Opinión

Este 5 de octubre, la Fundación Nobel a través de la Real Academia de Ciencias Sueca entregó el premio Nobel de Física a Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio Parisi por sus contribuciones innovadoras a nuestra comprensión de sistemas físicos complejos. Los dos primeros comparten el premio por la modelación física del clima de la Tierra, la cuantificación de la variabilidad y la predicción confiable del calentamiento global. El tercero, por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria. El premio Nobel de Física de este año llegó con matices de sorpresa y esperanza y nos deja muchos mensajes entre líneas que invitan a una discusión profunda del modo en el que hacemos y pensamos la ciencia.

Lo primero es que la asignación de este premio desacomoda cierto orden implícito en el pensamiento dominante de la ciencia. Nos dice que la física que no aparece explícitamente en los planes curriculares canónicos con los que nos formamos en física a nivel universitario, si es física. Además, esa física es útil y necesaria para entender el mundo y su complejidad inherente. Por otro lado, zanja la discusión sobre la realidad del cambio climático. A partir de este punto, podremos decir con todas las letras, que el cambio climático existe, su determinación tiene bases físicas y su causa es de origen antropogénico. Este mensaje nos ha ido llegando en dosis concentradas a través de los informes del IPCC (entre muchas otras formas comunicación). El más reciente, por ejemplo, es definitivo sobre el estado, evolución y acciones necesarias para entender el problema del clima, el cambio climático y su variabilidad, como un problema global cuyas manifestaciones locales son diferenciadas y con un peligro latente real sobre la vida en un sentido amplio. Este mensaje nos ha llegado también de los jóvenes que decidieron dejar de ir a clase los viernes porque han confiado en esta ciencia, incluso años antes de que la Academia Sueca lo hiciera mediante su instrumento de aprobación Nobel.

Para entender la conexión profunda entre los tres laureados, es necesario recordar cómo es que el estudio de la física del clima fue el detonante para la explosión que tenemos hoy de los estudios de la complejidad. En el desarrollo de las teorías físicas, han convivido dos aproximaciones epistemológicas, materializadas en las figuras de René Descartes e Isaac Newton. El primero piensa el mundo físico en términos descriptivos, reconociendo el carácter complejo de la naturaleza -"pienso, luego existo"-. El segundo, aborda los sistemas físicos a partir de principios fundamentales y leyes mecanicistas que buscan describir la evolución de los sistemas en términos de relaciones causales. El pensamiento Newtoniano cimienta la institución de la física como ciencia y determina el plan de la física clásica.

El éxito de la teoría de la gravitación Newtoniana en la descripción del movimiento planetario y la generalización de la mecánica marcan el camino del desarrollo de la física hasta finales del siglo XIX. Paralelamente, dos teorías físicas fundamentales estaban en construcción: la termodinámica y la electrodinámica. La termodinámica introduce el concepto de entropía para explicar la irreversibilidad propia de los procesos que involucran intercambio de calor, pues evolucionan espontáneamente hacia un estado de equilibrio térmico. La evolución termodinámica y la evolución mecánica encuentran cierta reconciliación gracias a la mecánica estadística, pues el estado mecánico hacia el cuál evoluciona un sistema físico, corresponde con el estado más probable. A mediados del siglo XIX, la formulación de las ecuaciones de Maxwell completa la teoría electromagnética. A partir de ese momento, la electricidad y el magnetismo no volvieron a ser fenómenos independientes. La comprensión de la electrodinámica impulsó un gran desarrollo tecnológico en las telecomunicaciones que van desde el telégrafo hasta la internet actual. Su influencia ha sido notoria en asuntos vitales para la sociedad del siglo XX y XXI, como el desarrollo de la Segunda Guerra Mundial, la computación y hasta la inteligencia artificial, entre muchos otros.

En 1890, Henri Poincaré establece los elementos conceptuales y matemáticos de la teoría del caos. Desde la consolidación de la mecánica Newtoniana se conocía la dificultad metodológica de abordar el problema de los tres cuerpos sometidos a su mutua interacción gravitacional. Poincaré descubre que el sistema exhibe sensibilidad a las condiciones iniciales, de manera que no se puede determinar el estado asintótico a pesar de seguir leyes deterministas. La visión universal de la ciencia en el pensamiento de Poincaré trae de regreso la olvidada postura epistemológica Cartesiana. Sin embargo, el contexto de desarrollo de la física estaba dispuesto para el nacimiento de la teoría atómica y la mecánica cuántica, de manera que el caos como teoría física queda esperando un lugar en la historia de la ciencia.

El desarrollo en los sistemas de comunicación promueve ampliamente el estudio de los sistemas de osciladores no lineales durante la primera mitad del siglo XX. En 1915, Emmy Noether establece la relación entre simetrías y cantidades conservadas, dicho en otras palabras, conecta las propiedades topológicas del espacio de fase con la dinámica. En 1929, Leó Szilard, retoma el demonio de Maxwell, un viejo problema de la termodinámica donde un pequeño y astuto demonio, se ubica en una compuerta que separa las dos mitades de un gas y solo permite el paso a las partículas más rápidas, de modo que después de un tiempo el sistema ha evolucionado hacia un estado de menor entropía.

Este experimento mental conducía a una aparente paradoja que fue resuelta por Szilard, pues el proceso de selección del demonio de Maxwell implicaba medir un bit de información sobre el sistema. De este modo, la información adquiere el carácter de variable dinámica que puede medirse a través de la entropía del sistema, este concepto es formalizado posteriormente por Rolf Landauer en 1969. En 1947, Warren Weaver usa por primera vez el término sistemas complejos para referirse a un conjunto de propiedades particulares que exhiben ciertos sistemas y que quedan por fuera del campo de acción de la mecánica. La aparición de los computadores como artefactos de cálculo y su uso paulatino en la comunidad científica, permitió el desarrollo de áreas de la física como la mecánica del medio continuo y su aplicación en sistemas naturales de escala planetaria como el clima.

En 1963 Edward Lorenz, re-descubre el caos en un sistema simplificado del clima de tres variables. El sistema de Lorenz exhibe sensibilidad a las condiciones iniciales y el comportamiento asintótico queda contenido en una estructura dinámica a la que llamamos atractor extraño. El trabajo de Lorenz representa un punto de inflexión en la narrativa de la física. A partir de este momento la complejidad se entiende como propiedad emergente de un sistema que no puede abordarse desde la perspectiva clásica, como engranajes que se acoplan y se integran linealmente y las pequeñas causas conducen a pequeños efectos. Por el contrario, el todo es más que la suma de sus partes. A finales de los años 70, Benoît Mandelbrot introduce la geometría fractal que, en contraposición a la geometría de los sólidos regulares, describe mucho mejor las irregularidades, sinuosidades, fluctuaciones y estructuras presentes en la naturaleza, también es la geometría que describe los atractores caóticos.

Para comienzos de los años 80, existe una comunidad que trabaja alrededor de un conjunto de problemas que desbordan el plan de la física clásica y sus fronteras curriculares, pues tienen un conjunto de propiedades que permite clasificarlos como complejos (emergencia, auto-organización y producción y transferencia de información). El plan de la física se aleja del carácter reduccionista heredado de la mecánica clásica, a la vez que se inscribe en la búsqueda de cuantificadores para describir propiedades universales emergentes en los sistemas complejos. Las redes neuronales, los autómatas celulares, el caos y las leyes de escala, como teorías en desarrollo y construcción vienen a escena como herramientas de comprensión de sistemas de diversa naturaleza.

A través de estas ideas Manabe, Hasselmann y Parisi se conectan de una manera increíblemente profunda, que no podría ser posible sin una mirada amplia y nueva sobre la ciencia y los modos en que esa ciencia que hacemos entiende y representa los problemas más importantes que tenemos como humanidad. Este premio es como un aire fresco que entra por la puerta abierta de las nuevas físicas, las necesarias, las más fructíferas.

Nota

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