, con lo que la estructura del estudio se hace así más
transparente. Además, parte del estudio puede tomar la forma de un juego,
como SimCity o SimEarth, comercializados por
Maxis Corporation bajo la dirección de Will Wright. Los juegos permiten a
cualquier crítico rehacer los postulados de partida a su gusto y comprobar los
resultados.
En su libro The Art of the Long View (El
arte de ver más lejos), Peter Schwartz relata cómo hace algunos años el equipo
de planificación de la Royal Dutch Shell Corporation llegó a la conclusión de
que el precio del petróleo pronto bajaría en picado, y recomendó a la compañía
actuar en consecuencia. Los directivos se mostraron escépticos, arguyendo que
las presunciones de los planificadores no les decían nada. Entonces se optó por
presentarles el análisis en forma de juego, de modo que los directivos pudieran,
por así decirlo, tomar el mando y alterar, dentro de lo razonable, los datos de
entrada a su juicio equivocados. Según cuenta Schwartz, el resultado principal
continuó siendo el mismo, después de lo cual los directivos se convencieron de
que había que prepararse para un período de rebaja en los precios del petróleo.
Algunos de los protagonistas tienen una versión distinta de los hechos, pero en
cualquier caso la historia es una hermosa ilustración de la importancia de la
transparencia en la construcción de modelos. A medida que éstos incorporan cada
vez más rasgos del mundo real y, en consecuencia, se vuelven más complejos, la
labor de hacerlos transparentes, de dejar claros los supuestos de partida y
mostrar cómo podrían variarse, se convierte en un reto y, a la vez, en algo
cada vez más fundamental.
Los que participamos en estudios como el Proyecto
2050, cuya meta es trazar posibles vías que conduzcan a un mundo más sostenible
a mediados del próximo siglo, tenemos que encarar cuestiones difíciles. ¿Cómo
pueden completarse estas transiciones, si es que se puede, en los próximos
cincuenta a cien años? ¿Podemos esperar entender, siquiera toscamente, la
compleja interacción entre las diversas transiciones y, especialmente, las
cuestiones que surgen de su delicada cronología relativa y absoluta? ¿Hay alguna
esperanza de que se tenga lo bastante en cuenta la amplia variabilidad de
circunstancias en las diversas partes del mundo? ¿Hay otras transiciones, o
maneras de enfocar el conjunto de cuestiones, que sean más importantes? Estos
temas conciernen al periodo, hacia mediados del siglo XXI, en que las diversas
transiciones podrían haberse cumplido en parte o al menos estar en marcha.
Pensar sobre ésta era de una manera fructífera es difícil, pero no
necesariamente imposible. Como decía Eilert Lóvborg, el personaje de Ibsen
en Hedda Gabler, cuando alguien le mostraba su sorpresa por el
hecho de que su libro de historia tuviese una continuación describiendo el
futuro, «se pueden decir una o dos cosas sobre él igualmente».
En cuanto al futuro lejano, ¿qué condiciones
globales podrían imperar en la segunda mitad del siglo que viene, que se
acercaran realmente a la calidad sostenible? ¿Cómo nos imaginamos tal
situación? ¿Qué veríamos, oiríamos y sentiríamos si estuviéramos allá?
Deberíamos intentar entrever algo, especialmente un
mundo donde finalmente predomine el crecimiento en calidad sobre el crecimiento
en cantidad. Podemos imaginar un mundo en el que, aunque suene utópico,
el State of the World Report y el World Resources
Report no diesen una impresión peor cada año, donde la población se
estuviese estabilizando en la mayoría de sitios, la miseria estuviera
desapareciendo, la riqueza estuviese mejor repartida y se hiciesen intentos
serios de hacer pagar los costes reales, donde instituciones transnacionales
diversas (y también nacionales y locales) comenzaran a abordar las complejas
cuestiones relacionadas con la sociedad humana y el resto de la biosfera, y las
ideologías que favoreciesen la sostenibilidad y la conciencia planetaria
estuviesen ganando adeptos, a la vez que los enfrentamientos étnicos y los
fundamentalismos de toda índole estuviesen desapareciendo como fuerzas
divisorias, sin que por ello dejara de existir una gran diversidad cultural.
Apenas podemos esperar aproximarnos a un mundo semejante si no somos ni
siquiera capaces de imaginar cómo sería o estimar sobre una base cuantitativa
cómo funcionaría.
De las tres escalas de tiempo, lo más difícil,
naturalmente, es hacer meditar a la gente sobre la visión a largo plazo de un
mundo más sostenible, pero es vital que venzamos nuestra renuencia a hacemos
una imagen concreta de ese mundo. Sólo entonces puede nuestra imaginación
escapar de los confines de las prácticas y actitudes que ahora causan o
amenazan causar tantos problemas e inventar maneras mejores de relacionamos con
los demás y con el resto de la biosfera.
A la vez que intentamos hacemos una idea de un
futuro sostenible, debemos también preguntamos qué sorpresas, tecnológicas,
psicológicas o sociales, podrían hacer el futuro lejano totalmente diferente de
lo que podamos haber anticipado hoy. Para ocuparse de esta cuestión se requiere
un equipo especial de aventureros de la imaginación.
Este mismo equipo podría también reflexionar sobre
qué problemas serios completamente nuevos podrían surgir en un mundo donde
muchos de los peores temores actuales se hayan aliviado algo. Hace sólo unos
años, la mayoría de expertos no había previsto que la guerra fría fuese a dejar
paso a una nueva era con problemas diferentes, pero incluso los pocos que
entrevieron algo no se atrevieron a especular seriamente sobre las
preocupaciones que reemplazarían las cuestiones familiares hasta entonces
dominantes.
¿Y qué podemos decir de las próximas décadas? ¿Qué
políticas y actividades en el futuro inmediato pueden contribuir a la
posibilidad de aproximarse más adelante a la calidad sostenible? No es en
absoluto difícil organizar discusiones sobre el futuro cercano, y algunos de
los problemas que afrontamos a corto plazo se están haciendo claros para muchos
observadores. Quizá la lección principal que se puede extraer de la experiencia
contemporánea es una a la que aludíamos al hablar del micropréstamo. Es la importancia
de las iniciativas de abajo arriba en oposición a las de arriba abajo. Si la
población local está profundamente implicada en un proceso, si contribuye a
organizarlo y tiene una participación perceptible, especialmente económica, en
los beneficios, entonces el proceso suele tener mayores posibilidades de
triunfar que si es impuesto por una burocracia distante o un explotador
poderoso. En su labor de ayuda a que en las áreas tropicales se alcancen
objetivos en la preservación de la naturaleza junto con un desarrollo económico
al menos parcialmente sostenible, los conservacionistas han comprobado que lo
más rentable es invertir en los grupos y autoridades locales, particularmente
en la instrucción de los líderes locales.
Aunque es bien fácil persuadir a la gente para
discutir sobre cuestiones a plazo medio —plazo en el que tienen que haberse
completado en gran parte las distintas transiciones si es que se quiere llegar
a alguna forma de sostenibilidad— la extraordinaria complejidad del desafío
puede resultar desalentadora. Hay que considerar todas las transiciones, cada
una con un carácter y ritmo propios que hay que determinar, quizá diferentes en
diferentes partes del mundo, y todas fuertemente ligadas entre sí. Aun así, esta
misma complejidad puede conducir a una forma de simplicidad. En el marco de la
ciencia física (mucho menos difícil de analizar, es cierto, pero de donde
todavía se pueden sacar algunas lecciones) es indudable que en la vecindad de
una transición, digamos de gas a líquido, cerca de una singularidad matemática,
hay sólo unos pocos parámetros cruciales de los que depende la naturaleza de
dicha transición. Estos parámetros no siempre pueden caracterizarse de
antemano, sino que deben surgir de un cuidadoso estudio del problema en su
conjunto. En general es cierto que el comportamiento de los sistemas no
lineales altamente complejos puede mostrar simplicidad, pero una simplicidad
que acostumbra a ser emergente y no obvia de entrada.
Los estudios de política integrada sobre las
posibles vías hacia un mundo más sostenible pueden ser tremendamente valiosos.
Pero debemos guardarnos de tratarlos en general como «prótesis para la
imaginación», y no atribuirles más validez de la que probablemente poseen. Los
intentos de encajar el comportamiento humano, y especialmente los problemas
sociales, dentro del lecho de Procusto de algún marco matemático necesariamente
estrecho ya han causado demasiados problemas. La ciencia de la economía, por ejemplo,
ha sido utilizada a menudo de esta manera con consecuencias desafortunadas. Por
otro lado, las ideologías destructivas de la libertad o el bien humanos han
sido justificadas a menudo con argumentos científicos poco rigurosos,
especialmente los basados en analogías entre ciencias distintas. El darwinismo
social predicado por algunos filósofos de la política en el siglo pasado es uno
de los muchos ejemplos, y no el peor.
Sin embargo, abordados con el espíritu que les
corresponde, una multiplicidad de estudios políticos toscos pero integradores,
que impliquen no sólo proyección lineal sino evolución, simulaciones y juegos
altamente no lineales, puede proporcionar una modesta ayuda en la generación de
una función de previsión colectiva para el género humano. Un documento
preliminar del Proyecto 2050 lo expresa así: Estamos todos en una situación
parecida a conducir un vehículo rápido por la noche sobre un terreno desconocido,
áspero, lleno de baches y con precipicios en los alrededores. Cualquier clase
de faro, incluso uno débil y vacilante, puede servir para evitar los peores
desastres.
Si la humanidad se equipa de algún modo con una
medida de previsión colectiva —cierto grado de comprensión de las historias
ramificadas del futuro— habrá tenido lugar un cambio altamente adaptativo, pero
todavía no un suceso umbral. La consecución de las transiciones hacia una mayor
sostenibilidad, sin embargo, sí que lo sería. En particular, la transición
ideológica implica un paso capital para la humanidad hacia la conciencia
planetaria, quizá con la ayuda de la sabia gestión de adelantos técnicos de momento
sólo débilmente perceptibles. Una vez completadas las transiciones, el conjunto
de la humanidad —junto con el resto de organismos que habitan el planeta— podrá
funcionar, mucho más que ahora, como un sistema complejo adaptativo compuesto y
ricamente diverso.
Capítulo 23
Postfacio
En este breve capítulo intento responder a la
necesidad de una especie de sumario, no de cada uno de los temas tratados a lo
largo de todo el libro, sino del tema central de la simplicidad, la complejidad
y los sistemas complejos adaptativos, el tema que conecta el quark con el
jaguar y éstos con la humanidad.
El quark y el jaguar no es un tratado. No es un libro técnico, y se introduce en gran
número de áreas que no puede explorar exhaustivamente o en profundidad. Por
otra parte, muchos de los trabajos que están descritos con algún detalle son
trabajos en curso, lo que quiere decir que aunque fueran tratados de modo más
completo, con ecuaciones y toda la jerga científica pertinente, todavía
quedarían muchas cuestiones importantes sin responder. Evidentemente, la
función principal del libro es estimular la reflexión y la discusión.
A lo largo de todo el texto la idea de la
interacción entre las leyes fundamentales de la naturaleza y la intervención
del azar está siempre presente. Las leyes que gobiernan las partículas
elementales (quarks incluidos) están comenzando a revelar su simplicidad. La
teoría cuántica unificada de todas las partículas y fuerzas puede muy bien
estar al alcance de la mano en la forma de teoría de supercuerdas. Esta
elegante teoría se basa en una variante del principio de autoconsistencia, que
requiere que cualquier partícula elemental sea describible a partir de las
otras de modo autoconsistente. La otra ley fundamental de la naturaleza es el
estado inicial simple del universo al comienzo de su expansión. Si la propuesta
de Hartle y Hawking es correcta, entonces ese estado inicial puede expresarse
en términos de la teoría de partículas unificada, y las dos leyes básicas se
transforman en una sola.
El azar entra necesariamente en escena porque las
leyes fundamentales son mecanocuánticas, y la mecánica cuántica proporciona
sólo probabilidades para las historias alternativas no detalladas del universo.
El grado de detalle, o resolución, debe ser lo bastante bajo como para que las
probabilidades estén bien definidas. Esto permite además una descripción de la
naturaleza aproximadamente clásica y determinista, con frecuentes excursiones
cortas (y ocasionalmente largas) fuera de la clasicidad. Dichas excursiones,
especialmente las más largas, tienen como resultado la ramificación de las
historias. De hecho todas las historias no detalladas alternativas forman un
árbol o «jardín de los caminos que se bifurcan» denominado «dominio
cuasiclásico». La indeterminación de la mecánica cuántica va, pues, mucho más
allá del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg. Por otra parte, en
los sistemas no lineales esta indeterminación puede amplificarse en virtud del
fenómeno del caos, lo que significa que el resultado de un proceso es
arbitrariamente sensible a las condiciones iniciales, como pasa a menudo, por
ejemplo, en meteorología. El mundo que vemos a nuestro alrededor corresponde al
dominio cuasiclásico, pero estamos restringidos a una versión muy tosca de él
debido a las limitaciones de nuestros sentidos e instrumentos. Dado lo mucho
que queda oculto a nuestra vista, el elemento de azar cobra aún más
importancia.
En ciertas ramas de la historia, y en ciertas
épocas y lugares del universo, las condiciones son apropiadas para la evolución
de sistemas complejos adaptativos. Éstos son sistemas que captan información en
la forma de un flujo de datos y perciben regularidades en el mismo (como se
ilustra en el diagrama de la Figura 2), tratando el resto del material como
aleatorio. Dichas regularidades son comprimidas en un esquema empleado para
describir el mundo, predecir hasta cierto punto el futuro y prescribir el comportamiento
del propio sistema complejo adaptativo. El esquema puede experimentar cambios
que producen multitud de variantes que compiten entre sí. El resultado de esta
competencia depende de las presiones selectivas, que representan la retroacción
del mundo real. Estas presiones pueden reflejar la precisión de las
descripciones y prescripciones, o hasta qué punto dichas prescripciones
conducen a la supervivencia del sistema. Las presiones selectivas no están
relacionadas con el «triunfo» de los esquemas por un conjunto de rígidas
correlaciones, sino más bien por tendencias. Además, la respuesta a las
presiones puede ser imperfecta. De este modo el proceso de adaptación de los
esquemas conduce a resultados sólo aproximadamente «adaptativos» para el
sistema. También pueden darse esquemas «no adaptativos».
A veces la inadaptación es sólo aparente, y surge
porque algunas presiones selectivas importantes son pasadas por alto en la
definición de lo que es adaptativo. En otros casos se dan situaciones
genuinamente no adaptativas porque la adaptación es demasiado lenta para
responder a las presiones selectivas cambiantes.
Los sistemas complejos adaptativos funcionan mejor
en un régimen intermedio entre el orden y el desorden. T ales sistemas explotan
las regularidades que proporciona el determinismo aproximado del dominio
cuasiclásico, y al mismo tiempo se aprovechan de las indeterminaciones
(describibles como ruido, fluctuaciones, calor, incertidumbre, etc.) que pueden
ser de ayuda en la búsqueda de esquemas «mejores». La noción de adaptación o
adecuación, que daría sentido a la palabra «mejor», suele ser difícil de concretar,
en cuyo caso puede ser más útil concentrarse en las presiones selectivas en
danza. En ocasiones puede definirse bien un grado de adaptación porque ésta es
«exógena», impuesta desde fuera, como en el caso de un ordenador programado
para buscar estrategias ganadoras en un juego como las damas o el ajedrez.
Cuando la adaptación es «endógena», resultado de los caprichos de un proceso
evolutivo sin ningún criterio externo para el éxito, suele estar muy mal
definida. Pero la idea de un relieve adaptativo es útil, siempre y cuando se
emplee sólo como metáfora. La variable adaptación corresponde a la altura (que
arbitrariamente considero menor cuanto mayor es la adaptación) y todas las
variables que especifican el esquema se distribuyen a lo largo de una línea o
plano horizontal. La búsqueda de esquemas más adaptados se corresponde entonces
con la exploración de una línea o superficie bidimensional irregular a la
búsqueda de depresiones profundas. Como se ilustra en la Figura 19, esta
búsqueda probablemente acabaría en una depresión relativamente somera si no
fuera por una cierta cantidad de ruido apropiada (o calor, obedeciendo a lo que
Seth Lloyd llama el principio de Goldilocks: ni demasiado caliente, ni
demasiado frío, sólo lo justo). El ruido o calor puede sacar el sistema de una
cuenca poco profunda y permitirle así acceder a otra más profunda en las
cercanías.
La diversidad de sistemas complejos adaptativos
existentes aquí en la Tierra se ilustra en el diagrama de la Figura 1, que
muestra la tendencia de tales sistemas a dar origen a otros. Así, los sistemas
terrestres, todos conectados de alguna manera con la vida, van desde las
reacciones químicas prebióticas que originaron los primeros seres vivos,
pasando por la evolución biológica y la evolución cultural de la humanidad,
hasta los ordenadores equipados con circuitos o programas apropiados, e incluso
posibles avances futuros tratados por la ciencia ficción, como seres humanos
compuestos por la interconexión de cerebros individuales.
Cuando un sistema complejo adaptativo describe otro
sistema (o a sí mismo) construye un esquema, abstrayendo del conjunto de datos
las regularidades percibidas y expresándolas de forma concisa. La longitud de
dicha descripción concisa de las regularidades de un sistema, por ejemplo a
cargo de un observador humano, es lo que yo llamo la complejidad efectiva del
sistema, que se corresponde con lo que solemos entender por complejidad tanto
en la práctica científica como en el habla cotidiana. La complejidad efectiva
no es intrínseca, sino que depende de la resolución y del lenguaje o código
empleado por el sistema observador.
La complejidad efectiva, sea o no interna, es
insuficiente por sí misma para describir las potencialidades de
un sistema complejo, adaptativo o no. Un sistema puede ser relativamente simple
y, en cambio, tener una alta probabilidad de evolucionar, en un intervalo de
tiempo dado, hacia algo mucho más complejo. Es el caso, por ejemplo, de los
seres humanos modernos. Cuando aparecieron no eran mucho más complejos que sus
parientes cercanos los grandes monos, pero, dada la probabilidad tan alta que
tenían de acabar desarrollando culturas de enorme complejidad, se puede decir
que poseían una gran cantidad de lo que yo llamo complejidad potencial. De modo
similar, cuando, muy pronto en la historia del universo, ciertas fluctuaciones
de materia llevaron a la formación de las galaxias, la complejidad potencial de
estas fluctuaciones era considerable.
La complejidad efectiva de un sistema o flujo de
datos contrastaría con el contenido de información algorítmica, relacionado con
la longitud de una descripción concisa de la totalidad del sistema o flujo de
datos que incluya tanto las regularidades como los rasgos aleatorios. Cuando el
contenido de información algorítmica es muy pequeño o está cerca del máximo
posible, la complejidad efectiva se acerca a cero. La complejidad efectiva sólo
puede ser grande en la región de contenido de información algorítmica
intermedio. De nuevo el régimen interesante es el intermedio entre el orden y
el desorden absolutos.
Un sistema complejo adaptativo descubre
regularidades en el flujo de datos de entrada advirtiendo que ciertas partes
del mismo tienen rasgos comunes. Las similaridades se miden por lo que se
denomina información mutua entre las partes. En el mundo real las regularidades
surgen de la combinación de leyes fundamentales simples con la intervención del
azar, que puede producir accidentes congelados. Éstos son sucesos aleatorios de
resultados particulares, aunque pudieran haber sido diferentes, y que tuvieron
múltiples derivaciones. El origen común de todas ellas en un suceso aleatorio
antecedente puede dar lugar a una gran cantidad de información mutua en un
flujo de datos determinado. He puesto como ejemplo la llegada de Enrique VIII
al trono de Inglaterra tras la muerte de su hermano mayor, resultando en la
existencia de un enorme número de referencias al rey Enrique en monedas,
documentos y libros. Todas estas regularidades surgen de un accidente
congelado.
La mayor parte de accidentes, por ejemplo la gran
mayoría de fluctuaciones a escala molecular, tiene lugar sin que se amplifiquen
de manera que tengan repercusiones significativas, y no dejan tras de sí
demasiada regularidad. Estos accidentes pueden contribuir a la fracción
aleatoria del flujo de datos que llega a un sistema complejo adaptativo.
Con el paso del tiempo, la acumulación de
accidentes congelados, en conjunción con las leyes fundamentales, produce
regularidades. Así, sistemas de complejidad cada vez mayor tienden a surgir a
través de la autoorganización, incluso en el caso de sistemas no adaptativos
como galaxias, estrellas y planetas. Sin embargo, no todo aumenta de
complejidad sin cesar, sino que más bien es la complejidad máxima la que tiene
tendencia a aumentar. En el caso de los sistemas complejos adaptativos, dicha
tendencia puede verse significativamente intensificada por las presiones
selectivas que favorecen la complejidad.
La segunda ley de la termodinámica nos dice que la
entropía (una medida del desorden) de un sistema cerrado tiene tendencia a
aumentar o permanecer invariable. Por ejemplo, si un cuerpo caliente y un
cuerpo frío entran en contacto (sin interaccionar demasiado con el resto del
universo), el calor tiende a fluir del caliente al frío, reduciéndose la
diferenciación ordenada de la temperatura en el sistema combinado.
La entropía es un concepto útil sólo cuando se
aplica una cierta resolución a la naturaleza, de modo que ciertas clases de
información sobre el sistema cerrado se contemplan como importantes y el resto
se considera irrelevante y se ignora. La cantidad de información total no varía
y, si está inicialmente concentrada en información importante, parte de ella
tenderá a convertirse en información irrelevante que no se tiene en cuenta. A
medida que esto ocurre la entropía, que equivale a la ignorancia de información
importante, tiende a incrementarse.
Una clase fundamental de resolución es la que
aportan las historias que componen un dominio cuasiclásico. Para el universo
observado por un sistema complejo adaptativo, la resolución efectiva puede
considerarse mucho más baja, pues el sistema sólo puede captar una cantidad de
información relativamente pequeña sobre el universo.
A medida que pasa el tiempo el conjunto del
universo va perdiendo cuerda, y la misma tendencia se observa en las partes
relativamente independientes entre sí. Las diversas flechas del tiempo apuntan
todas hacia delante, no sólo la que se corresponde con el incremento de
entropía, sino también las relacionadas con la secuencia de causas y efectos,
la emisión de radiaciones y la formación de registros (memorias incluidas) del
pasado y no del futuro.
De vez en cuando hay quien, por alguna razón
dogmática, rechaza la evolución biológica argumentando que la aparición de
formas de vida cada vez más complejas viola de algún modo la segunda ley de la
termodinámica. Naturalmente esto no es así, pues la evolución biológica no
viola la segunda ley más de lo que lo hace la aparición de estructuras de
complejidad creciente a escala galáctica. La autoorganización siempre puede
producir orden local. Por otra parte, en la evolución
biológica se puede ver cómo, a medida que los seres vivos se adaptan mejor a su
entorno, se incrementa una especie de entropía «informacional» a la vez que se
reduce una discrepancia informacional que recuerda la diferencia de temperatura
entre un objeto frío y otro caliente. De hecho, todos los sistemas complejos
adaptativos exhiben este fenómeno; el mundo real ejerce presiones selectivas
sobre los sistemas y los esquemas tienden a responder ajustando la información
que contienen de acuerdo con dichas presiones. La evolución, la adaptación y el
aprendizaje por parte de los sistemas complejos adaptativos son todos aspectos
de la pérdida de cuerda del universo.
Podemos preguntamos si el sistema en evolución y su
entorno alcanzan un equilibrio, del mismo modo que un cuerpo caliente y uno
frío acaban por alcanzar la misma temperatura. En ocasiones es así. Si se
programa un ordenador para desarrollar estrategias en un juego determinado,
cuando existe una estrategia óptima y la encuentra se acabó la búsqueda. Éste
sería el caso del juego del tres en raya. Pero si el juego es el ajedrez, el
ordenador podría descubrir la estrategia óptima algún día, pero hasta entonces esa
estrategia es desconocida, y el ordenador continúa explorando en un enorme
espacio abstracto de estrategias buscando una mejor que la anterior. Esta
situación es muy común.
En unos pocos casos puede verse cómo, en el curso
de la evolución biológica, un problema adaptativo parece haberse resuelto de
una vez para siempre muy pronto en la historia de la vida, al menos en lo que
se refiere al fenotipo. Los extremófilos que viven en el medio caliente, ácido
y sulfuroso de las profundidades oceánicas en los límites entre placas
tectónicas son probablemente muy similares, al menos metabólicamente, a los
organismos que vivían en este mismo ambiente hace más de 3500 millones de años.
Pero la mayoría de problemas propios de la evolución biológica no son como el
juego del tres en raya, ni siquiera como el ajedrez, que sin duda será un
problema resuelto algún día. En primer lugar, las presiones selectivas no son
de ningún modo constantes. En la mayor parte de la biosfera el medio ambiente
fisicoquímico está en continuo cambio. Por otro lado, en las comunidades
naturales las diversas especies forman parte del entorno de las otras especies.
Los organismos coevolucionan, y puede no haber ningún verdadero equilibrio
alcanzable.
En diversos momentos y lugares parece llegarse a un
equilibrio aproximado y temporal, incluso para comunidades enteras, pero al
cabo de un cierto tiempo aparecen «puntuaciones», unas veces debidas a cambios
fisicoquímicos y otras a un pequeño número de mutaciones que siguen a un largo
periodo de «deriva», es decir, una secuencia de cambios genéticos que afectan
sólo ligeramente al fenotipo sin comprometer la supervivencia del organismo. La
deriva puede preparar el camino para cambios genotípicos muy pequeños pero
capaces de causar importantes alteraciones fenotípicas.
De vez en cuando tales cambios genotípicos
relativamente modestos pueden conducir a sucesos umbral, en los que surgen
tipos completamente nuevos de organismos. Un ejemplo es la aparición de los
eucariotas unicelulares, así llamados porque la célula posee un núcleo
propiamente dicho y otros orgánulos —cloroplastos o mitocondrias— que se cree
descienden de organismos originalmente independientes incorporados por la
célula. Otro ejemplo es el origen de los animales y plantas multicelulares a
partir de organismos unicelulares, presumiblemente por agregación, gracias a un
invento bioquímico decisivo, una especie de adhesivo capaz de mantener unidas
las células.
Cuando un sistema complejo adaptativo da lugar a
una nueva clase de sistema complejo adaptativo de orden superior, sea por
agregación o por cualquier otro mecanismo, esto puede considerarse un suceso
umbral. Un ejemplo familiar es la evolución del sistema inmunitario de los
mamíferos, cuyo funcionamiento recuerda el de la evolución biológica misma,
pero a una escala temporal mucho más corta, ya que los invasores del organismo
pueden ser identificados y combatidos en cuestión de horas o días, en comparación
con los cientos de miles de años que se requieren muchas veces para la
evolución de nuevas especies.
Muchos de los rasgos más visibles de la evolución
biológica se encuentran también, en forma muy similar, en otros sistemas
complejos adaptativos, como el pensamiento humano, la evolución social y la
programación adaptativa. Todos estos sistemas exploran posibilidades abriendo
nuevas vías, descubriendo puertas y, ocasionalmente, engendrando nuevos tipos
de sistema complejo adaptativo. Al igual que surgen nuevos nichos ecológicos en
la evolución biológica, en economía continúan descubriéndose nuevas formas de
ganarse la vida, en la ciencia se inventan nuevas teorías, etc.
La agregación de sistemas complejos adaptativos en
un sistema complejo adaptativo compuesto es un modo efectivo de crear un nuevo
nivel de organización. El sistema compuesto consiste entonces en agentes
adaptativos que construyen esquemas para considerar el comportamiento de los
otros y obrar en consecuencia. Los sistemas económicos son un buen ejemplo, lo
mismo que las comunidades ecológicas.
Tales sistemas compuestos están siendo intensamente
investigados en diversos campos. Los resultados indican que dichos sistemas
tienden a situarse en una zona de transición bien definida entre el orden y el
desorden, donde se caracterizan por una adaptación eficiente y por una
distribución de recursos que obedece a leyes potenciales. Esta zona recibe a
veces la denominación, más bien metafórica, de «límite del caos».
No existe evidencia de que haya algo terriblemente
especial en la formación de un sistema planetario como el sistema solar ni en
el hecho de que incluya un planeta como la Tierra. Tampoco hay evidencia de que
las reacciones químicas que iniciaron la vida en este planeta sean improbables,
ni mucho menos. Es probable, por lo tanto, que los sistemas complejos
adaptativos existan en algunos de los numerosos planetas dispersos por el
universo y que al menos algunos de ellos compartan muchos de los rasgos de la evolución
biológica terrestre y las formas de vida resultantes. Sin embargo, todavía se
discute si la bioquímica de la vida es única, o casi, o si es sólo una de entre
un gran número de posibilidades. En otras palabras, aún no está del todo claro
si está determinada principalmente por la física o debe su carácter en gran
parte a la historia.
Los cerca de 4000 millones de años de evolución
biológica sobre la Tierra han producido, mediante el ensayo y el error, una
gigantesca cantidad de información acerca de los diferentes modos de vida de
los organismos en el seno de la biosfera. De modo similar, a lo largo de más de
50 000 años, los seres humanos modernos han desarrollado una extraordinaria
cantidad de información sobre maneras de vivir, en interacción mutua y con el
resto de la biosfera. Tanto la diversidad biológica como la cultural se encuentran
ahora severamente amenazadas, y trabajar para su preservación es una tarea de
importancia capital.
Pero la preservación de la diversidad cultural
presenta algunas paradojas y conflictos con otras metas. Uno de los desafíos
más difíciles es reconciliar esta diversidad con la creciente necesidad de
unidad entre los pueblos, que se enfrentan ahora con problemas comunes a escala
global. Otro es el representado por la hostilidad que evidencian algunas
culturas localistas hacia la cultura secular, científica y universalizante;
precisamente de estas culturas salen muchos de los más vigorosos defensores de
la preservación de la diversidad cultural.
La conservación de la naturaleza y la salvaguardia
de tanta diversidad biológica como sea posible son necesidades urgentes, pero
estas metas parecen imposibles de alcanzar a largo plazo a menos que se
contemplen dentro del marco más amplio de los problemas medioambientales en
general, y éstos a su vez deben considerarse junto con los problemas
demográficos, tecnológicos, económicos, sociales, políticos, militares,
diplomáticos, institucionales, informacionales e ideológicos a los que la
humanidad tiene que hacer frente. En particular, los desafíos planteados en
todos estos campos pueden contemplarse en conjunto como la necesidad de llevar
a cabo una serie de transiciones interconectadas hacia una situación más
sostenible en el curso del siglo venidero. Una mayor sostenibilidad, si es que
puede conseguirse, significaría una estabilización de la población, a escala
global y regional, unas prácticas económicas que favorezcan el pago de costes
reales, el crecimiento en calidad más que en cantidad y vivir de las rentas de
la naturaleza más que de su capital, una tecnología que tenga un impacto
ambiental relativamente escaso, un reparto más equitativo de la riqueza,
especialmente en el sentido de hacer desaparecer la miseria, unas instituciones
transnacionales más fuertes para tratar de los problemas globales urgentes, una
opinión pública mucho mejor informada sobre los desafíos múltiples e
interactivos de cara al futuro, y, quizá lo más importante y difícil de todo,
el predominio de actitudes que favorezcan la unidad en la diversidad —
cooperación y competencia no violenta entre las diferentes naciones y
tradiciones culturales— así como una coexistencia sostenible con los organismos
con los que compartimos la biosfera. Una tal situación parece utópica y quizá
imposible de conseguir, pero es importante intentar construir modelos del
futuro —no como anteproyectos, sino como estímulos para la imaginación— y ver
si pueden esbozarse caminos que puedan conducir a ese mundo deseable y
sostenible a finales del próximo siglo, un mundo en el que el conjunto de la
humanidad y el resto de la naturaleza funcionen como un sistema complejo
adaptativo a una escala mucho mayor de lo que lo hacen en la actualidad.
Notas:
[1] Instituto
Tecnológico de California. (N. de los T.)
