Las lágrimas de Higgs y el origen de la masa.

07/09/2012

Hace ya casi 50 años, un joven científico recibió una notificación de rechazo sobre un artículo de dos páginas que había enviado a la revista de física europea Physics Letters. La revista argumentó el rechazo diciendo que “el artículo no era de relevancia evidente para la física”. El joven se llamaba Peter Higgs. Un árbitro de la revista –un físico de mucho peso en esa época– sugirió al autor agregar una discusión de las implicaciones físicas de la idea que se proponía en el texto. Tal vez eso ayudaría en otra revista…

El joven británico agregó entonces un párrafo al texto en el que describía que la implicación física del mecanismo propuesto en su texto, era la existencia de un campo que podía dotar de masa a las partículas fundamentales. En esa época, el asunto del origen de la masa de las partículas fundamentales era un enigma. El artículo fue enviado así al Physical Review Letters y publicado al siguiente año. La idea resolvería en los siguientes lustros un problema importante en la emergente física de partículas, que predecía resultados absurdos para altas energías si a las partículas fundamentales simplemente se les asignaba una masa distinta de cero en las teorías. Y sin embargo, la tienen. Usted, yo y el queso gruyere claramente tenemos masa. Pero tampoco se podían desechar las teorías, para casi todos los casos, las teorías predecían con pasmosa precisión el comportamiento microscópico de la materia.

Casi cinco décadas después de aquél rechazo, Peter Higss apenas podía contener las lágrimas mientras diapositiva tras diapositiva, Fabiola Gianotti, vocero de uno de los experimentos del Large Hadron Collider (LHC) mostraba la evidencia convincente de que la partícula asociada al campo de su ya antiguo artículo, existía. Hoy, hay una buena probabilidad de que el profesor Higgs reciba eventualmente, junto con otros pioneros de la física de partículas, el premio nobél de física.

 

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La madre de todas las revelaciones y la insuficiencia de la ciencia para explicarla.

05/06/2012

La ciencia no sirve para explicarlo todo. Incluso lo más obvio de la naturaleza parece escapar de toda “explicación” científica.

Si hacemos el esfuerzo de ahondar un poco en cómo la ciencia explica lo que explica y en lo que no podría explicar aunque quisiera, nos despojaremos de un prejuicio importante sobre lo que nuestro entender puede abarcar. Pretender en particular que la física y sus leyes son suficientes para explicarlo todo, incluso en principio, es como pensar que invocar a un dios todopoderoso lo puede explicar también todo. Uno puede creerlo si quiere, pero no hay evidencia que lo justifique realmente.

Al tratar este tema, para empezar es muy común que se ignoren las limitaciones intrínsecas de nuestro cerebro para destilar las leyes fundamentales, pero ese sutil tema merece su propia reflexión. Por lo pronto permítanme acariciar un aspecto más práctico, acaso más fundamental, de las limitaciones de las leyes físicas para entender fenómenos comunes de nuestro universo.

Tal vez el concepto físico más obvio con el que interactuamos cotidianamente es el tiempo; ese constante parteaguas entre el pasado y el futuro. Hablamos de cómo nos falta o de cómo parece fluir sin darnos oportunidad de detenerlo. Pero rara vez nos detenemos a pensar en por qué tiene esa asimetría que nos deja –o más bien obliga– distinguir el pasado del futuro. En nuestra mente lo pasado es, para bien o para mal, intocable, mientras que el futuro parece ofrecer un infinito de posibilidades. La idea misma de libre albedrío, está arraigada en esta concepción del tiempo.

Para un físico el tiempo es una especie de telón de fondo con sus muy peculiares características. ¿La más intrigante? Justo el que siempre parezca fluir en una dirección. Sin embargo, para un físico y sus leyes, esta característica no es nada natural. Hemos recorrido un buen trecho en el entendimiento tanto en el mundo de lo extremadamente pequeño como en el de lo muy distante en el espacio o en el tiempo. Sin embargo, aún no entendemos por qué es que ninguna de las leyes naturales parece generar esta irreversibilidad tan patente: siempre nacemos antes, crecemos y morimos después, nunca al revés. Los objetos calientes terminan enfriándose si los dejamos solos, nunca al revés. Recordamos el pasado y no el futuro, nunca al revés.

Tanto si se trata de las leyes que gobiernan las moléculas de aire en el cuarto en el que estamos o de las que rigen el movimiento de nuestra galaxia alrededor de otras galaxias, encontramos leyes totalmente reversibles. Si uno pasara una película de las moléculas chocando en el espacio del cuarto o de las estrellas girando en torno a la galaxia, en un sentido o en otro, hacia adelante o hacia atrás, lo que veríamos no le extrañaría a nadie; de hecho no habría manera de saber si dicha película se está pasando en cualquiera de los sentidos. ¿Por qué? Precisamente porque las leyes son reversibles. Las moléculas chocando, igual que las bolas de billar, siguen las mismas leyes al colisionar entre ellas en un sentido o en otro. Un planeta girando alrededor del sol se ve idéntico y sigue las mismas leyes tanto en sentido de las manecillas del reloj como en sentido opuesto.

A un nivel fundamental, se trate de galaxias en grácil danza con otras galaxias, soles explotando o partículas atómicas interactuando, la naturaleza no parece distinguir si el tiempo corre hacia adelante o hacia atrás. Y sin embargo… Sabemos que el universo distingue. A otro nivel, cuando vemos fenómenos relativamente complejos, es absolutamente obvio que hay una dirección preferente. Si ahora pasamos una película de un papel quemándose, cualquiera de nosotros puede distinguir si la película está puesta en sentido contrario al que se grabó. Sabemos que la flama consume el papel y no hay vuelta atrás; es imposible reconstruir, de los residuos carbonizados, el papel original. Lo mismo sucede con casi cualquier fenómeno cotidiano: al guisar la comida es imposible recomponer los ingredientes, el café no se pude separar de la leche, no puedo ser jamás más joven, etc. ¿Cómo es que están conectadas las leyes reversibles que usamos para entender la naturaleza con la evidente irreversibilidad de la realidad?

En cierta forma, esta conexión es de lo más natural; dado un estado determinado del universo en cualquier momento y leyes reversibles, es simplemente lo más probable que todo evoluciones hacia una situación de menos orden. Un castillo de arena se deteriora en un montoncito de arena ya que hay incontables maneras de que la arena se encuentre como un montón desordenado; hay por otro lado mucho menos, inimaginablemente menos, maneras de que los granos estén arreglados para que parezcan un bello castillo.

Así, todo el tiempo estamos viendo que los castillos de arena se convienten en montones amorfos, mientras que nunca nadie ha visto un montón de arena convertirse en un castillo (al menos no sin la intervención de un niño). Entonces, el universo camina hacia lo más probable. De igual manera sucede con un papel quemándose; hay muchas más formas de que las moléculas del papel se descompongan –un claro estado de desorden– desgarren o quemen comparado con el número de arreglos en los que esas moléculas puedan conservar su identidad como papel. El tema es fascinante y si resulta de suficiente interés, está discutido con más detalle en un post anterior en este mismo foro.

El punto importante aquí es que dado un conjunto de leyes naturales y el entendimiento de que es más probable que las cosas vayan de un estado de más orden a menos orden –una consecuencia de las mismas leyes físicas– se explica perfectamente esta flecha o asimetría del tiempo… Salvo por un detalle: Para ir de algo menos desordenado a algo más desordenado, primero se necesita que en el pasado existiera esa condición de menos desorden.

¿Por qué en el pasado, mi cocina, la tierra, la galaxia y el universo estaban en un estado de menos desorden y entropía? Nadie lo sabe. No es una ley natural. No hemos encontrado nada en este universo, cerca o lejos, que nos haga pensar que tiene una razón de ser. No se deduce de una ley física, ni de la mecánica cuántica ni de la ley relatividad general, nuestros dos bastiones más exitosos para entender la realidad de la naturaleza. Pero sin ese principio, extra a las teorías y leyes físicas, es imposible entender la flecha del tiempo, parte de nuestra experiencia cotidiana.

Hoy, es tan probable que algún día tengamos una teoría nueva de la cual este principio se desprenda naturalmente, como que jamás sepamos si puede tener explicación científica. Este simple hecho, deducido sobre el universo completo a partir de la observación mundana de la asimetría del tiempo, constituye una de las cosas más importantes que hayamos entendido jamás, el de consecuencias más profundas. Podría decirse que es “la madre de todas las revelaciones”; el pasado es distinto al futuro, nada puede volver a lo que fue, no podremos recordar nunca más que el pasado y el futuro es una carrera de todo el universo hacia el desorden total.

Y no parece hacer sentido ni poder explicarse de ninguna de nuestras leyes científicas.

– o –

El caso de la flecha del tiempo no es el único para el que no se puede plantear una explicación científica. Hay otro tipo de casos en los cuales las leyes por sí mismas no parecen ser suficientes para entender un fenómeno con una perspectiva estrictamente científica. Casos en los que la explicación parece implicar algún tipo de accidente cósmico…

Los núcleos atómicos compuestos de protones y neutrones, son complicados. Una de sus características es que poseen niveles de energía y que nos sirven para describir y predecir sus propiedades. Encontrar la posición de estos niveles de energía es un problema de enorme complejidad pero no hay misterio alguno en el valor que tienen esos niveles en digamos, el núcleo simple del hidrógeno.

Poco después de lo que hoy identificamos como el inicio del universo, casi toda la masa estaba constituida por núcleos de hidrógeno. Al juntarse más y más masa de estos núcleos, finalmente las condiciones se dieron para iniciar el proceso de fusión nuclear dentro de las estrellas. Este proceso apila los núcleos de hidrógeno para formar helio, y después el helio y el hidrógeno pueden volver a reaccionar para formar elementos más pesados. Sin embargo, la mecánica cuántica, la teoría más exitosa que ha creado la humanidad en términos de poder predictivo, predecía lo siguiente: el universo como lo conocemos no puede existir.

Y no es que una ecuación matemática escupiera en algún lenguaje “el universo no existe” –no– la predicción era que el proceso de fusión más allá del helio produce núcleos inestables que se desintegran de inmediato produciendo nuevamente helio. En el siglo pasado que se descubrió esto, era un enigma la existencia de los elementos de la tabla periódica más allá del helio.

Es posible calcular la frecuencia con que tres núcleos de helio pueden juntarse para formar carbono en el centro de una estrella. Pero el resultado del cálculo es que no puede ocurrir nunca, excepto si el universo se hubiera sacado la lotería cósmica. Excepto si por una increíble coincidencia la interacción complejísima de 12 partículas en un núcleo atómico tuvieran justo, ni más ni menos, un nivel de energía en 7.82 millones de volts o MeV´s (mega electronvolts). Hoyle (astrónomo), y Salpeter (físico) se vieron en el siglo pasado obligados a concluir que el carbono tenía que contar con un nivel de energía a exactamente 7.82 MeV. O aceptar que ellos no existían.  La existencia de ese muy particular nivel de energía en el carbono, era la única forma en que se podía dar el caso de que las 12 partículas sobrevivieran juntas -en un núcleo- el suficiente tiempo como para que se dieran otras reacciones y se pudieran generar los demás elementos de la tabla periódica. En realidad había una tercera opción: la mecánica cuántica estaba totalmente mal, algo que no estaban dispuestos a aceptar tan fácilmente ni Hoyle ni Salpeter.

Las mediciones de los niveles del carbono confirmaron la audaz sospecha del dúo: el carbono-12 tiene un nivel de energía en exactamente 7.82 MeV, el único valor que haría que el carbono pudiera sintetizarse en una estrella a partir de helio y que a su vez permitiría la existencia de todos los demás elementos de la tabla periódica. Y de nosotros.

Este nivel de energía en particular del carbono, se nos presenta como un accidente de la complicadísima interacción nuclear entre seis protones y seis neutrones. En un sistema simple como el del núcleo de hidrógeno podemos calcular sin demasiados problemas, pero cuando el sistema se hace más complejo –y miren que 6 protones en el núcleo de carbono no se antoja tan complicado– las propiedades importantes, incluso primordiales como la de que se puedan crear elementos sin los que sin duda no podríamos existir, no pueden extraerse como consecuencia clara de las leyes con las que describimos las partículas.

Todo esto me hace pensar en la entretenida comedia de Douglas Adams, Hitchhiker´s guide to the galaxy, en la que una sociedad decide averiguar la respuesta a la pregunta definitiva acerca del universo, la vida y todo lo demás, dedicando una supercomputadora del tamaño de un planeta a encontrar esta respuesta. Tras millones de años, la computadora declara el cálculo listo y esta sociedad completa se vuelca en espera de la respuesta: finalmente se da a conocer. La respuesta al universo, la vida y todo lo demás era 42.

Yo diría que la respuesta es 7.82.

Estos ejemplos son la muestra de que el conocimiento de las leyes naturales no necesariamente es un instrumento para comprender los hechos naturales. Los detalles de la experiencia real, a veces están incluso muy alejados de las leyes fundamentales. El universo mismo se nos presenta como apto para ser descrito en jerarquías, no únicamente a partir de leyes científicas y fundamentales.

A un nivel primario, la temperatura es un ejemplo de algo que es muy útil para describir diversos fenómenos que experimentamos, olvidando que a nivel fundamental la temperatura representa de manera simple, con un número, el complejísimo comportamiento conjunto de las moléculas que componen un material. Sin embargo, en muchas situaciones, podemos simplemente obviar ese comportamiento fundamental; no necesitamos entender la distribución de energía cinética de la atmósfera en un día determinado para saber si debemos llevar ropa ligera o abrigada al salir de casa; saber la temperatura bastará.

Tenemos que hablar de distintas jerarquías para describir el mundo. Las cosas vivas por ejemplo, ¿cómo las describimos con leyes fundamentales? Luego vienen los sentimientos y cosas como las interacciones sociales. No podemos cerrarnos a las leyes fundamentales y su ciencia. Necesitamos hacer uso de toda una jerarquía de enfoques para llegar al cabal y racional entendimiento de lo que debe ser la respuesta a la pregunta definitiva sobre el universo, la vida y todo lo demás.

-Espaciotiempo


Hay alguien en mi cabeza pero no soy yo. Parte II: la realidad que el cerebro inventa

17/05/2012
“Hay alguien en mi cabeza pero no soy yo” -Pink Floyd

La percepción de la realidad es una fantasía individual y tan única como cada persona. Nuestros sentidos únicamente acotan imposibilidades; lo que vemos, oímos, olemos, degustamos y tocamos son sin duda elementos con los que construimos una imagen de lo que sucede en nuestro alrededor, pero lo que percibimos es en gran medida creado por el cerebro y su expectativa de lo que la realidad debe ser.

La mente de cada homo sapiens inventa gran parte de todo lo que cree que percibe del mundo exterior. La percepción visual por ejemplo, no es para nada como si fuera una cámara de video que captura lo que está “allí afuera”. La neurociencia moderna* nos ha dejado ver que esta noción es ingenua e incorrecta. La mayor parte de lo que creemos que vemos, oímos o sentimos es creada dentro de nuestra mente.

Observemos con cuidado la siguiente representación bidimensional de un cubo:

¿Cuál cuadrado es la cara frontal del cubo? A veces parece que el inferior y a veces que el superior. El cambio está en nuestra mente.

Como el fondo y las caras del cubo son indistinguibles, existe una ambigüedad inherente, ¿cuál de los dos cuadrados es la cara frontal? Al observar el dibujo, es casi imposible decidirse únicamente por una de las opciones, ambas hacen sentido. De hecho, la mayoría de las personas “ve” de manera alternada el cubo en el que la cara frontal está formada por el cuadrado superior y al cubo en el que el cuadrado inferior es el que juega ese papel.

Lo que le sucede al cerebro con esta imagen y otras similares, revela algo intrigante sobre él y en particular sobre la sensación visual. Mientras observamos los dos cubos intercambiarse entre sí, el dibujo claramente no está cambiando. Ese cambio entre las dos perspectivas mutuamente excluyentes, se da totalmente en nuestra mente.

Lejos de registrar “lo que está allí afuera” como si fuera una cámara de video, el cerebro constantemente intenta hacerle sentido a lo que la vista trata de decirle. No hay un cubo dibujado, son dos cuadrados y dos rombos superpuestos de tal manera que el cerebro, antes que interpretar un conjunto de líneas conectadas en un plano, inventa una dimensión y se dice: “hay un cubo en esta imagen”. Ahora, darle una interpretación en este sentido implica tener una referencia: experiencia previa. Eso significa que una mente que no haya visto y entendido el concepto de un cubo real y de la tercera dimensión, no podría ver ninguno de los cubos en este conjunto de líneas. Aún más, la experiencia previa es crucial para poder hacer suposiciones de lo que tendríamos que estar viendo en este dibujo. Para ver los dos cubos en el dibujo de manera alternada, necesitamos estar continuamente alimentando nuestra vista con lo que esperamos ver; alterando sin duda la realidad de lo que vemos.

Personas como Mike May tuvieron que entender este hecho sobre el cerebro de la manera difícil. Mike quedó ciego a los tres años de edad debido a una explosión química. En el accidente perdió por completo un globo ocular y el otro le quedó tan quemado de la córnea que era incapaz de transmitir la luz a su retina. Eso no lo limitó para llevar una vida plena y exitosa, pero a pesar de ello cuando más de cuarenta años después se le presentó la oportunidad de operarse y recuperar la visión, consciente de la gris perspectiva de dos cirugías experimentales, tomó el riesgo. Imagino que la tentación fue mucha; con una esposa hermosa, una empresa emergente con potencial y una reputación en el mundo corporativo, sus cuestionamientos internos probablemente eran si su experiencia de vida había sido completa; si escucharía igual la música, si el poder contemplar paisajes lo abrumaría hasta las lágrimas o si disfrutaría mejor del sexo.

Tras una última cirugía exitosa el resultado para Mike fue con toda seguridad desconcertante, aunque no del todo inesperado: no podía “ver”. Ciertamente su ojo funcionaba perfectamente y la retina recibía con toda claridad colores, bordes y texturas, pero nada de lo que llegaba al fondo de su ojo le hacía sentido. El cerebro de May simplemente no estaba preparado para procesar lo que recibía su ojo derecho; su neurocórtex había olvidado cómo interpretar lo que sus ojos le decían y su cerebro tampoco podía decirle a su vista lo que debía ver.

Durante las fases muy tempranas de nuestra niñez, en cierta forma todos pasamos por algo muy similar a lo que Mike** tuvo que enfrentar a partir de que le retiraran los vendajes del ojo. La diferencia es que en los pequeños la velocidad a la que se desarrollan nuevas conexiones neurales es pasmosa, órdenes de magnitud mas rápido que en los adultos. Pero antes de que el mundo le haga sentido a un bebé, el mundo visual debe ser una confusión de sensaciones con poco o ningún sentido. Parece que venimos programados de fábrica para distinguir cosas básicas como la cara de mamá, pero no mucho más. Y de allí construimos nuestro modelo del mundo…

Tratemos de imaginar algo de lo que Mike experimentó con su reencontrada visión. Siendo ciega, una persona que intente moverse por un corredor o una calle, depende por completo de su entendimiento del paralelismo; de que las banquetas y corredores, las cosas en general, se conserven paralelas o distanciadas entre ellas de manera invariable. De otra forma no sería seguro o posible pasar. Si al tocar las paredes de un corredor o los bordes de la banqueta se diera cuenta de que no conservan la separación constante que espera, esta persona se detendría; algo está cambiando enfrente y tal vez no haya espacio para pasar.

Pero en la visión esto funciona diferente. El paralelismo se modela en un cerebro con visión normal, de forma totalmente distinta: si observamos en dirección de una calle o un corredor, las líneas del suelo o las paredes aparecen haciendo cierto ángulo, juntándose a medida que se alejan; nunca paralelas.

Las vías del tren son paralelas pero como los objetos más lejanos se ven más pequeños, la distancia entre ellas parece disminuir entré más lejos veamos la vía. Esto es lo que llamamos perspectiva.

El cerebro se acostumbra en los primeros meses de vida a interpretar la perspectiva como paralelismo en distancias cambiantes. Pero para Mike, después de no ver durante más de cuarenta años, la perspectiva le parecía una contradicción total a lo que su modelo mental del mundo le había dicho la mayor parte de su vida. Ahora un corredor se le presentaba como algo que convergía en la distancia; algo perfectamente normal para quienes gozamos de vista, pero inconsistente con el concepto de distancias constantes del que aprende a depender un ciego si ha de moverse sin golpear obstáculos en la acera o las paredes en un corredor. En la mente de alguien que nunca ha visto, las vías alejándose del dibujo de arriba (o de la realidad para el caso) deberían aparecer como paralelas, no convergiendo en el horizonte.

Lo que Mike necesitaba de su cerebro en esta nueva condición, es que inventara un contexto para lo que estaba viendo. Algo que sin experiencia previa no podía hacer, igual que un bebé recién nacido. Esto es algo que todos hacemos por el simple hecho de observar una escena; inventamos paralelismo a partir de líneas convergentes, y ponemos tercera dimensión en imágenes planas.

Es difìcil aceptar que la realidad visual, la del sentido más importante de un ser humano, es en gran medida imaginada por el cerebro. Sin embargo es así.

Una parte clave de la sensación visual es el movimiento. También esta parte de nuestra percepción está dentro del cerebro y sus expectativas. Observemos unos momentos la figura de abajo:

Movimiento ilusorio totalmente inventado por el cerebro.

Parecería que la imagen baila ¿no? Parece que se mueve. No hay movimiento en la imagen por supuesto, (verifíquelo tapando diferentes partes de la imagen si lo desea) únicamente círculos con un contorno blanco y negro orientado en diferentes direcciones. Pero el cerebro de la mayoría de las personas claramente ve movimiento. Ese movimiento sí existe, pero está dentro del cerebro que observa la imagen. Total y absolutamente, inventado.

El cerebro está acostumbrado a ver el mundo en dos dimensiones –las imágenes en el fondo de los ojos– pero a hacerle sentido en tres, y las sombras son parte de la información que el cerebro procesa de una imagen para hacerle sentido en tres dimensiones. En la imagen de los círculos que parecen moverse, las franjas oscuras y claras alrededor de cada círculo son interpretadas como iluminación sobre esferas, pero el hecho de que las franjas no estén consistentemente en la misma dirección hace que el cerebro trate de interpretar los distintos “sombreados” de los círculos como un cambio de iluminación a medida que desplazamos la vista sobre ellos. Años de experiencia con sombras cambiando de dirección interpretadas como movimiento (el sol durante el día, la sombra de alguien bajo un farol), hacen su aparición y el cerebro insiste en que los círculos se están moviendo. En el proceso, inventa el movimiento, ve lo que espera ver: si la sombra cambia de dirección, es porque el objeto se está moviendo. La otra solución, la real, los círculos bidimensionales pintados con franjas claras y oscuras en diferentes orientaciones, no entran en el esquema del cerebro.

Muchos años antes de la visión recobrada de Mike, científicos experimentaron con gatos recién nacidos metiéndolos en cuartos pintados en su totalidad con rayas horizontales blancas y negras. Cualquier atisbo de verticalidad en el cuarto, fue diligentemente disimulada con el mismo patrón rayado. Después de crecer en ese ambiente durante meses, los gatos fueron liberados a cuartos normales. Igual que Mike después de la operación, los felinos contaban con visión perfecta, e igual que Mike, su cerebro no estaba preparado ni tenía referencia de lo que era el mundo al que ahora estaban expuestos: los gatitos podían brincar y saltar los obstáculos o a los muebles, pero eran totalmente incapaces de ver nada que tuviera líneas verticales como la pata de una silla contra las que indefectiblemente se estrellaban. Incluso las paredes pintadas con líneas verticales blancas y negras eran igual que invisibles para los animales. Sus ojos recibían los impulsos de líneas verticales, pero el cerebro no sabía que hacer con ellos. Nada en su experiencia anterior incluía verticalidad en el mundo.

Más recientemente, las técnicas de imagenología moderna revelan una historia que es consistente con la idea de que la mayor parte de lo que percibimos, de lo que vemos, proviene desde el dentro del cerebro, no de la realidad exterior. De acuerdo a estos estudios, durante la simple observación de una imagen la parte del cerebro encargada de los procesos superiores transmite información en mayor cantidad y frecuencia hacia la parte posterior del cerebro que procesa las imágenes que llegan a los ojos, que en sentido opuesto. Esto contradice la concepción más común de que una vez preprocesadas las imágenes por el córtex visual, son enviadas al neocórtex superior para su interpretación. Lo que se desprende de todo esto es que la comunicación entre diferentes partes del cerebro es así porque es importante que sea el noecórtex quien le proponga al centro de visión lo que está viendo… En este sentido, las imágenes que entran a nuestros ojos únicamente acotan las posibilidades sobre lo que está allí afuera. Quien decide lo que es, es la parte de nuestro cerebro que tiene un modelo complejo de los que nos rodea y que nos influye. Algo similar ocurre con nuestros demás sentidos, nuestras ventanas a la realidad.

Además de la perspectiva, las caras de las personas, las sombras y hasta el mover los ojos de un lado a otro eran experiencias desconcertantes para Mike. Afortunadamente para él, tal vez porque los primeros tres años de su vida gozó de visión, su cerebro logró finalmente adaptarse. Pero no pudo haber sido sencillo, la gran mayoría de las personas que recuperan la vista después de haber sido ciegos desde pequeños, no tienen tanta suerte; terminan deprimiéndose gravemente. Parece que sin la ventaja de una tasa altísima de nuevas interconexiones neurales de que todo bebé goza en sus primeros años, el mundo visual les resulta mucho más perturbador que agradable. Incomprensible incluso.

-Espaciotiempo

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* Una excelente referencia sobre a algunos temas aquí tratados, es el libro Incognito: the secret lives of the brain, del neurocientífico David Eagleman. La obra contiene además un número saludable de referencias técnicas que sirvieron de bases para este post.
** El caso de Mike May se narra en el libro de Robert Kurson Crashing Through: the man who dared to see.


Hay alguien en mi cabeza, pero no soy yo. Parte I: la inconsciencia de la pericia.

13/01/2012

La práctica no hace al maestro. No siempre.

Algo que sucedió recientemente me recordó un aspecto crucial del funcionamiento del cerebro que cotidianamente pasamos por alto: gran parte de las cosas que hacemos, incluso habilidades que asociamos con la práctica continua o con la adquisición de experiencia durante un tiempo relativamente largo, se ejecutan sin que la consciencia intervenga, aunque parezca lo contrario.

El primer día en bicicleta de Emiliano sin rueditas de aprendiz, de esas con las que vienen las bicis para los más pequeños, ocurrió hace poco. –Ahora sí papá, hoy regresando del ciclotón practicamos en el estacionamiento sin rueditas, ¡claro que sí, cómo que no!– dijo emocionado. Sonreí. ¿Quién iba a creerle a este enano de tan sólo tres años?

Ya teníamos tiempo asistiendo al ciclotón, un evento dominical en la ciudad de México en el que se cierra buena parte de la calle de Reforma para dar paso a los ciclistas y peatones en un circuito de unos 12 km. La idea de llevarlo con frecuencia era interesarlo en el ejercicio desde pequeño. Y funcionó; disfrutaba este evento que veía a este padre seguir a su enano a pie o en bicicleta y a su madre en patines con la carriola de su hermana bebé. Su bicicleta, había sido hasta entonces más bien una cuatrimoto con las ruedas extra que suplantan el equilibrio de los recién iniciados.

Recientemente su prima de seis años empezaba a andar en bicicleta, sin terminar por decidirse a dejar las rueditas laterales de apoyo. Seguramente eso lo motivó de improviso (ciertamente algo lo hizo) para tomar la drástica medida de abandonar las dos ruedas de apoyo sin importarle que no sabía nada de equilibrio en bicicleta. Todo indicaba que sería un día de correr sosteniéndolo para empezar a generarle confianza. No se veía promisorio para mi espalda pero… Si el tenía la intención, yo no iba a quitársela.

–Tu bici ya no tiene las rueditas Emiliano– le dije medio convencido de que rechazaría la misión en el último momento, al ver que en efecto ya le había yo desprendido los soportes. Pero no. Se subió al biciclo sin más.

— Esto es lo que vamos a hacer– comencé diciéndole al tiempo que impulsaba suavemente su bici –trata de girar los pedales rápido y verás que…– Allí estaba yo, parado y sin habla viéndolo alejarse pedaleando como si lo hubiera hecho toda la vida, compensando a la izquierda y a la derecha en esa danza tan agradable que tienen los velocípedos. Sin dudas, sin miedos, sin reflexión alguna de que era imposible sacar equilibrio de la nada. Sin dejarme –horror de horrores– terminar mi docta explicación de cinco segundos sobre el equilibrio en bicicleta.

Más tarde, traté de decirme que hasta cierto punto todo esto era natural  ya que la mayor parte de lo que hacemos e incluso lo que llamamos “pericia” está en gran medida fuera del ámbito de la conciencia, pero no dejó de tomarme por sorpresa.

Durante una buena parte de la segunda guerra mundial, una de las preocupaciones principales de los británicos era alertar oportunamente a sus ciudades de los ataques aéreos alemanes. La dificultad estribaba en distinguir entre oleada de atacantes enemigos, de los aviones propios y aliados que regresaban a casa.

En algún punto los militares británicos tomaron conciencia de que, de entre los ciudadanos viviendo en algunas poblaciones relativamente remotas a las ciudades susceptibles de ataque, había algunos entusiastas de aviación que podían distinguir de alguna forma la diferencia entre escuadrones aliados y hostiles. Claramente esto les era útil a los militares. Se dieron entonces a la tarea de reclutar personas en poblaciones estratégicas para usarlas en esta crucial labor de detectar al enemigo; sin embargo, los resultados fueron decepcionantes. Nadie parecía entender exactamente cómo distinguir amigo de enemigo en el aire. No es fácil, los aviones pasan muy alto y estaban pintados justo para ser difíciles de ver.

Sin embargo era un hecho que había algunas personas que prácticamente sin falla, podían distinguir las aeronaves peligrosas de las aliadas. La segunda estrategia (no se iban a dar por vencidos a la primera) fue usar a estos observadores como “instructores” de otras personas. El método de instrucción era muy simple y práctico: consistía en que los aprendices trataban de identificar a los aviones como agresores o amigos sin ningún entrenamiento previo y los “expertos” les decían si estaban o no en lo correcto. Nadie podía poner con precisión el dedo en la o las características particulares que permitían distinguir los grupos de aeronaves, pero esta técnica permitió desarrollar expertos casi infalibles, lo cual fue crucial en la defensa aérea británica en la conflagración mundial que no terminó sino hasta 1945.

Ahora sabemos, a través de experimentos controlados, que muchas labores cotidianas están parcial o totalmente fuera del alcance de la conciencia. Hay un sinnúmero de ejemplos: tocar el piano, batear decentemente en un juego de béisbol, manejar un automóvil. Todas estas acciones pueden llegarse a ejecutar con verdadera maestría pero más que la práctica, es la parte inconsciente del cerebro la que puede y debe realizarla. Atraerlas a la consciencia para ejecutarlas bien normalmente causa más fallas que aciertos.

Ningún gran maestro del piano ha podido realmente poner el dedo sobre los pasos para que alguien más se convierta en uno, pero sin duda algunos pianistas han podido captar, sin entenderlo, ese algo que se transforma en maestría tras el teclado. El caso del béisbol es algo distinto, pero también muestra que la conciencia no interviene en algo que parece que se lograría con la práctica constante de una habilidad consciente: batear con gran pericia. Se ha demostrado que es imposible que a la velocidad que lanza una bola rápida un pitcher profesional, haya tiempo para tomar consciencia y reaccionar, no importa lo hábil que uno sea. Esto significa que un bateador profesional realmente bueno aprende a leer al pitcher y reacciona en consecuencia sin que realmente su consciencia tenga nada que ver con su pericia en el bateo.

No se exactamente cómo aprendió Emiliano, pero se que nadie le enseñó a andar en bicicleta. Por lo que entiendo, probablemente su cerebro se hizo de un buen modelo de cómo equilibrarse en bicicleta observando a cientos de ciclistas en sus paseos dominicales previos. Igual que cada homo sapiens que existe, su consciencia es tan solo un actor relativamente superficial mientras que su cerebro, como un todo, es un observador y un ejecutor realmente portentoso.

La consciencia y me atrevería a decir que hasta el libre albedrío, están sobrevalorados; según nos ha mostrado la ciencia. No somos lo que llamamos “nosotros”, el nosotros de la conciencia, lo que tiene las habilidades que llamamos muy ufanamente pericia, experiencia o hasta erudición.

Libre albedrío… Mhhh. Motivo de otra reflexión. Pero por lo pronto mi inconsciente experto va por un café.

-Espaciotiempo


La percepción del tiempo II: el cerebro vive en el pasado.

07/12/2011

La luz viaja un millón de veces más rápido que el sonido. Eso significa que un evento que produce eventos visuales y auditivos simultáneos –como la descarga eléctrica en una tormenta– nos llegan en general a diferentes tiempos. En distancias incluso de varias decenas de kilómetros, la luz de un rayo de tormenta nos llega de manera prácticamente instantánea mientras que su sonido, el relámpago, tarda varios segundos más.

Imagínese que estamos jugando basquetbol juntos usted y yo. Mientras yo boto la pelota tratando de ganarle un punto, su cerebro percibe el sonido y la imagen del instante del bote al mismo tiempo. Ahora uno de nosotros se aleja y continúa observando al otro botar la pelota. Nos seguimos alejando y nada parece cambiar: el rebote se ve y se oye al mismo tiempo. Pero esto no debería suceder, el cerebro es capaz de percibir diferencias muy leves en los tiempos en los que le llegan las señales, debería ver y oir el bote a distintos tiempos. Es fácil convencerse de ello si pensamos en el acto inconsciente de distinguir la dirección de la que viene un sonido, algo que el cerebro deduce de la pequeña diferencia entre la llegada de un sonido a los oídos izquierdo y derecho. Estamos hablando de que el cerebro puede distinguir la diferencias cuando la posición de los oídos respecto a la fuente de sonido es de tan solo centímetros. Eso se traduce, para una señal que viaja a la velocidad del sonido, en diferencias del orden de décimas de milisegundos (ms).

En el caso del bote de la pelota, la diferencia que tendría que poder resolver el cerebro es la que se da entre el estímulo visual (instantáneo) y el auditivo (a la velocidad del sonido), cuando ambas señales viajan unos pocos metros. Esto es perfectamente posible ya que, como recién resalté, el cerebro rutinariamente puede distinguir eventos transmitidos a la velocidad del sonido en distancias de centímetros.

Y sin embargo, aún a varios metros, en un partido de básquetbol los espectadores perciben el bote simultáneo, a la vista y al oído, de la pelota en la cancha. Recordemos: en las distancias de las que estamos hablando, la imagen nos llega para todo propósito práctico de manera instantánea, pero el sonido no. ¿Por qué no entonces nos parece que la imagen del bote y su sonido están dessincronizados al irnos alejando de quien bota la pelota –como en el caso del relámpago y el trueno? ¿Por qué los observadores de un partido de básquetbol en el estadio no ven que este fenómeno se acentúe entre más atrás estén sentados?

Hoy sabemos que lo que sucede es que el cerebro “ajusta” la realidad. Si no lo hiciera, la experiencia visual y auditiva del bote se percibirían una después de otra. Como el relámpago y el trueno. Pero el cerebro lo hace por una buena razón.

Experimentos recientes muestran que un aspecto crucial del funcionamiento del cerebro es el poder captar una serie de estímulos, que en general le llegan a destiempo, e integrarlos en una única “realidad”. Quiero contarles sobre uno de estos experimentos y sus consecuencias para lo que llamamos realidad.

A un grupo de sujetos se les pidió algo muy simple: apretar un botón y observar una luz que se encendía como resultado de la presión del botón. Sin embargo, sin que los sujetos lo supieran los científicos programaron un pequeño retraso, de unos 40 milisegundos (ms), entre la presión del botón y el encendido de la luz. Tal como sospechaban los observadores, al cabo de algunas repeticiones el encendido de la luz era instantáneo, a decir de los sujetos, tras la presión del boton. El inocuo experimento continuaba igual durante cerca de una decena de presiones de botón hasta que en algún punto los eruditos eliminaban el pequeño retraso introducido entre presión y luz. En ese punto sucedía algo asombroso: cada sujeto aseguraba que la luz había aparecido justo antes de que presionaran el botón y que la luz no había sido responsabilidad de ellos. Los estudiosos sabían que no era el caso. El cerebro simplemente había sido calibrado para percibir como instantáneo el retraso de 40 ms. El ahora, significaba 40 ms. Pero al anular el retraso entre presión y luz, la iluminación ocurría antes de los 40 ms y por tanto antes del “ahora” de la presión del botón. En otras palabras, el cerebro de los sujetos les decía que la luz se había producido antes de la presión del botón. Increíble.

La evidencia de este y otros experimentos indica que lo que se está manifestando es un mecanismo del cerebro para sincronizar eventos que –interpreta– deben ser simultáneos; probablemente por experiencias previas. El apretar un botón para producir una luz con un muy pequeño retraso hace que el cerebro fabrique la realidad de que el evento es instantáneo, sin embargo, al condicionarse de esa forma, este ajuste redunda en que al eliminarse el retraso, la causalidad del suceso se invierta ya que el cerebro trata de compensar por el retraso al que recién se ajustó.

Hoy en día es todavía una pregunta abierta si esta es una explicación –al menos parcial– para la esquizofrenia (lo sabremos pronto). En la esquizofrenia los sujetos presentan síntomas como escuchar voces estando solos. La conjetura es que estas personas pueden presentar problemas con el mecanismo del cerebro que ajusta la temporalidad de la recepción de los estímulos. Así, las voces que oyen podrían simplemente ser su propia voz pero simplemente su cerebro aprecia que la voz llega a sus oídos antes de que ellos movieran la boca y por lo tanto se empecinan que ellos no las produjeron…

Esquizofrenia aparte, cuando vemos un partido de básquetbol  en realidad la luz y los sonidos de distintos eventos –como el bote de la pelota– no nos llegan de manera simultánea; el cerebro fabrica eso. Y hace sentido, el armar una imagen coherente es más sencillo de interpretar.

El cerebro debe vivir en el pasado –literalmente– porque debe esperar a que todos los estímulos, incluso los más lentos lleguen y se puedan integrar en una realidad coherente. Incluso el tocarse la punta del pie y la nariz al mismo tiempo necesariamente son interpretados. Porque aún asegurando de alguna forma que ambos toques ocurren simultáneamente, la distancia de la nariz al cerebro y del pie al cerebro son sustancialmente distintas, en especial a la tortuosamente lenta velocidad de transmisión de los impulsos eléctricos en nuestros nervios: unos pocos metros por segundo. Por ende, para integrar una sensación de toque simultáneo útil, el cerebro debe esperar y compensar por los estímulos que más demoran en llegarle. Ni hablar de coordinar una maniobra complicada como una chilena de fútbol.

Por cierto, hay un límite al ajuste que el cerebro puede hacer para interpretar dos eventos como simultáneos: aproximadamente 80 ms. Si el desfase de los estímulos que entran a interpretación en nuestra masa encefálica es superior a 80 milisegundos, el cerebro no hace el ajuste (tampoco puede esperar para siempre) y es posible percibir el desfase de las señales. Hay una distancia máxima a al cual percibiríamos simultáneos las señales visuales y auditivas del bote de una pelota; cuando ambas llegaran con más de los 80 ms, oiríamos claramente el bote después de ver rebotar la pelota. A la velocidad del sonido, esto equivale a unos 27 metros.

Ya lo sabe, su cerebro vive unas pocas decenas de milisegundos en el pasado para que a usted el mundo le haga sentido. Y… No se siente demasiado lejos en un partido de básquetbol.

A quienes estén interesados en profundizar en el tema de la percepción del cerebro de la realidad, les recomiendo alguno de los libros del neurocientífico David Eagleman, que en los últimos años ha hecho trabajos muy interesantes respecto a la percepción del tiempo.

-Espaciotiempo


La percepción del tiempo: ¿percibimos más lento el tiempo cuando estamos asustados?

17/11/2011

La interminable escena de Neo en Matrix esquivando fácilmente balas que ante su percepción se comportan como en cámara lenta, es ya un ícono de la cultura occidental moderna. Parece que muchos se sienten identificados con la escena porque capta parte de la experiencia de quienes se han visto involucrados en situaciones extremas, como en un accidente. Casi invariablemente, en una situación de gran estrés nos parece que el tiempo pasó más lento; la remembranza parece casi siempre incluir un detalle inusitado de lo ocurrido y el tiempo pasando muy despacio. Es como si, ante condiciones extremas, el cerebro pudiera cambiar su paso y absorber con mayor resolución temporal el desarrollo de un evento.

Recientemente me tocó atender un par de episodios con mi hija pequeña que se antojan bastante tensos: en uno de ellos, a la bebé se le subió de súbito la temperatura y comenzó a convulsionarse. Recuerdo lo que hice muy en general y la llamada al pediatra mientras aún terminaban las convulsiones. –Ya hizo lo correcto– me dijo el galeno –ahora vea que baje la fiebre. Habiendo verificado con el profesional, procedí a bajarle la temperatura con un baño tibio y el clásico supositorio. No pasó a más y un análisis posterior mostró que no habría mayor problema. Sin embargo los recuerdos de quienes estuvieron a mi alrededor durante el episodio son significativamente diferentes a los míos; aparentemente con mucho detalle  con la sensación de que cada cosa sucedía como en cámara lenta. Para mí en cambio, el evento es un recuerdo sin cambios de velocidad a la Matrix y sin detalles especialmente vívidos. Obviamente diferentes personas reaccionamos diferente a situaciones de presión. Mi intuición es que lo que sucede en nuestros cerebros ante situaciones difíciles depende de la exposición previa de cada persona a situaciones realmente severas. Sin duda es interesante ver qué se ha averiguado al respecto desde un punto de vista objetivo.

En los últimos años, un grupo de neurocientíficos se han dado a la tarea de averiguar cuánto mito y cuánta verdad hay en la creencia, algo generalizada, de que la percepción del cerebro se acelera cuando estamos sometidos a un gran estrés. La hipótesis es que de alguna forma el cerebro logra captar más detalles por segundo y que por eso se recuerdan ciertas situaciones como de mayor duración.

Una vez planteada claramente como una hipótesis, esta idea puede comprobarse. Con este propósito, hace algún tiempo un grupo de voluntarios fue sometido a la experiencia de arrojarse sin paracaídas desde una torre de 50 metros hacia una red.

Primero se comprobó que realmente fuera una experiencia escalofriante, algo que seguro resultó la parte fácil del estudio. Pero el meollo del asunto, consistió en ver si durante esta experiencia el cerebro realmente funcionaba de forma acelerada y captaba muchos más detalles por segundo. Para ello los participantes del singular experimento, tenían que leer un reloj digital que encendía y apagaba un número tan rápido que no era posible leerlo… A menos que el cerebro pudiera realmente acelerar su percepción.

Los sujetos en el estudio en efecto reportaban que la experiencia parecía haber sido interminable (en realidad toda la caída dura únicamente 3 segundos) y cuando se les invitó a, después de arrojarse, cronometrar la duración de la ingrávida experiencia de otro participante, en su gran mayoría paraban el cronómetro mucho después de la duración de la caída real, y que antes habían medido correctamente previo a su salto. Claramente, el recuerdo de la experiencia parecía más largo una vez que habían vivido estos mentalmente dilatados 3 segundos.

Nomás son 3 segundos… Sólo 3 segundos.. Sólo…

La impepinable conclusión es que realmente el cerebro no puede acelerar su percepción en el sentido de tener una mejor resolución temporal de un evento. De haber podido ver durante la caída el número que aparecía brevemente en el reloj digital, los sujetos conejillos de indias del experimento habrían mostrado que la percepción temporal del cerebro se aceleraba. No fue así. Claramente lo que está sucediendo es algo diferente.

Algo que ya es conocido por las neurociencias respecto al funcionamiento del cerebro, es que recuerda los eventos como más duraderos cuando por alguna razón acumula más recuerdos de ellos. Esto sucede por ejemplo con la edad del cerebro. Todos recordamos veranos larguísimos de niños y no tanto como adultos. De hecho, es universal que de niños parezca que la vida en general transcurre lentamente; nunca pasa esto de adultos. El cerebro joven simplemente y de manera natural puede captar, dada su mayor plasticidad, muchos detalles de cada vivencia.

En el caso de las situaciones de alto impacto para el cerebro cuando piensa que está en peligro, sucede algo similar. La adrenalina afecta entre otras cosas una parte del cerebro inferior llamada amígdala, misma que emite sustancias que estimulan los centros receptores del neurocórtex de manera que por un breve periodo pueden acumular más y más variados recuerdos del evento. Así, vistos en retrospectiva, los eventos parecen ser más largos simplemente porque tenemos más recuerdos en total del evento, no porque podamos  percibir más sensaciones por segundo.

Y más allá de las generalidades implícitas en estos experimentos, la experiencia previa afecta sin duda la manera en que el cerebro propio es estimulado. Muy probablemente los sujetos escogidos no contaban en su mayoría con experiencia de paracaidistas; sospecho que en tal caso no hubiera sido tan claro que la experiencia era de real estrés para los sujetos como para que el experimento pudiera discernir si la hipótesis era comprobable.

Mi pequeña no tenía al capitán desinterés al mando durante su crisis. Simplemente este viejo piloto ha visto suficientes incendios el la vida y en su propia aeronave como para saber que asustarse normalmente sí estimula la amígdala (bueno) pero en general bloquea el buen juicio (malo). En una convulsión o en una emergencia, el mecanismo del cerebro no nos permite percibir y menos pensar más rápidamente. Mejor será conservar la calma y así tener mejor oportunidad de salir de nuevo a pasear con su bebé, por un día más.

-Espaciotiempo


La flecha del tiempo: ¿Por qué nada es para siempre?

18/09/2011

¿Cuál es la diferencia entre el pasado y el futuro? ¿Por qué parece imposible evitar envejecer? Finalmente: ¿Por qué nada es para siempre?

Observe atentamente su reloj y pregúntese: ¿qué me está diciendo el andar de esta singular máquina?

La hora del día es una posible respuesta, pero no es la respuesta más interesante. El simple hecho de que un reloj constate que el tiempo pasa, nos dice algunas cosas profundas del universo en que vivimos: nos dice que hubo un comienzo y que muy probablemente habrá un final. También nos dice que el universo tal como lo conocemos, consistente con la vida, es únicamente una etapa pasajera en su aún incipiente historia.

Cuando la revolución industrial apenas asomaba su la cabeza en la historia de la humanidad, la necesidad práctica llevó a estudiar las máquinas de vapor y las leyes que les aplican. Al intentar hacer más eficientes las máquinas de vapor, ingenieros y científicos —siempre metichesse dieron cuenta de que había una limitante en la eficiencia en las máquinas; en realidad, se dieron cuenta de que hay una limitante en la forma en que la naturaleza puede usar la energía. Esta limitación resultó ser una ley absolutamente general y terminó apuntando a una realidad por  demás profunda acerca de nuestro cosmos: la segunda ley de la termodinámica.

Pensemos en una playamexicana de preferencia— con arena fina. Y pensemos en un niño con su padre construyendo un castillo con esa arena. Al terminar el día de juegobendición de descanso para el padre y alegría truncada para el niñoel castillo se queda allí abandonado. ¿Qué pasa al día siguiente con el castillo? Si el niño lo visitara entoncestal vez esperando volver a jugar en élse preguntaría decepcionado qué pasó con el castillo, pues ahora únicamente ve un montón de arena. La explicación del padre sería, muy probablemente, que el viento lo convirtió en ese montoncito de arena.

Ambos recordarían el castillo en el pasado, dejando en el presente tan sólo un montón de arena desordenadoResulta que esta observación sobre el desorden se aplica tan bien para el universo completo como para el castillo de arena. Y es la direccionalidad del tiempo, más que el viento, lo que convierte los castillos en montículos de arena.

Algo en la forma en que se comporta el tiempo, algo relacionado con la segunda ley de la termodinámica, implica que todo castillo de arena en el presente de nuestros playeros vacacionistas, será en el futuro un montículo desordenadoContinuemos nuestra playera historia de consecuenciasveremoscosmológicas.

La extrañeza inicial del niño está justificada. Cierto, el viento se lleva al azar granos de arena, pero de igual manera los trae (al azar). Si nos hubiéramos dado a la titánica tarea de contar los granos de arena en el castillo, al final para todo propósito práctico sería igual que el número de granos de arena en el montón que encontraríamos al día siguiente. La diferencia está, no en que el viento se lleve más granos de los que traiga sobre el montón de arena, la diferencia está en qué tan desordenados están esos granos. Abandonado a su suerte en el viento, los granos que trae el viento no aciertan a quedar ordenados justo en la forma de un castillo.

No hay duda de que hay mucho más orden en el conjunto de granos formando un castillo, que en el conjunto de los mismos granos conformados en un montón de arena. Incluso a un niño, le tomaría unos pocos segundos hacer el montón de arena, pero muchos minutos y hasta horas —dependiendo de la habilidad y dedicación del padre– el construir un castillo reconocible.

La experiencia nos dice que sin excepción alguna, los eventos se dan en una secuencia irreversible: los huevos se pueden hacer omelette pero no al revés, todos envejecemos, las cosas se desordenan, se degradan y con el tiempo dejan de funcionar. Todo tiende a estar más desordenado hoy que ayer. Esta es la forma en que percibimos la diferencia entre el pasado y el futuro.

Sin embargo, hasta donde la ciencia nos deja ver esto no tendría por qué ser así. Y es que todas las leyes naturales son, en esencia, reversibles. Debería ser perfectamente posible que de montones amorfos de arena se formaran –al menos con cierta regularidad– castillos hermosos por efecto del viento sobre la playa. ¡Qué maravilla sería para los dúos padre e hijo! Ir a dormir y después de una noche reparadora salir a la playa y encontrar castillos para jugar.

Pero eso nunca sucede. Así como nunca una persona se vuelve más joven. Nadie lo ha visto y puede uno apostar su vida a que nunca nadie lo va a ver. Sin embargo las leyes naturales, tanto las que rigen nuestro universo a nivel microscópico (mecánica cuántica) como a gran escala (gravitación), no lo prohiben. ¿Entonces?

A diferencia del espacioel tiempo tiene una dirección preferencial, una dirección específica que siempre va del firme pasado al inexpugnable futuro. Es como si siempre tuviera que seguir una flecha: la flecha del tiempo. En realidad, todo en el cosmos parece seguirla; átomos, personas, arena y galaxias por igual, se “mueven” siguiendo esa flecha de un estado más ordenado que llamamos pasado a uno menos ordenado que llamamos futuro.En este punto debería ser claro que el presente está siempre más desordenado que el pasado y eso es lo que los distingue pero… ¿Por qué habría de ser así? ¿Cuál es el origen de que el pasado esté menos desordenado que el presente y en especial que el futuro?

En pocas palabras, porque es lo más probable.

De vuelta a nuestro montón de arena. Hablando de manera relativa, no hay muchas formas de acomodar los mismos granos de arena para que parezcan un castillo en particular, pero hay muchísimas más formas —inimaginablemente muchas más— de acomodar los mismos granos para que sean un montón amorfo en la playa. Así, al traer el viento granos de arena hacia el montón, es abrumadoramente más probable que queden acomodados en sitios que no favorezcan la apariencia de castillo. Los que se van, contribuyen a su vez al desorden de la arena de la playa.

El universo evoluciona como lo hace porque es lo más probable, y por eso el pasado es distinto al futuro. Por eso envejecemos y por eso un huevo se puede convertir en omelette pero no al revés. Y por eso también… la vida es posible.

La entropía, el término de la física para describir el desorden de un sistema, siempre aumenta y es necesariamente mayor o igual a cero. Eso implica por supuesto que en el pasado la entropía siempre fue menor, pero también implica algo mucho más enigmático sobre la naturaleza completa. El valor mínimo que puede tener la entropía es cero, que equivale a que en algún punto atrás en el tiempo, todo el material del universo, todo lo que hoy constituye personas, playas, arena, galaxias y luz, estaba súperordenado en un estado de muy baja entropía. El orden máximo. En esta condición no hay posibilidad de ir más atrás en el tiempo porque el pasado ya no es posible, ya no se puede tener un desorden (entropía) menor. Léase: tuvo que haber un comienzo para todo; para el tiempo y para el universo.

Nuestra percepción de que hay eventos eternos, como las salidas y puestas del sol, está basada en nuestro limitado tiempo de existencia. Al igual que nosotros, las estrellas y el universo mismo dejarán de existir también.
El presente y el futuro.
En el origen había un orden muy grande. Hacia el futuro de esos primeros instantes del tiempo, la entropía se ha venido incrementando de manera dramática porque es lo másprobable. Pero este aumento de estados posibles hasta el presente también ha abierto la puerta, de manera inevitable, a un universo donde es posible la complejidad. Incluso a una complejidad tan intrincada como la de la vida.La tendencia al desorden está relacionada con la posibilidad de cualquier sistema –incluido el cosmos completo– de exhibir cierta complejidad. El desorden y la complejidad están muy relacionados, incluso uno podría pensar que hasta son en cierto sentito opuestos, pero más bien su relación es en el sentido de que el comportamiento de uno (aumento del desorden) es necesario para que se de el otro (la complejidad).


Una manera interesante de entender esto es pensar en un café capuchino recién hecho, un café que no pretendemos tomarnos sino únicamente observar. La característica de esta preparación de café es que quien lo prepara cuida mucho de terminar con dos fases muy bien definidas de café y leche; una debajo de la otra. Es un estado de poco desorden y de poca complejidad: leche arriba, café abajo. Ahora dejemos evolucionar al capuchino sin tocarlo, dejemos actuar a la flecha del tiempo únicamente.

El café cósmico: orden y simplicidad dan origen a mayor desorden y complejidad de manera transitoria

Lo que sucede poco a poco, es que las dos fases distintas de leche y café comienzan a confundirse más y más. Primero únicamente en la frontera, después de manera más generalizada en el vaso. El sistema aumentó su entropía (desorden) pero también, justo por eso, aumentó su complejidad. Ahora describir cómo está distribuída la leche y el café en el vaso es menos simple (más complejo) que “la leche está arriba y el café abajo”. La entropía aumentó pero la complejidad también. Si el desorden no aumentara, la leche se quedaría arriba y el café abajo, con lo que el estado de mayor complejidad de la mezcla a medias del capuchino, un estado más difícil de describir, no sería posible.

La física nos dice que esto es lo que le está pasando hoy al universo. Atraviesa por una etapa en la que la entropía ha aumentado lo suficiente como para poder exhibir una complejidad importante, una que permite que el material del universo se haya agregado en galaxias, en estrellas, e incluso que se haya podido presentar un fenómeno tan complejo, tan aparentemente alejado del desorden, como lo es la vida. Y lo que es más, no hay manera de que esto sucediera sin el incremento de la entropía.

Para nada quiero afirmar que el origen de la vida se reduce a entender que el aumento de entropía necesariamente conlleva a la complejidad necesaria para la vida, pero si es un elemento esencial de entender.

Pero no nos desconectemos aún de nuestro café cósmico. Aún pasan cosas. Al menos por un tiempo…

Sabemos lo que ocurrirá pasado suficiente tiempo con el capuchino: además de enfriarse, finalmente será imposible distinguir zonas de café y de leche. Simplemente habrá algo que no es ni lo uno ni lo otro. Por supuesto la entropía aumentó, es imposible volver a separar el capuchino en leche y café. Pero la complejidad de este sistema es nuevamente baja. Ahora en el vaso únicamente hay algo homogéneo, un líquido marrón muy simple de describir. Hablando de capuchinos, este es su estado final: ya no cambia. En cierto sentido, el tiempo ya no pasa. La entropía es máxima.

La complejidad del cosmos es transitoria como la del capuchino. Al aumentar el desorden (entropía) y después de una fase transitoria de complejidad todo tienda al mayor desorden posible, a un estado en el que ya no cambia nada. En ese futuro lejano, hoy pensamos que lo más plausible es que lo mismo que permite la exquisita complejidad que exhibe hoy el universo, el aumento de la entropía, es lo que tiene sellado su destino.
El universo del futuro, producto de un universo que crea complejidad y aumenta entropía, es un universo en el cual las estrellas se han apagado, las galaxias se han desintegrado y hasta los agujeros negros se han evaporado. Por supuesto que la vida no sería posible, no habría ninguna fuente de la cual obtener energía sin importar lo avanzado de la tecnología, humana o alienígena. Es algo perturbador a la vez que fascinante de deducir a partir de la evolución de un café, íntimamente ligado a algo de lo que no hemos encontrado jamás excepción alguna: las leyes de la naturaleza son las mismas en todos lados.
Es en este momento, en ningún otro y durante una fracción muy pequeña de la historia del universo, que la complejidad de la vida es posible. Si medimos la vida total del universo desde el instante inicial y definimos que su fin es cuando ya no pasa nada, cuando incluso los agujeros negros se han evaporado y no queda sino espacio vacío (en unos 10ˆ100 años) la vida podría tener alguna fuente de energía y por lo tanto ser posible únicamente en 10^14 de esos años, es decir, en tan solo una fracción minúscula de ese tiempo. En palabras: la vida es posible en el cosmos únicamente en una billón billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de su vida total.
Algunas preguntas abiertas
Difícilmente alguien puede dudar de que hay una belleza intrínseca en poder concluir cosas, para algunos de nosotros profundas, sobre el universo entero a partir de unas pocas observaciones cruciales y el razonamiento. Pero al igual que no hay nada para siempre, tampoco parece haber nunca una última respuesta.
Hay muchas preguntas que se sigue haciendo la cosmología a raíz de este particular entendimiento de la naturaleza y de la entropía. Intrigantes algunas. Nadie tiene la menor idea de por qué el universo nació con una entropía tan baja, no hay ninguna razón para ello. Es más, es muy improbable. Si lo pensamos un poco, el mismo razonamiento de que la entropía tiene que aumentar siempre porque es lo más probable, nos lleva a concluir que es escandalosamente más improbable que el universo se generara hace unos 14 mil millones de años con una entropía muy baja como creemos, a que todo, galaxias, estrellas, personas y blogs, se hayan aparecido de la nada hace tan sólo una fracción de segundo.
Ciertamente intrigante… Todavía queda mucho que entender en esto de la física del tiempo.
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Así las cosas, su reloj le está diciendo que necesariamente hubo un comienzo, que probablemente habrá un final y que , la vida es inimaginablemente corta, fluyendo a toda prisa hacia la dirección más probable. Le dice que hay una flecha del tiempo, razón fundamental tanto de que envejezca como de que esté vivo en primer lugar. Ah , y la hora. También le está diciendola hora.Creo que es hora de ir por un capuchino.
El reloj del abuelo: viajero del tiempo.
Espaciotiempo