¿Qué es el método científico? - Ricardo David Fernández Cruz

¿Qué es el método científico?

(Ricardo David Fernández Cruz)

Capítulo 1 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

Tal vez la primera cuestión a preguntarnos es ¿qué es la Ciencia? Una respuesta simple sería, la actividad que hacen los científicos, sin embargo tal contestación, nos deja en el mismo estado de desconocimiento que teníamos anteriormente. La Ciencia Moderna es una de las actividades humanas, que se ocupa de descubrir el comportamiento de muchos de los fenómenos que ocurren en el mundo, ¿para qué? Podemos dar varias razones:

-Para satisfacer la curiosidad que tenemos los seres humanos de conocer los fenómenos naturales, pero, a diferencia de otros saberes, para la adquisición de este conocimiento, se utiliza un procedimiento particular, conocido como “el método científico”. Con él, los científicos realizan en general, el descubrimiento y la descripción de los fenómenos, utilizando como principal medio de trabajo la experimentación. Además se emiten hipótesis, y se desarrollan leyes y teorías, que tienen generalmente un carácter temporal. Los conocimientos designados como teorías científicas, no tienen naturaleza eterna e inmutable, y están sometidos de continuo a revisión, lo que permite su confirmación, remodelación o sustitución. En ocasiones, para que una teoría de una respuesta suficiente a ciertas observaciones, es necesario ampliarla con algunos ajustes. Cuando ya no pueda responder a las nuevas observaciones y nuevos datos experimentales, ha de ser sustituida por otra teoría más amplia, que incluye como caso particular a la anterior. La Ciencia es como un edificio, en continua y perpetua construcción, donde las nuevas teorías se van asentando encima de las anteriores, que le van sirviendo de soporte.

-Para emplear el conocimiento científico adquirido, en beneficio de la humanidad, como una fuente de riqueza, mejorando nuestra salud, calidad de vida y disminuir el esfuerzo en el trabajo. Esta finalidad se realiza mediante la aplicación de los conocimientos científicos a fines prácticos, a través de la Tecnología. En este apartado cabe señalar, que en la actualidad y a lo largo de la Historia, se encuentran ejemplos que muestran, como los conocimientos científicos no siempre han sido aplicados para el bien de la humanidad. Este uso desafortunado, generalmente no es responsabilidad de los científicos, sino de ciertos grupos de presión, que en ocasiones obligan a determinados científicos a realizar aplicaciones tecnológicas, con finalidades poco deseables. Existen numerosos ejemplos en la Historia de la Ciencia, de científicos que se han negado a realizar aplicaciones prácticas de su saber, que pudieran contribuir a perjudicar o incluso a la destrucción de seres humanos. 

-Para seguir proporcionando un mayor y mejor conocimiento del universo, -consideramos con esta palabra el estudio de cualquier objeto, sea grande o pequeño, próximo o lejano-. Se conoce esta actividad, como investigación básica, operación que nunca debería detenerse, aunque necesite  inversiones económicas importantes, pues sin duda es la herramienta que nos seguirá abriendo el progreso en el futuro.

Finalmente queremos señalar, que aunque el trabajo científico debe ser una actividad libre, pues sin libertad no hay creación, sin embargo, la sociedad tiene el derecho de conocer y la obligación de opinar sobre el trabajo científico, por varias razones: por ser el soporte económico de las investigaciones, y por motivos mucho más profundas de índole ético, ya que no se puede dejar en manos de un colectivo, por importante que éste sea, la realización de actividades que puedan dañar o comprometer, la dignidad de los seres humanos. 

Mediante el método científico, los científicos procuran construir con precisión, las representaciones de los fenómenos que observamos en la naturaleza. En él se tienen en cuenta las influencias que pueden tener los prejuicios, las predilecciones personales y la cultura, en nuestra percepción e interpretación del mundo. El método científico utiliza  procedimientos establecidos para minimizar estas inclinaciones del experimentador, cuando ensaya hipótesis o teorías. El método científico se organiza en varios pasos, sin embargo, hay una gran libertad tanto en su aplicación, como en su número. Aquí vamos a considerar cuatro etapas:

1)    Observación y descripción del fenómeno o fenómenos que se quieren llegar a interpretar.

2) Formulación de una hipótesis para explicarlo.

3) Empleo de la hipótesis para predecir la existencia de nuevos fenómenos o los resultados de nuevas observaciones.

4) Realización de pruebas experimentales para verificar las predicciones, por varios experimentadores y mediante procedimientos distintos.

Si experimentalmente se confirman las hipótesis, pueden ser consideradas como una teoría o ley de la naturaleza. Si el experimento no confirma las hipótesis, deberán ser modificadas o abandonadas. Está rigurosamente establecido, que las pruebas experimentales tienen la primacía sobre cualquier otra, para la confirmación de las hipótesis, o en la decisión sobre una cierta hipótesis. El método científico requiere que una hipótesis sea plenamente confirmada por otros experimentadores, y cuando sucede que las predicciones son incompatibles con las pruebas experimentales, ésta hipótesis  debe ser modificada. Los experimentadores pueden verificar directamente la teoría, o confirmarla a través de consecuencias derivadas de ella, usando las matemáticas y la lógica, y en todas las ciencias empíricas el experimento es el juez supremo, siendo de absoluta necesidad para la verificación de las hipótesis. Aquellas teorías que no puedan ser probadas mediante observaciones medibles, no pueden ser calificadas como científicas.

Una clave del método científico, es su poder predictivo, sin embargo estas predicciones deben ser comprobadas por la observación y el experimento. Se suele decir con frecuencia “que las teorías nunca son probadas, solo desaprobadas”. Siempre hay la posibilidad de que una nueva observación, entre en conflicto con una teoría planamente establecida, cuando esto sucede, pongamos como ejemplo la mecánica clásica desarrollada por Newton en la segunda mitad del siglo XVII, y se deducen predicciones teóricas que están en desacuerdo con nuevos resultados experimentales, la teoría debe ser descartada como una descripción completa de la realidad, pero puede continuar aplicándose dentro de ciertos límites. Así, las leyes de la mecánica clásica tienen validez  cuando las velocidades son muchos menores que la luz en el vacío y en ese caso, (al que se adaptan la mayor parte de nuestras experiencias cotidianas), dichas leyes se utilizan ampliamente, tanto en la ciencia como en la tecnología. Sin embargo, cuando las velocidades se aproximan a la de la luz, o dentro de intensos campos gravitatorios, los fenómenos se describen mejor mediante la Teoría de la  Relatividad, desarrollada por Einstein a comienzos del siglo XX, de la que se encontraron pruebas experimentales de su validez, con posterioridad.

Las hipótesis y las teorías científicas, deben ser comprobadas experimentalmente, y en esta verificación, influyen tanto el experimentador, como los instrumentos de medida. De un modo general, se determina el grado de confianza en una medida mediante el cálculo de las incertidumbres experimentales, existiendo varias fuentes de error. Están el error intrínseco del instrumento de medida, que tiene igual probabilidad de producirse con valores más altos y bajos, del valor verdadero (que es desconocido) y el error sistemático, debido a factores, que desvían los datos en un sentido determinado. En ciencia, se disponen de procedimientos establecidos de estimación de incertidumbres, lo que resulta imprescindible para calcular la precisión de una medida particular, y cuando se determinan resultados cuantitativos, para acotarla. Una medida sin una cota de incertidumbre resulta inaceptable.

El método científico intenta minimizar la influencia sesgada de los propios científicos en los resultados de sus experimentos, porque cuando comprueban una hipótesis, pueden tener cierta preferencia por un resultado u otro, y es importante que estas no condicionen el resultado o su interpretación. Un error especialmente grave consiste en la no elaboración de una  hipótesis para la explicación de un fenómeno, cuando se realizan pruebas experimentales, pensando que se trata de un paso innecesario, porque los resultados deben ser los que predicen el sentido común o la lógica, y otro error muy común es ignorar o buscar alguna explicación no comprobada, para eliminar aquellos datos que no se adaptan a la hipótesis.

En todo experimento, la hipótesis inicial puede ser correcta o incorrecta. Pero, a veces, los científicos tienen una gran confianza en que una hipótesis es verdadera o falsa, o se sienten presionados para conseguir determinados resultados. En estos casos, puede haber una predisposición a encontrar justificaciones y aceptar datos que coincidan con las expectativas deseadas, con posibles efectos sistemáticos. Para evitarlo, todos los datos deben ser tratados de la misma forma.

Hay ejemplos de descubrimientos, desechados por los experimentadores, con información de nuevos fenómenos, pero que únicamente fueron considerados en último término, y a la inversa, existen casos de pretendidos nuevos descubrimientos, que más tarde se comprobó que provenían de errores sistemáticos, no contemplados por sus descubridores. En los campos en que hay una experimentación activa y comunicación entre los científicos, los sesgos individuales o de un grupo, se cancelan, porque los experimentos son realizados por personas distintas y con medios diferentes, que como es de esperar tendrán distintas tendencias.

Mediante el método científico se elaboran hipótesis, modelos, teorías y leyes:

Una hipótesis es una explicación limitada, que contempla una causa y su efecto en situaciones muy concretas, siendo emitida con nuestro conocimiento del fenómeno, antes de que el trabajo experimental haya sido ejecutado. Tomando un ejemplo de la vida diaria, supongamos que una lámpara no luce. Una primera hipótesis sería, “la bombilla está fundida” y podemos comprobar su validez, cambiándola por otra nueva. Si continúa sin lucir, la hipótesis no era cierta, y plantearemos una segunda hipótesis; “el interruptor está averiado”. Para comprobarla hay que sustituirlo por otro, o verificarlo con un polímetro. Así, poco a poco, emitiendo hipótesis y rechazando  aquellas que no sean certeras, conseguiremos emitir una que finalmente permita solucionar el problema.

Un modelo es una representación más sencilla y asequible a nuestro conocimiento, de un fenómeno real. A partir de un modelo se elaboran las teorías científicas o leyes, cuya validez se corresponde con la del modelo elegido. En el modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno los electrones describen órbitas circulares alrededor del núcleo, y ésta no es una correcta descripción del átomo, sin embargo es sencillo matemáticamente, y explica razonablemente muchas características del átomo.

Una teoría científica o ley, representa una hipótesis o un grupo de hipótesis relacionadas, las cuales se han visto confirmadas repetidas veces mediante pruebas experimentales. Las teorías físicas son normalmente formuladas con un reducido número de conceptos y ecuaciones, las cuales son consideradas como leyes de la naturaleza, insinuándose su aplicación universal. Una vez aceptadas, se convierten en herramientas para mejorar nuestro conocimiento del universo, permitiendo explorar áreas desconocidas situadas en la frontera de nuestro saber. Las teorías no son fáciles de descartar, de forma que los nuevos descubrimientos tratan de encajarse dentro de la teoría existente, y solo sí después de repetidas pruebas experimentales, el nuevo fenómeno no puede ser acomodado, los científicos cuestionan seriamente la teoría e intentan su modificación. Los cambios en la Ciencia y en las teorías ocurren por supuesto, dando paso a teorías nuevas, que modifican nuestra visión del mundo. Nuevamente “la fuerza para el cambio”  la proporcionan el método científico y la experimentación.

Sin embargo el método científico no es aplicable a todos los sucesos de la vida cotidiana, en aquellos casos en los que no sea posible aislar los fenómenos, para verificar las hipótesis, o cuando las medidas no puedan ser repetidas nuevamente, el método científico no es de aplicación. En la bolsa de valores, oímos constantemente que éstos suben y baja sin unas causas claras que lo justifiquen, aquí el método científico (por desgracia para los científicos pues ganarían mucho dinero) no es de aplicación. Existen innumerables causas que influyen en la cotización de las acciones, que no pueden ser aisladas una por una, además no se puede experimentar con los valores, haciéndolos subir y bajar a voluntad, para conocer la respuesta de los inversores y así deducir leyes que controlen el comportamiento de las acciones. Algo análogo ocurre en los juicios, los abogados no pueden repetir el delito delante del juez o del jurado, para que juzguen a la vista de las pruebas. 

Un papel fundamental de la ciencia actual es la comunicación y la publicidad. Todos los científicos que realizan un trabajo de interés, tanto teórico como experimental, lo difunden, mediante su publicación en alguna de las revistas especializadas que existen, en papel o a través de la red. Solo de esta forma, se hace posible que otros verifiquen la validez de sus resultados o de las hipótesis y teorías propuestas. Se considera como verdad científica, siempre provisional, la que una vez publicada, resulta aceptada por un número suficiente de expertos en el tema. Excepto en casos poco frecuentes, como proyectos de investigación militar, la información científica está abierta a todos los que puedan estar interesados y además debe ser comunicada a la sociedad, que en definitiva es la que la sustenta económicamente y la destinataria final de la misma. 

Ricardo David Fernández Cruz

Doctor en Ciencias Física

Catedrático de Física de Instituto, jubilado.

Heurema-FQ

¿De qué está hecho el espacio? - José Luis Fernández Barbón

¿De qué está hecho el espacio?

(Por José Luis Fernández Barbón)

 Capítulo 9 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

¿Qué es el espacio vacío? Sin duda, una pregunta de fundamentos que ha sido objeto de atención más filosófica que científica a lo largo de los siglos. Lo cierto es que, en los albores del siglo XXI, no sabemos realmente qué es el espacio, pero sí tenemos una gran cantidad de información acerca de su estructura. Una información destilada con cuentagotas a lo largo de tres milenios.

Probablemente, el paso más importante en esta epopeya fue el primero, cuando los griegos inventaron la geometría, su gran contribución a la historia del conocimiento. La geometría griega fue la primera gran teoría científica de la historia, la primera que podemos considerar “correcta”, en el sentido de que nunca será suplantada en su dominio de aplicación. Todos esos hechos familiares acerca de triángulos y círculos que aprendemos en la escuela primaria caracterizan lo que podríamos considerar la “estructura” del espacio.

El siguiente paso cualitativo tuvo lugar en el siglo XIX, cuando los matemáticos se dieron cuenta de que la geometría euclidiana no era lógicamente necesaria. De pronto, era posible imaginar que, al medir con mucha precisión los tres ángulos de un triángulo, la suma resultara ligeramente diferente de 180⁰. La caracterización final de todas las posibles desviaciones de la geometría griega la dio Riemann, que elucidó en toda generalidad el concepto de curvatura. Así, a finales del siglo XIX la geometría del espacio vacío empieza a considerarse, después de todo, una cuestión experimental.

Al mismo tiempo, la física entra en una crisis de fundamentos en relación con el comportamiento de la luz, una crisis de la que emergerán nuestras concepciones actuales del espacio, el tiempo, y la materia. Einstein es la figura dominante en este período revolucionario. En el “año milagroso” de 1905 sentó las dos bases sobre las que descansa el edificio de la física moderna: los conceptos de espacio-tiempo y de partícula cuántica. En un sentido muy literal, toda la física del siglo XX es una elaboración de estas dos ideas fundamentales: la energía se organiza en “paquetes”, que llamamos partículas cuánticas, y que conforman tanto la “materia” como las “fuerzas”. Todo esto sucede en un escenario geométrico llamado espacio-tiempo, una generalización de la geometría griega que incluye al tiempo.

El espacio-tiempo es una peculiar mezcla entre espacio y tiempo, análoga a la visión del espacio ordinario como una mezcla entre las diferentes direcciones. Estamos familiarizados con la idea de que el noroeste es una mezcla de las direcciones norte y oeste.  Para cambiar de dirección en el espacio, efectuamos un giro por un cierto ángulo. Análogamente, para cambiar de dirección en el espacio-tiempo, efectuamos un movimiento a una cierta velocidad. Diferentes observadores llaman “espacio” a diferentes “secciones transversales” del mismo espacio-tiempo aunque, al igual que ocurre con las diferentes direcciones del espacio, todas estas posibilidades son equivalentes entre sí.

Existen también algunas diferencias entre la descomposición del espacio en direcciones y la descomposición del espacio-tiempo en espacio y tiempo separados. En el primer caso podemos mezclar cualesquiera direcciones porque todos los ángulos son posibles. En el caso de la mezcla entre espacio y tiempo, solo podemos efectuar movimientos a velocidades inferiores a la de la luz, que resulta ser la velocidad máxima en la naturaleza. Este requerimiento es equivalente a la imposibilidad de viajar al pasado, es decir, la imposición de una relación consistente de causalidad.

La culminación de la obra de Einstein fue el descubrimiento de que, en presencia de un campo gravitacional, las diferentes direcciones del espacio-tiempo dejan de ser equivalentes: el cociente entre el perímetro y el diámetro de una circunferencia, o la suma de los ángulos de un triángulo, depende de la posición de éstos con respecto al objeto que crea el campo gravitacional. Einstein describió esta situación diciendo que la gravitación es equivalente a la “curvatura” del espacio-tiempo. Literalmente, la energía contenida en el espacio produce una deformación de su estructura geométrica, como si fuera una especie de membrana elástica.

Al igual que ya hiciera Maxwell en el siglo XIX con el campo electromagnético, Einstein fue capaz de encontrar las ecuaciones que gobiernan estas deformaciones de curvatura, como función de la densidad y tipo de energía contenida en el espacio. Podemos resumir estas ecuaciones en algunas reglas intuitivas:

1) Si la energía está localizada, como ocurre con un conjunto de partículas elementales que se encuentran en el interior de una cierta región,  la ley de Einstein nos dice que el espacio se “estira” en la dirección radial y se contrae en la dirección transversal, de tal forma que si fuéramos a dibujar un círculo alrededor de la materia localizada, el cociente entre el perímetro y el diámetro sería menor que π. Toda energía localizada se puede analizar como un conjunto de partículas elementales de diferentes tipos, pero todas ellas tienen energía positiva con respecto al vacío.

2) Si hay energía en el propio vacío, el efecto solo es visible a grandes distancias. En el caso de que la  energía del vacío sea negativa, el espacio se curva de forma que funciona como una caja de paredes suaves: tiramos una piedra y vuelve como un bumerán. Por el contrario, si la energía del vacío es positiva, el espacio se expande exponencialmente: cada cierto tiempo fijo, el volumen de espacio se dobla, produciendo una separación exponencial de cualesquiera partículas existentes en su interior. A la energía del vacío se le ha llamado “constante cosmológica” y más recientemente, “energía oscura”.

A lo largo del siglo XX, los físicos han corroborado la ley de Einstein en todas las situaciones en las que el test cuantitativo ha sido posible. La última, y seguramente la más espectacular, es la detección directa de las ondas gravitacionales. Si el espacio-tiempo es “elástico”, debería transportar ondas de curvatura cuando una distribución de energía cambia con el tiempo. Según la teoría de Einstein, el “coeficiente de elasticidad” del espacio es la constante de gravitación de Newton, que es muy pequeña. En otras palabras, cualquier efecto de la gravitación, incluidas las ondas gravitacionales, está suprimido por la extrema debilidad intrínseca de la fuerza gravitacional, algo que todos experimentamos cuando le ganamos la partida a todo el planeta Tierra mientras sostenemos un lápiz entre nuestros dedos. Así que las ondas gravitacionales requieren eventos de alta energía para generarse significativamente, y además son muy difíciles de detectar directamente. Eso explica los 100 años de espera para detectarlas finalmente en el interferómetro LIGO.  Además, ha sido necesario un cataclismo como la colisión de dos agujeros negros de treinta masas solares para generar ondas suficientemente potentes como para que se pudieran detectar aquí, a 1300 millones de años luz de distancia.

Sin embargo, el descubrimiento de las ondas gravitacionales no ha supuesto ninguna sorpresa desde un punto de vista fundamental, pues ya se consideraban prácticamente descubiertas, en un sentido indirecto, desde los años 70, cuando se comprobó que estrellas de neutrones en órbita mutua perdían energía justamente al ritmo adecuado para ser interpretado como una emisión de ondas gravitacionales.  Desde un punto de vista de “fundamentos”, el descubrimiento más importante sobre la estructura del espacio es sin duda la aceleración de la expansión del universo. Dicho de otra forma, el descubrimiento de la “energía oscura”. Desde hace dos décadas sabemos que el 70% de todo el contenido energético del universo está en forma “oscura”, es decir, almacenada en el propio vacío.

En sí mismo, el hecho de que el vacío tenga una cierta densidad de energía no es particularmente sorprendente. Después de todo, debería estar “lleno” del campo de Higgs, responsable de las masas de las partículas elementales. Más en general, en cualquier teoría cuántica, el estado de mínima energía tiene necesariamente un mínimo de fluctuaciones, garantizadas por el principio de indeterminación de Heisenberg. La energía de esas fluctuaciones mínimas no se anula, salvo que existan cancelaciones especiales entre diferentes grados de libertad. En la teoría cuántica de partículas elementales, la contribución de fluctuaciones cuánticas a la energía oscura es gigantesca, mucho mayor que la que ha sido efectivamente medida por los astrónomos. Por tanto, sabemos que existe una cancelación misteriosa entre diferentes contribuciones a la energía del vacío, dejando un residuo comparativamente pequeño, pero desconocemos por completo el mecanismo responsable de esta cancelación aproximada. 

Cuando Einstein descubrió la relatividad en 1905, demostró que el espacio no es una sustancia ordinaria, porque no tiene sentido preguntarnos si nos movemos o no con respecto al espacio vacío. Sin embargo, sus descubrimientos en la década siguiente contribuyeron a añadir más y más propiedades al espacio: no solo se comporta como un medio elástico, sino que alberga una energía interna perfectamente detectable. Hoy en día, el mayor problema de fundamentos de la física no es tanto la existencia de una energía oscura, como explicar por qué es tan pequeña.

Seguramente, la respuesta a este tipo de cuestiones requerirá una teoría completa de la naturaleza cuántica del espacio-tiempo. En las últimas dos décadas se ha registrado un progreso importante en esta dirección, gracias a la investigación de las propiedades de los agujeros negros. Dado que el espacio tiene propiedades elásticas, nos podemos preguntar si tiene un límite de resistencia a la deformación. En otras palabras, ¿es posible “romper” el espacio mediante la acumulación de suficiente energía localizada? La respuesta es afirmativa: por encima de un cierto límite, el espacio contenido en una cierta región colapsa sobre sí mismo produciendo una singularidad de curvatura infinita. Vista desde fuera, esa región se ve negra, y se denomina “agujero negro”.

Gracias al trabajo de Hawking y Bekenstein en los años 70, sabemos que los agujeros negros son la forma más radical de información acumulada en la naturaleza. Sin embargo, es sorprendente que la información oculta en un agujero negro no se organiza en su interior, sino más bien en la superficie del “horizonte de sucesos”, el borde exterior del agujero negro. Si esto es así, el interior del agujero negro sería como un holograma: la información estaría localizada en “píxels” en el horizonte, y el interior sería una proyección aproximada. Gerard ´t Hooft y Leonard Susskind propusieron hace dos décadas que todo el espacio podría funcionar de esta forma. En 1997 Juan Maldacena propuso un mecanismo matemático para representar la proyección holográfica en un espacio con energía oscura negativa. Desde entonces, la física teórica ha estado dominada en gran medida por el estudio de este modelo particular.

El funcionamiento del holograma de Maldacena es tan intrincado que una parte importante del trabajo de los físicos teóricos es, literalmente, “desmontarlo” como si de un viejo aparato de radio se tratara, para descubrir los detalles de su estructura interna. ¿Y qué ha emergido como resultado de este esfuerzo? Según parece, el truco fundamental del holograma sería el entrelazamiento cuántico.

El entrelazamiento cuántico es probablemente el aspecto más extraño de la realidad cuántica, tanto que el propio Albert Einstein lo consideró inaceptable. Se dice que dos sistemas cuánticos están totalmente entrelazados cuando su estado físico colectivo está totalmente determinado, pero su estado físico individual está totalmente indeterminado. El sentido común nos diría que para saberlo todo sobre un sistema compuesto es necesario saberlo todo sobre las partes que lo componen. Sin embargo, el entrelazamiento cuántico consiste precisamente en la negación radical de esta idea enraizada en nuestro sentido común. En cualquier caso, por más que se trate de algo poco intuitivo, sabemos que las partículas elementales satisfacen las leyes cuánticas del entrelazamiento.

Los resultados más recientes parecen sugerir que el espacio “está hecho”, en un sentido más o menos literal, de entrelazamiento cuántico puro. El ejemplo más espectacular de esto ha sido propuesto recientemente por Maldacena y Susskind, bajo el acrónimo

EPR=ER

Las siglas del miembro izquierdo se refieren a las iniciales de Einstein, Podolsky y Rosen, que describieron las propiedades inesperadas del entrelazamiento cuántico en un famoso artículo en 1935. El mismo año, dos de los autores, en este caso Einstein y Rosen,  descubrieron espacios con “agujeros de gusano”, atajos espaciotemporales entre dos puntos distantes que conocemos bien por las películas de ciencia ficción. Pues bien, Maldacena y Susskind proponen que dos agujeros negros fuertemente entrelazados estarían unidos por un puente interior, el agujero de gusano de Einstein-Rosen. En este caso, la conexión interior entre los dos horizontes se produciría como resultado de la enorme cantidad de entrelazamiento cuántico entre ambos agujeros negros. A diferencia de los agujeros negros de las películas, de éstos no se puede salir, porque las puertas son agujeros negros, y como es bien sabido, puedes entrar en ellos pero nunca puedes salir.

A día de hoy, la conjetura de Maldacena-Susskind aun espera demostración, incluso  a un  nivel puramente matemático. Queda para el futuro elucidar si estas ideas fascinantes nos permitirán avanzar en la respuesta a la pregunta que da título a este capítulo… “¿De qué está hecho el espacio?” La mayoría de nuestras conjeturas matemáticas están basadas en el modelo de Maldacena, que representa la holografía en un mundo con energía oscura negativa. Sin embargo, sabemos que nuestro universo presenta una energía oscura positiva,  y en este caso las ideas propuestas no parecen suficientes. Lo más probable es que la solución al problema requiera entender finalmente la enorme cancelación parcial de la energía oscura, algo que, como indicamos anteriormente, se puede considerar como el misterio más urgente de la física fundamental. 

Bibliografía:

“La guerra de los agujeros negros. Una controversia científica sobre las leyes últimas de la naturaleza”, Leonard Susskind.

“Geometría y entrelazamiento cuántico”, Juan M. Maldacena (Investigación y Ciencia, Noviembre 2015).

“Black Holes, Information and the String Theory Revolution”, Leonard Susskind and James Lindesay.

José Luis Fernández Barbón

Doctor en Física

Investigador Científico, Instituto de Física Teórica IFT CSIC/UAM

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MARTE, "análogos marcianos" - Alberto González Fairén

¿Qué son los ambientes análogos marcianos en la Tierra? ¿Por qué son útiles para buscar vida en Marte?

(Por Alberto González Fairén)

Capítulo 25 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

¿Qué es un “análogo marciano”?

Décadas de exploración científica han revelado que algunos lugares de la Tierra pueden ser similares a algunos de los entornos geológicos que han sido inferidos (en el pasado) u observados (en el presente) en Marte. Por lo tanto, los análogos terrestres de Marte son lugares de la Tierra que se caracterizan por presentar unas condiciones climáticas, mineralógicas, geomorfológicas y/o geoquímicas similares a las observadas en Marte, en el presente o en el pasado. Estos ambientes análogos terrestres representan una ventana a través de la cual podemos estudiar Marte sin salir de nuestro planeta.

Debemos tener siempre muy presente que cada uno de los análogos de Marte ha de ser comparado con un tiempo geológico marciano preciso y con un lugar específico de la geografía marciana, y que no existe ningún lugar en la Tierra que constituya un análogo perfecto y completo para toda la historia geológica y para toda la superficie de Marte. En cualquier caso, si bien cada uno de los análogos marcianos por sí solo no puede representar adecuadamente los cambios en las condiciones ambientales de Marte a través del tiempo, sí que podemos extraer lecciones valiosas sobre la posible habitabilidad de Marte en el presente y en el pasado mediante la combinación de la investigación de estos análogos con simulaciones realizadas en laboratorio y con los datos obtenidos a través de los orbitadores y las sondas que han aterrizado en Marte.

El estudio de  análogos marcianos vinculados a la historia geológica de Marte nos permite comprender mejor los procesos que han dado forma a la superficie del planeta, incluyendo su evolución geológica y geoquímica. También nos facilita la evaluación de la diversidad de ambientes en la superficie y en el subsuelo, tanto en el espacio y como en el tiempo; nos ayuda a determinar la mineralogía y el origen de ambientes únicos, que son importantes para la extrapolación de los resultados a Marte; y nos permite evaluar el potencial para la aparición de la vida y la preservación de los diferentes tipos de biomarcadores fósiles a través de la historia del planeta.

Muchos análogos terrestres reúnen condiciones geoquímicas que los hacen habitables únicamente para ciertos tipos de organismos muy especializados y adaptados a estos entornos. 

Al intentar comprender la historia de Marte a través del estudio de análogos terrestres, también obtenemos información relevante acerca de los límites de la vida en la Tierra, así como de la capacidad de los organismos para adaptarse y sobrevivir en ambientes donde el agua líquida se encuentra al límite de su estabilidad.

Las edades de Marte

La historia geológica de Marte está definida por tres etapas muy diferentes: el Noeico (desde la formación del planeta hasta hace 3.600 millones de años) fue una época que se caracterizó por la presencia de una atmósfera de cierta entidad y abundante agua líquida en la superficie, que formó ríos, lagos, deltas e incluso un océano, en un entorno climático en general muy frío, similar al Océano Glacial Ártico de la Tierra; el Hespérico (de 3.600 a ~ 3.000 millones de años atrás), un periodo de transición aún más frío, y semiárido, durante el que la atmósfera se volvió mucho más tenue, el agua de la superficie estaba en general congelada y los campos glaciares eran habituales; y, finalmente, el Amazónico (desde hace ~ 3.000 millones de años hasta la actualidad), que se caracteriza por ser un período de extrema sequedad y frío intenso, con una atmósfera cada vez más fina, y que ha convertido la superficie de Marte en el desierto árido y extremadamente frío que hoy conocemos.

Estas tres épocas climáticas globales definen también tres posibilidades diferentes desde el punto de vista de la habitabilidad de Marte: una etapa temprana, cuando los requisitos básicos para la vida tal y como la conocemos en la Tierra estaban presentes en Marte (agua líquida y fuentes de energía); una etapa intermedia, durante la que las soluciones líquidas se volvieron escasas y potencialmente no adecuadas para cualquier forma de vida; y la etapa más reciente, durante la cual las condiciones en la superficie han sido en gran parte prohibitivas para la vida, excepto tal vez en algunos nichos aislados.

Análogos marcianos en la Tierra

Durante las últimas décadas, se han propuesto un gran número de lugares de la Tierra como análogos marcianos, hasta el punto de que hoy se pueden contar por docenas. No obstante, la mayoría presenta un grado de analogía reducido, que se limita a una característica exclusivamente, ya sea climática, geoquímica o mineralógica. Tan solo un pequeño número de análogos marcianos pueden ser considerados realmente como tales, al mostrar un conjunto de rasgos que realmente los asemejan a ciertos paisajes marcianos, presentes o pasados. Entre ellos, los más destacables son:

1.       Análogo del Noeico (I)

La región de North Pole Dome, en Pilbara, Australia Occidental. El cratón de Pilbara se extiende sobre 60.000 km², e incluye rocas relativamente poco deformadas que datan del periodo Arcaico (hace entre 3.500 y 2.700 millones de años). El North Pole Dome se sitúa en     el centro del cratón, cubriendo un área de 600 km², y es una región de abundante vulcanismo antiguo que representa un análogo marciano muy válido, ya que  Marte presenta muchas regiones ricas en basaltos poco alterados. Las rocas máficas de Warrawoona incluyen algunos de los terrenos volcánicos más antiguos que se preservan en la Tierra, con una edad comparable a los basaltos de las tierras altas marcianas. Entre los materiales identificados han aparecido filosilicatos similares a las arcillas marcianas, en ambos casos formados por alteración hidrotermal de los flujos de lava basálticos. Algunas de las rocas del North Pole Dome contienen los restos de la biosfera de la Tierra más antiguos que se preservan, en forma de estromatolitos y posibles microfósiles, algunos de ellos con edades superiores a los 3.000 millones de años. El acceso a estos materiales para su estudio está facilitado por la diversidad de los afloramientos y la escasa vegetación de la zona.

2.       Análogo del Noeico (II)

RíoTinto, España. El Río Tinto se encuentra en la Faja Pirítica Ibérica (IPB), una formación geológica en el suroeste de España originada por actividad hidrotermal. El río Tinto fluye a través de los depósitos minerales de la IPB (principalmente hierro y sulfuros de cobre) hasta llegar al Océano Atlántico, dando lugar a la región ácida más grande del mundo. Las aguas del río Tinto tienen una alta concentración de ion férrico que mantiene la acidez de la solución (pH=2,3 de media) a lo largo de toda su longitud, a pesar de los cambios climáticos estacionales y la dilución debida a sus afluentes y la lluvia. La acidez extrema y la alta concentración de metales pesados ​​que se encuentran en el ecosistema del Tinto son la consecuencia directa de los procesos biológicos de los microorganismos oxidantes del hierro y del azufre que crecen en los depósitos de sulfuro metálico de la IPB. Se ha sugerido que las características geológicas del río y su entorno podrían ser similares a las de la región de Meridiani Planum (la zona de exploración del rover Opportunity) durante el Noeico.

3.       Análogo del Hespérico

La isla Axel Heiberg, en el archipiélago Ártico Canadiense. En las regiones del extremo norte del archipiélago Ártico Canadiense existen extensas acumulaciones de hielo masivo. Allí, el permafrost (mezcla de suelo y hielo) es denso y continuo, análogo al permafrost marciano. Estas características están presentes, por ejemplo, en las islas Ellesmere y Axel Heiberg. En Axel Heiberg existen diferentes manantiales de agua líquida que permanecen activos todo el año, incluso durante el invierno, soportando temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados; algunos de estos manantiales se mantienen activos por la presión con la que el agua circula bajo la superficie, mientras que otros son de naturaleza hidrotermal. Ambos procesos, y algunos otros como la presencia de salmueras, podrían ayudar a explicar la presencia local de agua líquida en Marte durante el Hespérico. La isla Axel Heiberg, además, proporciona un entorno adecuado en términos climáticos y de presencia de hielo para ensayar los procedimientos de perforación y manipulación de muestras que han de completar nuestros robots en Marte (Figura 2).

4.       Análogo del Amazónico (I)

Desierto de Atacama, Chile. Las evidencias geológicas y la mineralogía del suelo sugieren que las condiciones hiperáridas han persistido en el desierto de Atacama durante al menos 10-15 millones de años; además, el registro sedimentario indica que la región ha sufrido un clima árido desde el Triásico tardío, lo que le convierte en el desierto más antiguo de la Tierra. Hay cuatro características fundamentales que convierten a Atacama en un interesante análogo marciano: 1) los suelos son muy antiguos (hasta 2 millones de años), extremadamente secos, y ricos en un conjunto de sales solubles similares a las encontradas en Marte; 2) muestra niveles extremadamente bajos de materia orgánica; 3) sostiene concentraciones muy bajas de bacterias del suelo; y 4) el suelo oxida igualmente L- y D-aminoácidos y L- y D-azúcares, debido a la presencia de oxidantes no biogénicos. Una de las similitudes más fascinantes entre los suelos del desierto de Atacama y los suelos de Marte, que también está vinculada a la sequedad extrema, es la acumulación natural de percloratos en la superficie del suelo. Los suelos de Atacama contienen la mayor concentración de perclorato encontrada en suelos de la Tierra y puede ser casi tan alta como las concentraciones observadas por la sonda Phoenix  y el rover MSL en Marte. Además, el desierto de Atacama contiene densos (de decenas a cientos de metros) depósitos evaporíticos, que mantienen el registro de antiguas condiciones acuosas y que son similares a los depósitos de sales identificados recientemente sobre regiones relativamente grandes de las tierras altas del sur de Marte (Figura 1).

Figura 1: Atacama: El Salar de Atacama (Chile), situado a los pies del volcán Licancabur en la precordillera andina, a 2500 metros sobre el nivel del mar y extendido sobre casi 100 km², conserva todavía algunas acumulaciones de agua entre los vastos depósitos de sales, como se puede ver en la imagen de la izquierda. El salar es producto del afloramiento de aguas subterráneas que, saturadas de sales, se evaporan dejando costras ricas en sal y minerales. La sonda Mars Odyssey ha revelado la presencia de más de 200 depósitos de sales en depresiones de hasta 25 km² distribuidas sobre las tierras altas del sur de Marte. El origen de estos depósitos puede encontrarse en un proceso análogo al que forma el Salar de Atacama. La imagen de la derecha muestra: (A) una vista general de algunos depósitos marcianos, y (B) y (C) aproximaciones en detalle que permiten apreciar la formación de polígonos por desecación. Los depósitos aparecen con tonalidades brillantes. (Fotografía de Atacama: A.G. Fairén; Marte: NASA/JPL/Arizona State University/University of Hawaii/University of Arizona).

5.       Análogo del Amazónico (II)

University Valley, en la Antártida. La Antártida está cubierta de hielo casi por completo, pero hay varios lugares libres de hielo que han sido reconocidos como análogos del regolito marciano. Los Valles Secos de la Antártida son la mayor región sin hielo del continente. En general, los valles tienen un clima desértico frío, la temperatura media anual oscila entre -17ºC y -25ºC, y la precipitación media anual es de menos de 50 mm/m². University Valley es un pequeño valle situado en las montañas Quartermain, que contiene un campo de nieve permanente en un extremo y un suelo de permafrost en el fondo del valle. Una comparación entre el perfil del hielo bajo la superficie en University Valley y el perfil observado en el subsuelo del polo norte de Marte por la sonda Phoenix ofrece similitudes interesantes, como que en ambos lugares existe una capa de permafrost seco por encima del suelo de hielo macizo, que la cantidad de hielo en el suelo aumenta o disminuye debido al intercambio de vapor con la atmósfera (y no de agua líquida), y que las temperaturas en la parte superior del suelo de hielo pueden exceder los 273 K. Por lo tanto, el permafrost seco y el suelo de hielo de University Valley se pueden equiparar con los suelos de Marte. Además, el permafrost de University Valley no muestra signos de presencia de actividad microbiana que se pueda detectar con los métodos de los que disponemos actualmente: es el único lugar de nuestro planeta que la vida no ha podido colonizar.

Figura 2: Ártico: La fotografía superior izquierda muestra un terreno en forma de polígonos en la margen derecha del fiordo “Expedición”, en la isla Axel Heiberg (Canadá), formados por la contracción y expansión estacional del hielo subsuperficial derivada de los cambios en la temperatura del suelo. Los polígonos miden entre 15 y 20 metros de lado. A la derecha, un detalle de las zanjas que configuran los polígonos. La imagen inferior izquierda fue obtenida por la sonda Mars Global Surveyor cerca del polo sur de Marte (86.9°S, 170.6°W), y muestra polígonos similares a los terrestres en morfología y tamaño. A la derecha, una imagen de la zona de amartizaje de la sonda Phoenix, que muestra polígonos de entre 1.5 y 2.5 metros de lado. Estos polígonos tan pequeños indican que el hielo no se encuentra a gran profundidad, y que se han producido cambios importantes en la temperatura en superficie recientemente. (Fotografías de Axel Heiberg Island: A.G. Fairén; Marte: NASA/JPL).

Perspectivas

Las investigaciones de los análogos marcianos en la Tierra están proporcionando un mayor conocimiento sobre la evolución climática, geológica, geoquímica y mineralógica de la superficie marciana. Estas investigaciones mejorarán nuestra comprensión de la vida en ambientes extremos y la preservación de biomarcadores en la Tierra, así como de la posibilidad de la presencia y preservación de evidencias de vida extinta o presente en Marte.

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Bibliografía:

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Alberto González Fairén

Doctor en Biología Molecular

Investigador Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y Universidad Cornell.