Los límites del ciencia.

Recuerdo, hace ya muchos años, una conversación con mi papá mientras caminábamos por Santiago un caluroso enero. Divagando de tema en tema, como siempre hacíamos durante esas caminatas, en algún momento la conversación giró y nos encontramos haciendonos la siguiente pregunta ¿Qué cosas quedan por conocer?. Recuerdo que él me dijo: En estos tiempos ya no quedan preguntas abiertas. Si bien ha pasado mucho tiempo desde esa conversación, la seguridad con la que él dijo esas palabras, expresando una plena confianza en el desarrollo humano, aun resuena en mi cabeza. Dada la innumerable cantidad de conocimiento que hemos adquirido como humanidad, no es tan difícil pensar que quedan pocas preguntas sin resolver. Por supuesto, mientras uno más se especializa en un tema, descubre más y más lo mucho que falta por entender. Pero aún así, la pregunta inicial aún aparece. ¿Podemos llegar a conocerlo todo?.

Podríamos rápidamente entrar en una discusión sobre qué significa el conocer, discusión necesaria e interesantísima, pero que prefiero postergar por ahora. En cambio, dejenme aproximarme al problema del conocimiento desde un punto de vista más directo, pragmático (pero como veremos, incompleto). Parafrasearé entonces la pregunta en una forma más manejable.

¿Cuál es el límite de la ciencia?.

Al cambiar la pregunta inicial por esta pregunta más ingenua, estoy haciendo una declaración. El conocer, lo estoy acotando al conocer científico, como lo dicta la disciplina científica. En este contexto conocer significa poseer un modelo el cual nos permita anticipar una consecuencia, dada una causa. Los modelos pueden ser simples, como la representación de una molécula usando esferas y palitos, o más complejos, como la misma molécula representada por la densidad electrónica que es solución de una ecuación diferencial.

Estos modelos en los que se basa nuestro entendimiento, son resultado del desarrollo científico, que tiene como piedra angular el método científico.

De un modo simple y conciso, el método científico es un método que nos permite discernir cuales modelos son más apropiados que otros para describir una situación del mundo real. Este proceso llamado método científico consiste en cuatro pasos: a) Plantear una pregunta, b) desarrollar una hipótesis, c) testear las implicancias de esa hipótesis en un experimento d) comparar resultados con predicciones y si es necesario cambiar la hipótesis. La aplicación y confianza en el método asume un naturalismo metodológico, que es simplemente la idea de que existe un mundo natural al cual como seres humanos podemos acceder de manera precisa. Dicho de otra forma, al aceptar al método científico como herramienta válida, estamos aceptando una forma de ver e interpretar el universo suponiendo que es entendible. Vemos acá la primera limitación de la ciencia, ya que no nos permite acceder a conocimiento fuera del marco de lo “real”, donde por real entendemos al mundo natural que puede ser sujeto de experimentación. Es una definición circular, lo sé, pero útil, ya que al final del día nos provee de herramientas (tecnologías) que afectan de manera bien contundente nuestra vida cotidiana..

Así la esfera de “lo real” es una esfera que se agranda e incluye más fenómenos a medida que conocemos más. Para el hombre primitivo por ejemplo, los rayos eran una manifestación de un ente metafísico y no consecuencia de una serie de fenómenos físicos, como ahora sabemos. Para ellos, el rayo no era parte de su esfera de lo real, siguiendo nuestra definición.

Este es un límite bastante claro, que podríamos resumir de la siguiente forma: el quehacer científico sólo puede responder preguntas que están sujetas a verificación. Por supuesto, en la búsqueda de el entendimiento, este límite se cruza a cada momento. Muchas veces las hipótesis son elaboradas en base a la intuición, sin una directa verificación experimental, y toma el trabajo de muchas generaciones de científicos el verificar o refutar estas hipótesis. En este punto podemos ver el siguiente límite importante al que se enfrenta la ciencia.

Como mencioné anteriormente, el método científico se basa en la búsqueda de hipótesis que puedan ser contrastadas con experimentos. Pero esto supone un importante límite en nuestro entendimiento, ya que sólo podemos establecer la validez de una teoría mientras no se pruebe lo contrario. No es que en el proceso acumulativo que implica el entender, desechemos sin más ni más un marco teórico si se presenta un caso en donde no funciona, más bien lo que hacemos es verificar sus rangos de aplicabilidad, y buscar una teoría más completa, que contenga a la antigua como uno de sus casos particulares.

Ok, pero suficiente con los límites epistemológicos*. Otros dos límites de la ciencia, que tienen su base en la naturaleza humana de su quehacer son a) los límites éticos, y b) los límites técnicos.

La capacidad transformadora de la tecnología, que resulta del desarrollo científico tiene importantes implicancias sociales. Esta verdad, patente en nuestros días, no fue apreciada hasta bien entrado el siglo XX, luego de que quedara en evidencia con la capacidad destructora de la maquinaria de guerra nacida al alero de la técnica. Un ejemplo demoledor de esto es la bomba atómica. Por supuesto, el conocimiento como entidad abstracta es amoral, pero una pregunta válida es cuánto valor le ponemos a el conocimiento por sobre la ética. Esta búsqueda de un equilibrio entre lo que queremos saber y la forma de encontrar ese conocimiento (o las implicancias que tendría) produce cierta ciencia tabú.

Ejemplos de estos tabúes abundan, podría nombrar el estudio de las diferencias raciales, en particular la pregunta ¿Existe una raza más inteligente que el resto?, o la clonación de seres humanos, o más allá, la creación de híbridos entre humanos y otras especies.

Finalmente, al menos en lo que respecta a esta columna, tenemos los límites técnicos de la ciencia. Con esto me refiero a la falta de herramientas para testear ciertas ideas. Ejemplos claros de esta limitación provienen de escenarios extremos. En Cosmología, ciertas ideas sobre evolución del universo no pueden ser testeadas porque están fuera del alcance de cualquier experimento, por ejemplo la idea de multiverso. Esta idea básicamente propone que vivimos en un universo apto para la vida, no por algún designio de una creatura sobrenatural, sino porque existen millones de instancias de universos con leyes físicas que toman valores aleatorios. En algunas instancias por ejemplo la constante de gravitación universal es un poco más grande que el valor que posee en este universo, lo que genera que poco tiempo luego del Big Bang ese universo colapse (dado que las cosas allí se atraen entre sí con una fuerza un poco mayor), evitando generar vida como la conocemos.

Mientras que los límites epistemológicos del conocer (al menos en cuanto a la ciencia concierne) son más rígidos, los límites técnicos y morales cambian dado el contexto tecnológico y cultural.

 En base a las ideas expuestas, aparecen bastantes preguntas. ¿Tiene sentido proponer una ética basada en la ciencia, o estas se desarrollan en ámbitos independientes?, ¿Se contrapone la ciencia a la idea de un creador?, ¿Es capaz de desmentir la existencia de Dios?, ¿en que sentido?. En el ámbito de la ciencia y la ética hay quienes postulan que la existencia de tabúes científicos no es deseable, ya que todo ámbito debiese ser abierto a escrutinio y análisis, y siempre existirán científicos dispuestos de saltarse las normas implícitas con tal de hacer algo que les parezca vale la pena, aunque sea reñido con la ética imperante.
Es por esto que necesitamos una sociedad interesada en la ciencia y capaz de desarrollar pensamiento crítico, ya que es la sociedad quien impone las barreras éticas (en mi opinión, necesarias) donde se ha de desarrollar la actividad científica.

Usted estimado lector, ¿qué opina?.

* Epistemología es la rama de la filosofía que estudia el conocimiento, su naturaleza y su alcance. Se ocupa de estudiar como y hasta que punto el conocimiento puede ser adquirido. http://plato.stanford.edu/entries/epistemology/

Computadores cuáticos, parte final.

 En tiempos de fin de año, comienzo del siguiente, aparecen las promesas de año nuevo, ese conjunto de objetivos que uno se propone alcanzar durante el año que recién comienza. Puede ser desde bajar de peso, leer más, viajar, o ser más feliz. Cualquiera que sean sus objetivos durante este año 2014, esperamos que los puedan cumplir.  Por nuestra parte, con la columna de hoy, y con ánimo de ir cerrando capítulos, terminamos la serie de artículos sobre computadores cuánticos.
 
En la primera columna de esta serie (puedes hacer click acá para acceder a ella) aprendimos que existen problemas de distinta dificultad, entre los cuales destacamos los problemas tipo NP que en palabras simples* son los problemas difíciles de solucionar, pero los cuales,  si por alguna razón un candidato a solución se encuentra, se puede verificar si ese candidato es o no solución de manera rápida.
En la segunda columna de esta serie, aprendimos un poco de como funciona la mecánica cuántica (accede a esa columna acá). Allí explicamos el
famoso experimento de las dos rendijas, donde los electrones se comportan como onda y como partícula.
Aunque las dos columnas anteriores son (espero) interesantes por si mismas, es obvio preguntarse: ¿están estos dos temas relacionados?.

Para empezar a entender como estos temas se conectan, volvamos al electrón.
El hecho de que el electrón se comporte como onda y partícula simultáneamente se conoce como la dualidad onda-partícula. Es bastante extraño que un objeto posea dos cualidades que son opuestas, de forma simultánea. Nadie anda por la vida siendo de la U y del Colo-Colo al mismo tiempo, o avanzando y retrocediendo simultáneamente. Sucede que el mundo cuántico es completamente diferente, y las cosas si pueden tener dos características opuestas, simultaneamente (como la dualidad onda particula). 

 Para entender mas patentemente esta idea extraña, miremos a otra característica del electrón, su espín. El espín del electrón es una propiedad interna, lo podemos imaginar como su color o su "forma". En particular los físicos asociamos el espín del electrón con un momentum angular intrínseco. Este espín esta caracterizado por la "dirección de giro*" de la partícula. Cuando medimos el espín de un electrón, producimos un colapso de la función de onda, y solo obtenemos dos resultados opuestos, o el espín apunta digamos al norte (N), o al sur (S). Antes de la medición, el espín se encuentra en una superposición de norte y sur. Luego de medir, obtenemos con cierta probabilidad p norte y con probabilidad 1-p sur. Esta característica del sistema es la que permite crear computadores mucho mas poderosos.

Recordemos como funcionan básicamente los computadores actuales. Dejando de lado la arquitectura y el software, a nivel fundamental los computadores actuales usan, para guardar y manipular la información, una serie de ceros y unos, que representan el estado de encendido/apagado. Un estado, o bit, posee dos configuraciones excluyentes, o esta encendido o esta apagado. No existe un bit medio encendido medio apagado. Por otro parte, si  usamos un sistema cuántico (por ejemplo el espín del electrón) para representar los estados de un computador, tendríamos un bit cuántico, qbit, que posee infinitas configuraciones posibles. Mientras que para caracterizar una secuencia de N bits necesitamos N valores, una secuencia de N qbits es caracterizada por 2 elevado a N configuraciones!.  Es este crecimiento exponencial el que hace la computación cuántica tan prometedora.

La idea es entonces construir un aparato que en vez de estar basado en bits, esté basado en qbits. Este sistema tendría la particularidad de que no debe ser medido en ningún momento durante un calculo, ya que una medición destruiría las características cuánticas (colapso de la función de onda, ¿recuerdan?). 

El computador cuántico sería capaz de, en un solo cómputo, calcular todas las posibilidades simultáneamente. Luego de que el cómputo ha finalizado, podemos medir el estado del sistema para obtener la respuesta.

Ahora, como recordarán, una medición en un sistema cuántico entrega distintos resultados con cierta probabilidad. Es aquí cuando el concepto de problemas tipo NP entra en juego. Luego de la medición, tenemos un candidato a respuesta, pero tenemos que verificar si es en realidad una respuesta correcta, dado que la medición pudo habernos entregado otro resultado que no tiene nada que ver con la respuesta que estamos buscando. Esta verificación se puede realizar con computadores convencionales para problemas tipo NP, que son difíciles de solucionar, pero fáciles de verificar dada una solución.

Existe un pero, eso si. Nosotros vivimos en un mundo clásico donde no existen estados opuestos a nivel macroscópico. Entonces el mundo clásico conspira contra estos estados cuánticos, provocando que estos estados pierdan su "cuanticidad". Eso se conoce como decoherencia. Por eso que es tan difícil construir un aparato macroscópico que mantenga sus características cuánticas sobre un número de sistemas y un tiempo suficiente para hacer cálculos.

Un computador cuántico requerirá trabajar a temperaturas muy bajas, donde las fluctuaciones térmicas están suprimidas y la decoherencia es mínima. Imagen The Economist

Pero la ciencia y la curiosidad humana no se detienen, y esperamos que esta poderosa idea avance y logre hacerse realidad.**

Se que esta columna puede ser un poco densa (revisamos 200 años de ideas!), por lo que cualquier pregunta, no duden en dejarla en los comentarios.

*En explicar estos conceptos, he preferido la simplicidad a la rigurosidad técnica.
** Existen algunas compañías que aseguran que ya han construido un computador cuántico. La más conocida de estas compañías se llama Dwave y ha vendido algunos de sus dispositivos a la Nasa y Google por ejemplo. Cuán cuánticos son estos computadores es algo que la comunidad científica no tiene claro, pero lo seguro es que aún no logran la escala necesaria para superar el poder de un computador clásico. Aunque al principio mucha gente veía con reticencia a esta compañía, dado su desprecio a la comunidad científica y secretismo respecto al hardware, un cambio en su política comunicacional y una apertura al testeo por parte de la comunidad, han empezado a cambiar esta situación.

¿Qué son los Agentes Nerviosos?

Durante los últimos meses hemos sido espectadores del drama vivido en Siria, tras el ataque químico que sufrió su población. No sabemos con certeza que tipo de sustancias fueron las utilizadas en dicho ataque, pero por los datos publicados y las imágenes recogidas por las cámaras parece probable que hayan sido agentes nerviosos, clasificados como armas de destrucción masiva de acuerdo a la ONU.

Si bien mucha gente no está familiarizada con la química o la forma de acción de estos compuestos, el sólo nombre de ellos nos alerta a todos acerca de su peligrosidad. Descubiertos durante la Alemania Nazi, estos compuestos fueron utilizados por primera vez en forma masiva en la guerra Irán-Iraq en los años 80', aunque con anterioridad varias fueron las victimas debido a la producción y transporte de dichos compuestos. En 1995 un grupo terrorista también utilizó un agente nervioso (Sarin) el cual liberó en un metro de Tokio, costando la vida de 13 personas. Actualmente Estados Unidos, Rusia, Corea del Norte y Siria aun poseen toneladas de estos compuestos.

Si miramos como lucen estas sustancias a escala molecular (Figura 1), veremos que todos ellos son muy parecidos, consistiendo un átomo de fósforo unido a cuatro grupos. El nombre químico de estos compuesto puede llegar a ser un poco complicado (por ejemplo el nombre químico del compuesto VX es O-etil S-[2(diisopropilamino)etil] metilphosphonotioato!!!), pero no es necesario saber dichos nombres para entender como estos funcionan. 

FIGURA 1: Nombre y estructura de algunos agentes nerviosos, ordenados cronológicamente (Tabun, Sarín y Ciclosarín fueron desarrollados en Alemania entre los años 1937-1944 y VX en Inglaterra en 1952). Representación: rojo: oxígeno, naranjo: fósforo, azul: nitrógeno, amarillo: azufre y gris: carbón (CLICK PARA AGRANDAR)

Recordemos que estos compuestos son líquidos a temperatura ambiente, variando en su grado de volatilidad (esto es, la facilidad de pasar de estado líquido a gas). Por ejemplo Sarín, al ser bastante volátil, ingresa al organismo principalmente en forma de gas a través de las vías respiratorias. Mientras que el compuesto VX, el cual es un líquido oleoso, lo hace por contacto con la piel. Cuando estos compuesto ingresan al cuerpo, ya sea por una vía u otra, se unen de forma irreversible a una enzima llamada Acetilcolinesterasa (AChE), la cual como veremos cumple un rol fundamental en el sistema nervioso. Esta enzima, en condiciones normales, es la responsable de controlar la cantidad de moléculas de acetilcolina(ACh) en el cuerpo. ACh es una pequeña molécula que estimula la actividad de músculos, glándulas y partes del cerebro. Cuando el cuerpo requiere activar un músculo ACh es liberada y luego cuando el cuerpo quiere desactivar dicho movimiento la enzima AChE se une a la molécula ACh y la rompe. Sin embargo, cuando un agente nervioso, ya sea Sarín o VX u otro, ingresa al cuerpo éste se une fuertemente a AChE, lo cual impide que el compuesto que comúnmente se enlaza a esta enzima logre hacerlo. Debido a ello se dice que los agentes nerviosos actúan como inhibidores enzimáticos, uniéndose y desactivan la enzima AChE. Cuando el sitio activo de la enzima AChE es ocupado por ejemplo por el compuesto VX (el cual es uno de los agentes nerviosos más peligrosos), ACh comienza a acumularse a una velocidad de más de 5000 moléculas por segundo por enzima inhibida!, lo cual es una cantidad enorme de ACh que hará que los músculos, glándulas y partes del cerebro permanezcan estimulados continuamente. Esta continua contracción puede, luego de un corto tiempo, fácilmente conducir a la muerte.

FIGURA 2: En condiciones normales ACh se une a la enzima en su sitio activo. Sin embargo, cuando un agente nervioso, por ejemplo VX, se une a ella VX actúa como inhibidor impidiendo que ACh se una. (CLICK PARA AGRANDAR)

Si comparamos la estructura química de ACh con VX veremos que ellas son similares, la diferencia es que en vez del enlace Fósforo-Oxígeno (P=O), la molécula ACh posee un enlace Carbono-Oxígeno (C=O). Ambos grupos forman parte de un enlace con la enzima. Sin embargo en el caso de VX este enlace no se rompe y la enzima queda atrapada con dicho compuesto.

Para finalizar, es importante destacar que la misma idea de inhibidor enzimático, que resulta tan fatal en este caso, es utilizada a diario en cientos de medicamentos. Estos medicamentos actúan ya sea corrigiendo desequilibrios en  el funcionamiento del organismo, matando elementos ajenos a nuestro cuerpo, y/o controlando varias enfermedades. El diseño racional, donde el conocimiento a nivel molecular de la enzima y molécula que se enlazada son utilizados como base para el diseño de nuevos fármacos, ha conducido, en conjunto con otras tecnologías, a importantes avances para el bienestar humano.

Fármacos para el tratamiento de cáncer, y para el combate de virus tales como la influenza y SIDA han sido el resultado de dicho enfoque. Es de esperar que sepamos mas noticias sobre estos avances y ninguna otra sobre algún tipo de ataque con agentes nervios u otro tipo de químicos.

FD