Revista XXIV No. 4 de 2017

Innovación en la Ciencia

Innovación en la Ciencia

Innovación en la Ciencia

Autor

Trapp Ph. D. guntertrapp@hotmail.com

 


 

Revoluciones científicas

El refuerzo mutuo entre ciencia y tecnología ha sido la base de la revolución industrial. La ciencia misma también ha experimentado innovaciones revolucionarias, “cambios de paradigma” según Kuhn (1), que nos han proporcionado una visión cada vez mas realista del universo, de sus leyes, de su historia y de nuestro lugar en él. Ejemplos de tales innovaciones han sido:

La realización que la tierra no está en el centro del universo.

El concepto de evolución aplicable al universo, al sistema solar, a la biósfera y al homo sapiens

El descubrimiento de la relatividad de espacio y tiempo

El acceso al mundo cuántico y sus leyes

simulación de sistemas complejos.

Revoluciones científicas y sus consecuencias escandalizaron a muchos contemporáneos y causaron rechazo, sobre todo aquellas que contradecían el sentido común o destruían ilusiones. Pero como observó Max Planck, “una nueva verdad científica triunfa no por convencer a sus opositores, sino porque estos mueren y son remplazados por una generación que acepta la nueva verdad como obvia”. Las ciencias exactas y la ingeniería se basan en el plausible principio que “causas idénticas producen consecuencias idénticas”. Quien extrapoló este principio hace 200 años fue el matemático P. S. La Place. “Si existiera una mente capaz de conocer, para un momento determinado, la exacta posición y velocidad de todas las partículas que componen el universo, esta mente podría predecir todo su futuro y reconstruir todo su pasado” es una frase suya que resume el determinismo reinante de su época. Innovaciones en la ciencia del siglo XX han erosionado este determinismo desde dos lados. Del lado de los fenómenos cuánticos el concepto de consecuencias idénticas se remplazó por probabilidades. Del lado de los sistemas complejos, la inexistencia de causas idénticas obligó a abandonar la idea de consecuencias idénticas, reivindicó el papel del azar y de la creatividad en los acontecimientos y rescató el carácter científico de las disciplinas históricas. Estos cambios dejaron sin base el determinismo de La Place. Hoy podemos distinguir tres mundos científicos con métodos experimentales y teóricos diferentes: el mundo clásico de las ciencias exactas con comportamiento previsible; él de los fenómenos cuánticos con comportamiento probabilístico y él de los sistemas complejos con comportamiento llamado “caótico”. Desde luego, los tres mundos están conectados: Todo el universo tiene su base cuántica que, al juntarse billones de billones de átomos, conduce al conocido mundo macroscópico, incluyendo los sistemas complejos. Disciplinas científicas como la biología y medicina trabajan en los tres mundos ya que la vida los combina. La moderna nano-tecnología aspira a combinarlos a su manera y así abrir el camino a innovaciones hasta la inteligencia artificial.

 

Tres mundos científicos

El mundo de las ciencias exactas está basado en el método analítico: cuando un fenómeno es resultado de diferentes variables, el efecto de cada una se investiga por separado, mediante experimentos cuidadosamente diseñados para excluir toda influencia de variables distintas a la investigada. Estos experimentos son repetibles y arrojan resultados idénticos, con creciente precisión. Las ciencias exactas son la base de nuestra tecnología industrial y han permitido descubrir leyes universales, incluyendo las de la termodinámica que limitan la conversión del calor en otras formas de energía, explican porqué nuestros motores de combustión y plantas termoeléctricas aprovechan menos que la mitad de la energía, imposibilitan un perpetuum móvile (fig. 1), y establecen una tendencia universal hacia la desorganización: con el correr del tiempo los contrastes se nivelan, las estructuras se debilitan, los organismos envejecen y la energía se degrada. Lo que estas leyes no explican es cómo es posible que nuevas estrellas se formen, nuevas cordilleras se levanten, nuevos organismos aparezcan y nuevas civilizaciones surjan.

El mundo cuántico, dominante a nivel molecular, atómico y subatómico, se caracteriza por la indeterminación de ciertos parámetros y el carácter probabilístico de su comportamiento. A nivel cuántico, la exacta posición y velocidad de una partícula en un momento determinado no existen: una excluye a la otra, invalidando la premisa de La Place. Esta indeterminación no es consecuencia de imperfecciones experimentales, sino intrínseca, así esté reñida con nuestro sentido común. No sin razón, R. Feynman, premio Nobel de física 1965 por sus aportes a la misma física cuántica, la tildó de “incomprensible”, a pesar de su innegable coherencia, rigurosa formulación matemática y sus convincentes aplicaciones, incluyendo las armas nucleares. Un ejemplo de comportamiento cuántico es la desintegración natural del uranio. Desde la formación de nuestro planeta, la mitad del uranio inicialmente presente se ha desintegrado. La otra mitad está intacta y sigue desintegrándose al mismo ritmo. No por haber “aguantado” tanto tiempo, la probabilidad de su desintegración ha cambiado. La pregunta de cómo un núcleo de uranio “decide” el momento de su desintegración llevó a la búsqueda de algún mecanismo tipo “reloj” o “despertador” en su interior. Albert Einstein postuló su existencia porque no concebía que “Dios jugaba a los dados con su creación”. Sin embargo, esta búsqueda resultó fútil y la existencia de tal mecanismo se descartó, lo que equivale a admitir que en el mundo cuántico hay consecuencias sin causas directas.

El mundo de los sistemas complejos es inmenso y omnipresente. De hecho, en la naturaleza los sistemas complejos son la regla, no la excepción. Abarcan todos los tamaños, desde las replegadas moléculas de proteínas hasta las galaxias. Nuestro sistema planetario, actual ejemplo de predictibilidad y precisión cronométrica, a la larga no escapará de un comportamiento caótico. Sistemas complejos se caracterizan por una auto-organización espontanea con la aparición de “propiedades emergentes” ausentes en sus componentes. Ejemplos conocidos son los remolinos en un rio y en la atmósfera (figs.2), los seres vivos, sus órganos y organizaciones (fig. 3), los ecosistemas, los asentamiento humanos (4) y nuestras civilizaciones. A pesar de su importancia, estos sistemas habían permanecido enigmáticos: ni su origen ni su comportamiento se explicaba con las ciencias exactas o cuánticas. Este comportamiento se caracteriza por la interacción mutua y simultanea de numerosas variables que no se pueden aislar sin alterar o destruir el sistema, impidiendo su análisis con los métodos de las ciencias exactas. El comportamiento de sistemas complejos no es predecible y excluye repeticiones idénticas así muestre ciertas regularidades, como los partidos de futbol que nunca se repiten en forma idéntica, así cuenten con los mismos jugadores, el mismo árbitro, la misma cancha y los mismos hinchas. Las regularidades en su comportamiento han permitido establecer esquemas, reglas, analogías y metáforas: el cambio de invierno a verano ocurre cada año, pero nunca de forma idéntica; hablar de la vida de una estrella o de una civilización tiene sentido, así no se trate de fenómenos biológicos. En los años 60 del siglo XX, experimentos de I. Prigogine (premio Nobel de química1977) mostraron la auto-organización en sistemas físico-químicos alejados del equilibrio termodinámico. Hoy, medio siglo después, el comportamiento de los sistemas complejos es una rama científica en su propio derecho, conservando su nombre de caótico. Computadores digitales cada vez mas potentes han permitido el paso de reglas, analogías y metáforas a modelos y simulaciones que reproducen con creciente fidelidad el comportamiento caótico y permiten calcular probabilidades para diferentes alternativas. La contradicción con la termodinámica de la desorganización se resolvió reconociendo que sistemas complejos no son cerrados sino parte de sistemas mayores de las cuales reciben un continuo flujo de energía y/o materia fresca que los mantienen alejados del equilibrio termodinámico.

La interacción entre las variables de un sistema complejo incluye circuitos de realimentación negativa y positiva. Circuitos de realimentación negativa suavizan o anulan el efecto de alteraciones tales como crecimiento, decrecimiento, o la aparición de nuevas variables: proporcionan estabilidad al sistema. Circuitos de realimentación positiva amplían el efecto de tales alteraciones: proporcionan originalidad y creatividad al sistema, pero amenazan su estabilidad si no son contrarrestados por circuitos de realimentación negativa. La combinación de las dos clases de circuitos resulta en la auto-regulación de los sistemas complejos, en su elasticidad y adaptabilidad. Una pérdida de circuitos de realimentación significa una pérdida de complejidad (por ejemplo la desaparición de especies de un ecosistema) y compromete la estabilidad del sistema. El comportamiento caótico es condicionado por su historia anterior a diferencia del aleatorio, típico de la ruleta donde cada nuevo resultado es independiente de los anteriores.

 

La atmósfera

Nuestra atmósfera es un sistema complejo, dinamizado por la energía que de día recibe en forma de radiación solar de alta temperatura (5.000O C), por la degradación de esta energía y su devolución nocturna al frio espacio interestelar en forma de radiación de baja temperatura (15OC). Esta dinámica ha funcionado durante más de cuatro billones de años y seguirá funcionando mientras se mantenga el contraste de temperaturas entre la superficie solar y el espacio interestelar. Es responsable de los contrastes atmosféricos diarios, estacionales, geográficos etc. Son numerosos los parámetros involucrados en esta dinámica: además de la temperatura, entran en juego la presión atmosférica, concentración de vapor de agua, nubosidad, velocidad y dirección de los vientos, todos cambiando de un lugar a otro, de un momento a otro, e influenciándose mutuamente. Aún así, la atmósfera muestra regularidades en su comportamiento y una notable estabilidad de su temperatura promedia gracias a un mecanismo auto-estabilizador. Este termóstato terrestre es resultado de la constancia de la radiación solar recibida y de la fracción retenida por la atmósfera, esta última dependiente de la concentración de gases de invernadero. Gracias a este termóstato, la temperatura de la superficie terrestre se ha mantenido por mucho tiempo en el rango preciso para la existencia de agua líquida, contrario a los casos de Marte con – 50O C y Venus con + 450O C. Cambios en la temperatura superficial terrestre durante los últimos millones de años se ha limitado a pocos grados C, pero suficientes para desencadenar cambios entre épocas glaciares e interglaciares.

Pronosticar el comportamiento de la atmósfera a nivel global, regional o local es un reto formidable. Quien dice que, a nivel local, mañana el tiempo será similar al de hoy, tiene un 60% de probabilidad de acertar por el mero hecho que cambios lentos son mas frecuentes que bruscos. Con una creciente red de estaciones meteorológicas (incluyendo satelitales), medidas mas precisas de los parámetros, simulaciones mas fieles y la disponibilidad de datos históricos, se ha podido mejorar esta probabilidad, sobre todo para fenómenos de envergadura como huracanes (fig.5) o el calentamiento global. A nivel local, la probabilidad para un pronóstico acertado depende mucho del entorno: en condiciones desérticas puede estar cerca al 100 %, en el trópico húmedo cerca al 75% para el día siguiente, pero con notoria disminución para días posteriores. Este hecho se debe a la “sensibilidad” del clima tropical frente a determinadas variables y resulta en un comportamiento “divergente”, otro fenómeno propio de sistemas complejos. Significa que pequeñas causas pueden tener grandes consecuencias. El meteorólogo E. Lorenz acuño en 1972 el nombre “efecto mariposa” para este fenómeno preguntándose: “¿Puede el aleteo de una mariposa en el Brasil desencadenar un tornado en Texas?”. La búsqueda de la respuesta contribuyó al nacimiento de la nueva rama científica que hoy conocemos como Comportamiento de los Sistemas Complejos, popularizada por el libro de J. Gleick “Chaos, the Making of a New Science” (2).

La intervención humana en el clima ha sido mínima hasta hace poco. Como observó Bernard Shaw, el humorista británico del siglo XX: “Todo el mundo en mi país habla del tiempo, pero nadie actúa”. Experimentos de “ordeñar nubes” (aglutinar sus gotas microscópicas para precipitarlas en forma de lluvia) no tuvieron suficiente éxito para una aplicación a gran escala. En cambio, la quema masiva de combustibles fósiles inició el aumento de la concentración atmosférica de gases de invernadero y, con ella, de la temperatura global. Una eventual duplicación en el siglo XXI de la concentración pre-industrial de CO2 (el gas de invernadero mas longevo) resultaría en una subida de 3O C, como concluyó ya hace más de un siglo S. Arrhenius (Premio Nobel de Química 1903), como pronostican los Informes de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) desde fines del siglo XX y como corrobora el aumento de 1O C ya ocurrido (con otro aumento de 0,5OC ya pre-programado por las emisiones pasadas). La mas preocupante consecuencia de este calentamiento es la posible activación de circuitos de realimentación positiva, por ejemplo un masivo escape de metano (otro potente gas de invernadero) desde suelos árcticos descongelados o desde el fondo del mar.

 

La Economía

Comparada con la importancia de la economía actual, la comprensión de su comportamiento y las opciones para su manejo son escasas. La economía comparte con otros sistemas complejos la auto-organización, la presencia de circuitos de realimentación positiva y negativa; la dependencia de un continuo flujo de materia y/o energía fresca; la ausencia de repeticiones idénticas en su comportamiento, la dificultad de un pronóstico acertado y el efecto mutuo y simultáneo de numerosos parámetros inseparables, desde el trabajo humano, la disponibilidad de recursos y la innovación tecnológica hasta las reglas del comercio internacional y la psicología de los consumidores. E. Ostrom, premio Nobel de Economía 2009, ha enfatizado el carácter sistémico de la economía y la necesidad de un manejo acorde con este carácter. Entre los elementos característicos de sistemas complejos, uno le falta a la economía: el estabilizador automático. A. Smith (3) supuso que “la mano invisible” del libre mercado cumpliría esta función, pero impredecibles y violentos altibajos económicos lo han desmentido. En el siglo XX los economistas mismos se han encargado de la función estabilizadora según experiencias anteriores, reglas empíricas y, últimamente, modelos computarizados, desafortunadamente sin resultados convincentes. Paradójicamente, su manera de mantener la economía estable depende de un continuo crecimiento, imposible en un planeta con recursos finitos. Dese los años 70 del siglo XX la disponibilidad de recursos ha dejado de crecer. Desde esta época quedó clara la relación entre el crecimiento de la población humana con su riqueza y el empobrecimiento de nuestro planeta que ha convertido la economía del crecimiento en un esquema de pirámide fraudulenta, favoreciendo a los primeros (pasados y presentes) a cuesta de los últimos (futuros), que se mantiene mientras un crecimiento todavía es posible, pero está condenada al colapso. P. Chefurka (4) ha denunciado esta situación desde hace 20 años. Entretanto, los economistas del crecimiento siguen celebrando todo aumento de nuestro consumo, así sea frívolo, improductivo y acelere nuestra marcha hacia el colapso. Rechazan como “economías de crecimiento fallidas” propuestas alternativas, como las de una “Prosperidad sin Crecimiento” de T. Jackson (5), (6). Hace medio siglo, cuando preguntaron al conocido economista J.M. Keynes “¿Qué pasa con su modelo a largo plazo?” él contestó: “A largo plazo todos habremos muerto”, una frase que está adquiriendo una siniestra actualidad.

 

Conclusiones

La idea que “innovaciones científicas y tecnológicas siempre han sacado la humanidad de sus apuros” no está apoyada en evidencias. Lo que muestran vestigios de civilizaciones pasadas es que nuevas tecnologías sí fueron la base de su auge, pero conducían a su declive cuando resultaban insostenibles, terminando en colapso si las causas no se corregían. H. Wright (7) compara estos vestigios con las cajas negras de aviones accidentados, que permiten reconstruir su tragedia y, con suerte, evitar una repetición. La lista de ejemplos analizados por J. Diamond (8) nos alerta de las trampas en que pueden convertirse los éxitos de una civilización. En la Mesopotamia, el éxito de los agricultores volvió estéril su jardín de Edén (fig. 6). La civilización Maya colapsó cuando su agricultura ya no podía alimentar la crecida población. Nuestros recientes éxitos globales en combatir hambre y enfermedad, en remplazar el trabajo humano por máquinas y en sustituir ecosistemas por monocultivos, también conllevan este riesgo. Recordemos que nuestra actual civilización industrial constituye solo un breve experimento en la historia humana. Lleva a penas el tiempo de cuatro vidas humanas (de a 65 años), equivalente al 0.1% de nuestra historia. Todavía no ha pasado la prueba del tiempo.

Hace 50 años, cuando el crecimiento demográfico y económico había alcanzado máximos históricos, las simulaciones computarizadas de Meadows et al. (9) nos alertaron de la inminente escasez de recursos, corrigiendo la percepción que este problema tardaría siglos en presentarse. Desde hace 30 años, simulaciones del calentamiento climático, su observación en tiempo real y más de 20 Conferencias de las Naciones Unidas sobre el tema nos han alertado de sus peligrosas consecuencias. Estas alertas han resultado “políticamente incorrectos” y se han rechazado argumentando que pronósticos para sistemas complejos no son exactos. El mismo pretexto usó la industria tabacalera para rechazar la relación entre tabaquismo y cáncer pulmonar, hasta cuando quedara confirmada por “hechos tangibles”: las muertes que hubieran podido evitarse. Nuestros retos actuales son globales e inmediatos. Esperar a que sus opositores mueran o que los pronósticos queden confirmados por hechos irreversibles sería un trágico error. Innovaciones científicas son los frutos mas valiosos de la inteligencia humana. Nos permiten desarrollar nuevas tecnologías, distinguir lo posible de lo ilusorio, y reconocer riesgos y peligros. También nos permiten enfrentarlos si así lo decidimos.

 

Referencias

(1) Kuhn, Thomas: The Structure of Scientific Revolutions. University of Chicago Press 1962

(2) Gleick, James: Chaos; the Making of e New Science. Viking Press, New York 1987

(3) Smith, Adam: The Wealth of Nations. London, 1776

(4) Chefurka, Paul: disponible en http://www. paulchefurka.ca Última consulta 10 Nov 2017

(5) Jackson, Tim: Prosperity without growth, Economics for a finite Planet. Earthscan U.K. 2009

Jackson, Tim: Prosperity without Growth, Foundations for the Economy of Tomorrow. Routledge. U.K. 2016

(7) Wright, Ronald: A Short History of Progress, House of Anansi Press, Canada 2004

(8) Diamond, Jared: Collapse, How Societies choose to Fail or Succeed. Penguin Books 2005

(9) Meadows, Donella et al. The Limits to Growth, Universe Books, New York 1972…

 

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