El juego de las ideas

La habilidad humana de entender la naturaleza se evidencia en las innumerables ideas científicas que han nacido en respuesta a las preguntas más básicas que se planteó el hombre desde siempre: ¿de qué están hechas las cosas? ¿cómo surgieron el mundo y los cielos? ¿qué es el tiempo? ¿de dónde salimos los hombres? ¿cómo es que pensamos?
¿Usted se anima a pensar qué ideas de la ciencia considera las más importantes de toda la historia? A continuación, como ayuda, le describimos brevemente algunas de ellas.

El atomismo

Demócrito de Abdera, un filósofo griego que vivió en el siglo cuarto a.C., consideraba que lo único real que existía en el universo eran los átomos y el vacío entre ellos. Sus átomos eran partículas muy pequeñas, indivisibles e inmutables, siempre en constante movimiento. Tenían diferentes formas y tamaños, lo que permitía explicar la gran diversidad de la naturaleza, reduciéndola a las propiedades de esos simples corpúsculos fundamentales.
Durante dos mil años el atomismo fue eclipsado por las ideas de Aristóteles, quien sostenía que la materia era continua, infinitamente divisible. En el siglo XVII Robert Boyle rescató a la teoría del olvido. Postuló que existían una gran cantidad de átomos diferentes, cada uno de ellos asociado a una sustancia elemental particular y dio origen así a la química.
En el siglo XIX la teoría cinética de los gases logró explicar perfectamente las relaciones empíricas existentes entre la temperatura, la presión y el volumen de un gas, usando como hipótesis la existencia de átomos que chocan entre sí. La idea atómica había sido probada concluyentemente, aunque por algunos años sus detractores siguieron dando pelea.
¿Pero cómo eran los átomos? En unas pocas décadas se respondió esta pregunta: en 1897 se descubre el electrón y en 1911, el núcleo. Estos hallazgos, sumados a la mecánica cuántica, permitieron armar el modelo de átomo que persiste hoy en día.
Finalmente, en 1981, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer pudieron ver un átomo gracias al microscopio túnel de barrido, un sofisticado instrumento que ellos mismos habían inventado. Cumplieron así el sueño de Demócrito.

La energía

En el lenguaje habitual energía es sinónimo de capacidad de acción, vitalidad e intensidad. Científicamente no resulta sencillo definir energía. El problema es que ésta existe en muchas formas diferentes, que a lo largo de la historia fueron definidas independientemente unas de otras.
Tenemos la energía cinética asociada a la materia en movimiento; por ejemplo, cuanto mayor es la velocidad de una pelota decimos que tiene mayor energía. Hay otras formas que no implican movimiento, sino la potencialidad de producirlo: la energía del agua almacenada en una represa hidroeléctrica, la energía química de los combustibles o la energía nuclear del plutonio. Con los mecanismos apropiados cualquiera de estas formas de energía permite realizar trabajo sobre un cuerpo; esto es, aplicarle una fuerza y ponerlo en movimiento.
Otra forma de energía muy importante es el calor. Siglos atrás se pensaba que éste era un fluido, invisible e indestructible, denominado calórico, que se trasmitía desde los cuerpos calientes hacia los fríos. Hoy sabemos que el calor es simplemente energía relacionada a los movimientos moleculares.
Podemos transformar la energía de una a otra forma: trabajo en calor, energía potencial en cinética, o energía química en calor, Pero la experiencia nos demuestra que la cantidad de energía del universo nunca puede aumentar ni disminuir.
La idea de la conservación de la energía, llamada también primera ley de la termodinámica, se desarrolló durante el siglo XIX, al unificarse trabajo y calor bajo un mismo concepto unificador, la energía.

La entropía

Con el paso del tiempo envejecemos, las casas se derrumban, las tazas de café caliente se enfrían. No hay nada en las leyes de Newton ni en la ley de conservación de la energía que prohíba que ocurran los procesos inversos por sí solos, por ejemplo, que espontáneamente el café frío se caliente. Sin embargo notamos que aquellos procesos son irreversibles, sólo pueden volver hacia atrás con la ayuda de un agente externo: un cirujano, un albañil, un horno microondas. Esto es así porque en todo proceso natural algo de energía se degrada y ya no puede utilizarse para revertir el proceso. La segunda ley de la termodinámica nos dice que en cada uno de los cambios de la naturaleza la entropía, que es una medida del desorden, decaimiento y degradación, debe aumentar o permanecer igual. Esta ley nos indica el sentido del tiempo: el futuro es la dirección en que la entropía aumenta.
La idea de la entropía, clave para explicar el universo, no fue el resultado de ninguna conjetura teórica. Surgió a partir de los estudios sobre motores a vapor realizados por el ingeniero militar francés Sadi Carnot a principios del siglo XIX. Este ingeniero encontró que era imposible diseñar un motor que convirtiese todo el calor en trabajo, es decir, siempre algo de energía se vuelve inutilizable.

La evolución biológica

Siglos atrás se pensaba que toda la riqueza de la naturaleza era el resultado del plan de Dios, que la Tierra había surgido en el año 4004 a.C. y que absolutamente todo había sido creado al mismo tiempo. Sin embargo, en el siglo XIX, estudios geológicos y de fósiles demostraron que la Tierra era mucho más vieja y que la vida no era estática, que las especies de seres vivos cambian con el tiempo.
Cuando los individuos de una especie se reproducen, los descendientes se parecen a los padres pero no son idénticos debido a variaciones del material genético producto de la reproducción sexual y de mutaciones al azar. Durante eras geológicas se han producido multitudes de variantes. En un medio ambiente particular, algunas de éstas presentan características que le permiten sobrevivir mejor a la permanente competición por territorio y comida, y así multiplicarse más eficientemente que las otras variantes. Esta ventaja se traduce en que ese organismo se vuelve pronto la forma mayoritaria. Este es el mecanismo de selección natural propuesto por Darwin para explicar cómo opera la evolución.
La evolución es un proceso al azar, lento, automático, y sin objetivos finales. Sin necesidad de un diseñador, permitió que los organismos unicelulares de miles de millones de años atrás evolucionaran hacia lo que hoy somos y hacia la enorme biodiversidad que nos rodea

La teoría cuántica

En 1666 Newton descubrió las leyes del movimiento. Durante dos siglos fueron aplicadas con tanto éxito que nadie podía imaginar la existencia de alguna falla. A fines del siglo XIX el físico británico Lord Kelvin aconsejaba no seguir una carrera en física, porque todo el trabajo interesante ya estaba hecho: la mecánica de Newton, el electromagnetismo de Maxwell y la termodinámica explicaban satisfactoriamente los fenómenos naturales. Sin embargo, había algunos nubarrones sobre la física del momento: por un lado era imposible detectar el éter, ese fluido misterioso que supuestamente mediaba la propagación de la luz; y por otro lado, la intensidad de la radiación producida en el interior de un recinto cerrado caliente no era la esperada según la teoría. Fue necesario cambiar nuestra imagen del tiempo y del espacio para explicar la inexistencia del éter. Entender cómo irradian los cuerpos implicó cuestionarnos que es la realidad misma. Evidentemente Kelvin estaba muy equivocado.
Para resolver el enigma de la radiación el alemán Max Planck, en 1900, hizo una conjetura alocada, sin ninguna justificación física, pero que daba la respuesta correcta: propuso que cuando un cuerpo emite energía radiante, lo hace en paquetes discretos (cuantos) y no continuamente. Es como pensar que un auto no puede viajar a cualquier velocidad entre 0 y 200 km/h, sino únicamente a determinadas velocidades. En 1905 Einstein dobló la apuesta: propuso que los cuantos tenían realidad física, y que la luz misma consistía en cuantos de energía. Durante los 20 años siguientes se construyó la teoría cuántica: Niels Bohr armó el modelo del átomo, Werner Heisenberg con su principio de la incertidumbre estableció que era imposible conocer la velocidad y la posición de una partícula simultáneamente, Louis de Broglie postuló que la materia tiene un carácter dual: a veces se comporta como partícula y otras veces como ondas, muchos otros contribuyeron a que la teoría sea hoy la herramienta más poderosa para describir nuestro universo.
Antimateria, gatos que no están vivos ni muertos, partículas que se comunican instantáneamente a través de distancias astronómicas.... la teoría cuántica desafía al sentido común, diluye la separación entre conciencia y realidad.
“Pienso que puedo decir con absoluta certeza que nadie entiende la mecánica cuántica” Richard Feynman.

El ADN como base de la herencia

En los jardines de su monasterio, el monje austríaco Gregor Mendel gustaba realizar experimentos de cruzamiento de diferentes variedades de arveja motivado por su interés en el fenómeno de la herencia. En 1865, luego de observar los resultados de más de 28000 cruzamientos, concluyó que las características de las plantas estaban gobernadas por ciertas unidades discretas, (hoy llamadas genes) trasmitidas generación tras generación. Mendel dio inicio a la genética sin usar nunca un microscopio, no le preocupaba saber dónde residían las unidades de herencia.
Mientras tanto, en 1869 el bioquímico suizo Friedrich Miescher aislaba por primera vez la molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN), a partir de pus en vendas usadas. No sospechaba que esa molécula era la que constituía las misteriosas unidades de Mendel. Recién en 1945 el norteamericano Oswald Avery reveló que el ADN era la molécula de la herencia, de la que están hechos los genes (aunque usted no lo crea, Avery no recibió nunca el premio Nobel).
Unos pocos años después, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura de doble hélice del ADN y con ello abrieron la puerta al presente entendimiento de la base molecular de los procesos de la vida. Hoy en día sabemos que el ADN es un mensaje de miles de millones de letras, que contiene todas las instrucciones para armar un ser vivo y hacerlo funcionar.

Las simetrías

Decimos que un objeto es simétrico si hay algo que podamos hacer con él, por ejemplo girarlo o reflejarlo en un espejo, de tal modo que después que lo hemos hecho parece la misma cosa de antes. En algunas obras artísticas, como en El ofrecimiento musical de J. S. Bach o en los dibujos de Escher, la simetría ocupa el centro de atención.
A su vez, las leyes fundamentales de la física exhiben un alto grado de simetría. Es decir, podemos manipular imaginariamente el mundo sin alterar su forma de funcionar. Estos cambios pueden ser geométricos u otros más sutiles, como hacer avanzar el tiempo hacia adelante o hacia atrás, o intercambiar la carga eléctrica positiva por la negativa.
Desde la segunda mitad del siglo veinte, el concepto de simetría ha comenzado a jugar un nuevo rol en la física. En nuevos y desconocidos dominios del microcosmos, los físicos tratan de adivinar las leyes de la naturaleza demandando simetría (en lugar de encontrar pacientemente las leyes y luego notar sus simetrías). Este procedimiento ha permitido, por ejemplo, ordenar las partículas subatómicas en familias con propiedades similares y ha logrado predecir la existencia de algunas otras partículas elementales. Aún más, en aquellas ocasiones en las que la realidad no presenta ciertas simetrías esperadas, se ha vuelto una costumbre decir que nuestra realidad está embebida en mundos imaginarios de mayor simetría, pero de los que sólo tenemos una visión distorsionada.

La relatividad

En su Diálogo de los dos mundos de 1632, Galileo sostenía que es imposible discernir si un fenómeno físico ocurre en “la cabina principal, debajo de la cubierta, de un barco muy grande, moviéndose uniformemente, sin fluctuaciones”, o si ocurre en tierra firme. Realizando experimentos en la cabina, sin mirar hacia afuera, un marinero no podía decidir si su barco se estaba moviendo o no. Galileo establecía así su principio de relatividad: las mismas leyes físicas valen para dos personas que se están moviendo a velocidad constante, una respecto de la otra. Dos siglos y medio después, Maxwell demostró que la luz viajaba a una velocidad finita, y con ello quebró el principio de Galileo: existía la posibilidad de detectar el movimiento relativo. Para ello era suficiente medir la velocidad de la luz: el que estuviese quieto respecto a la fuente de luz mediría unos 300 mil kilómetros por segundo, el que se estuviese moviendo mediría otro valor. Sin embargo, todos los experimentos realizados para detectar este cambio de velocidades tuvieron un resultado nulo.
En 1905 Einstein resolvió el dilema con dos simples postulados: el principio de relatividad de Galileo era válido para todos los fenómenos físicos y la velocidad de la luz era la misma para todos los observadores, se estén éstos moviendo o no. Para reconciliar ambos postulados, Einstein necesitó reformular los conceptos de espacio y de tiempo. Estos ya no eran absolutos, como los había pensado Newton, sino que dependían de cómo se estaba moviendo el observador y estaban íntimamente entrelazados. Muchas de las consecuencias de la teoría de Einstein están alejadas del sentido común, pero todas han sido comprobadas: sucesos simultáneos para una persona, no lo son para otra; el tiempo se dilata y las longitudes se contraen para aquellos que viajan; la masa de los cuerpos aumenta con la velocidad; masa y energía son una sola cosa.
La teoría de Einstein representó el cambio más fundamental de la historia en las ideas que filósofos, científicos y artistas tenían sobre el espacio y el tiempo.

El Big Bang

Cada civilización ha inventado su propia cosmología para responderse las preguntas más profundas sobre los cielos. En la década del 40 del siglo veinte, el físico ruso George Gamow y colegas propusieron la teoría del Big Bang (Gran Explosión) sobre el origen del universo, y desde entonces ésta es la base de la cosmología contemporánea.
En 1920 el astrónomo Edwin Hubble encontró que las galaxias se alejan unas de otras con una velocidad proporcional a la distancia que las separa, es decir, descubrió que el universo se estaba expandiendo.
Surgió entonces la pregunta, ¿cuándo había comenzado la expansión y cómo era el universo en ese tiempo? Los astrónomos rebobinaron la película del universo y estimaron que éste se originó hace unos 15 mil millones de años atrás, a partir de la explosión de un punto extremadamente caliente y denso. Temperatura y densidad iniciales eran tan altas que toda la materia formaba una bola densa, altamente simétrica, en la cual no existían diferencias entre las partículas subatómicas y todas las fuerzas fundamentales tenían la misma intensidad. Fracciones de segundos después de la explosión, esa simetría primordial de fuerzas y partículas se rompió, y se dividieron en las disparatadas formas que vemos hoy en día. Desde entonces el universo se ha estado expandiendo y enfriando.
En 1965 Arno Penzias y Robert Wilson dieron claras evidencias de que la teoría era correcta: descubrieron accidentalmente que el universo entero está sumergido en un fondo de radiación (fotones), que corresponde perfectamente a restos de la gran explosión.
¿Qué pasó antes del Big Bang? La teoría sostiene que el tiempo y el espacio se originaron con la explosión inicial, que no hay un antes ni hay un afuera del universo. Las galaxias no ‘vuelan’ a través del espacio, sino que es el espacio el que se está estirando y alejando a las galaxias unas de otras.