La relación de la física con otras ciencias

3-1 Introducción
3-2 Química
3-3 Biología
3-4 Astronomía
3-5 Geología
3-6 Psicología
3-7 ¿Cómo se llegó a eso?
3- l Introducción
La física es la más fundamental y general de las ciencias, y ha tenido un profundo
efecto en todo el desarrollo científico. En realidad, la física es el equivalente actual de
lo que se acostumbra a llamar filosofía natural, de la cual provienen la mayoría de
nuestras ciencias modernas. Estudiantes de muchas disciplinas se encuentran
estudiando física a causa del papel básico que esta juega en todos los fenómenos. En
este capítulo trataremos de explicar cuáles son los problemas fundamentales en las
otras ciencias, pero, por supuesto, es imposible realmente tratar en un espacio tan
reducido las materias complejas, sutiles y hermosas de esos otros campos. La falta de
espacio también impide que discutamos la relación entre la física y la ingeniería, la
industria, la sociedad y la guerra, o aún la más notable relación entre la matemática y la
física. (La matemática no es una ciencia desde nuestro punto de vista, en el sentido que
no es una ciencia natural. El experimento no es una prueba de su validez.) Debemos,
incidentalmente, dejar en claro desde un comienzo que si una cosa no es una ciencia,
no es necesariamente mala. Por ejemplo, el amor no es una ciencia. De manera que, si
se dice que algo no es ciencia, no significa que hay a algo malo en esto; significa
simplemente que no es una ciencia.
3-2 Química
La ciencia quizás más profundamente afectada por la física es la química.
Históricamente, en su comienzo, la química trataba casi enteramente de lo que ahora
llamamos química inorgánica, la química de las sustancias que no están asociadas con
los objetos vivientes. Se necesitó de un análisis considerable para descubrir la
existencia de muchos elementos y sus relaciones --cómo forman los numerosos
compuestos relativamente simples que se encuentran en las rocas, la tierra, etc.-. Esta
química primitiva fue muy importante para la física. La interacción entre las dos
ciencias era muy grande porque la teoría de los átomos fue comprobada en gran parte
con experimentos de química. La teoría de la química, es decir, de las reacciones
mismas, fue resumida ampliamente en la tabla periódica de Mendeleev, la cual
establece numerosas relaciones extrañas entre los diversos elementos, y fue la
colección de reglas sobre qué sustancia se combina con cuál otra y cómo, lo que
constituyó la química inorgánica. Todas estas reglas se explicaron por fin, en principio,
por la mecánica cuántica, y por tanto, la química teórica es en realidad física. Por otrolado, debe hacerse énfasis en que esta explicación es en principio. Ya hemos discutido
la diferencia entre saber las reglas del juego de ajedrez y ser capaz de jugar. De manera
que podemos conocer las reglas, pero no podemos jugar muy bien. Resulta así muy
difícil predecir precisamente qué sucederá en una reacción química dada; sin embargo,
la parte más profunda de la química teórica debe terminar en la mecánica cuántica.
Hay también una rama de la física y la química que ambas ciencias desarrollaron
conjuntamente y que es en extremo importante. Este es el método estadístico aplicado a
una situación en que hay leyes mecánicas, que se llama propiamente, mecánica
estadística. Cualquier situación química implica un gran número de átomos y hemos
visto que los átomos se agitan todos en una forma complicada y casual. Si pudiéramos
analizar cada colisión y fuéramos capaces de seguir en detalle el movimiento de cada
molécula, esperaríamos poder deducir lo que sucede, pero enorme cantidad de datos
que se necesitan para seguir la trayectoria de todas esas moléculas exceden con mucho
la capacidad de cualquier computadora, y, por cierto, la capacidad de la mente, que fue
necesario desarrollar un método para tratar con tales situaciones complicadas. La
mecánica estadística es entonces la ciencia de los fenómenos del calor, o la
termodinámica. La química inorgánica es una ciencia, ahora reducida esencialmente a
lo que se llama la fisico-química y la química cuántica; la fisico-química para estudiar
las velocidades con que ocurren las reacciones y qué es lo que está sucediendo en
detalle (¿cómo chocan las moléculas? ¿Qué parte se rompe primero?, etc.), y la
química cuántica para ayudarnos a comprender lo que sucede en términos de las leyes
físicas.
La otra rama de la química es la química orgánica, la química de las sustancias que
están asociadas con los seres vivos. Por un tiempo se creyó que las sustancias que están
asociadas con las cosas vivientes eran tan maravillosas que no podían manufacturarse a
partir de materiales inorgánicos. Esto no es cierto, en absoluto; son exactamente lo
mismo que las sustancias hechas en química inorgánica. Pero tienen arreglos más
complicados de los átomos. Es evidente que la química orgánica tiene una relación
muy estrecha con la biología que provee sus sustancias y con la industria; más aún,
puede aplicarse mucha fisico-química y mecánica cuántica tanto a los compuestos
orgánicos como a los inorgánicos. Sin embargo, los principales problemas de la
química orgánica no están en esos aspectos, sino más bien en el análisis y síntesis de
las sustancias que se forman en los sistemas biológicos, en las cosas vivas. Esto
conduce imperceptiblemente, a pasos, hacia la bioquímica y luego a la biología misma,
o biología molecular.
3-3 Biología
Así llegamos a la ciencia de la biología, que es el estudio de las cosas vivas En los
primeros días de la biología, los biólogos tenían que tratar con problemas puramente
descriptivos de buscar qué cosas son vivas, y así, tenían sólo que contar cosas tales
como los pelos de las patas de las pulgas. Después que se resolvieron estos asuntos con
gran interés, los biólogos se dirigieron hacia la maquinaria interior de los cuerpos
vivos, primero desde un punto de vista global, naturalmente, porque se requiere algúnesfuerzo para entrar en los detalles más finos.
Había una interesante relación primaria entre la física y la biología en la cual la
biología ayudaba a la física en el descubrimiento de la conservación de la energía, lo
cual fue, por primera vez, demostrado por Mayer en conexión con la cantidad de calor
que recibe y cede una criatura viva
Si miramos más de cerca los procesos biológicos de los animales vivos, vemos
muchos fenómenos físicos: la circulación de la sangre, bombas, presión, etc. Hay
nervios: sabemos qué es lo que pasa cuando pisamos una piedra puntiaguda, y que de
una manera u otra la información va desde la pierna hacia arriba. Es interesante cómo
sucede. En sus estudios sobre los nervios, los biólogos han llegado a la conclusión que
los nervios son tubos muy finos con una compleja pared muy delgada; a través de esta
pared la célula bombea iones; así, hay iones positivos en el exterior y negativos en el
interior, como en un capacitor. Ahora bien, esta membrana tiene una propiedad
interesante; si se "descarga" en un lugar, es decir, si algunos iones son capaces de
atravesar en algún lugar de manera que allí se reduce el voltaje eléctrico, dicha
influencia eléctrica se hace sentir sobre los iones vecinos y afecta la membrana de tal
manera, que deja pasar también los iones en los puntos vecinos. Esto a su vez la afecta
más allá, etc., y así hay una onda de "penetrabilidad" de la membrana que recorre la
fibra cuando se "excita" en un punto, al pararse sobre una piedra puntiaguda. Esta onda
es algo análogo a una larga secuencia de fichas de dominó verticales; si se empuja la
del extremo, esta empuja a la próxima, etc. Por cierto, esto transmitirá solamente un
mensaje, a no ser que las fichas de dominó se paren de nuevo; en forma análoga, en una
célula nerviosa hay procesos que bombean lentamente de nuevo los iones hacia afuera
para que el nervio quede listo para el próximo impulso. Así es como sabemos lo que
estamos haciendo (o por lo menos dónde estamos). Por supuesto, los efectos eléctricos
asociados con este impulso nervioso pueden captarse con instrumentos eléctricos y,
debido a que son efectos eléctricos, es evidente que la física de los efectos eléctricos ha
tenido mucha influencia en la comprensión del fenómeno.
El efecto opuesto es que, desde algún lugar del cerebro, se envía hacia afuera un
mensaje a lo largo de un nervio. ¿Qué sucede en el extremo del nervio? Allí el nervio
se ramifica en hilitos finos, conectadas a una estructura cerca de un músculo llamada
placa terminal. Por razones que no se comprenden con exactitud, cuando un impulso
llega al término del nervio, se eyectan pequeños paquetes (cinco a diez moléculas de
una vez) de un compuesto químico llamado acetilcolina que afectan la fibra muscular y
la hacen contraerse -¡Cuán simple! ¿Qué hace que se contraiga un músculo? Un
músculo es un número muy grande de fibras muy cerca unas de otras, que contiene dos
sustancias diferentes, miosina y actomiosina, pero el mecanismo mediante el cual la
reacción química inducida por la acetiilcolina puede modificar las dimensiones de la
molécula es aún desconocido. Así, los procesos fundamentales en el músculo que
producen los movimientos mecánicos no se conocen.
La biología es un campo tan enorme y vasto que hay montones de otros problemas que
ni siquiera podemos mencionar:- problemas de cómo funciona la visión (qué produce laluz en el ojo), cómo funciona el oído, etc. (La forma en que funciona el pensamiento la
discutiremos más tarde bajo psicología). Bien, esas cosas concernientes a la biología
que hemos discutido aquí no son, desde un punto de vista biológico, realmente
fundamentales en el fondo de la vida, en el sentido que aun si las comprendiéramos
todavía no comprenderíamos la vida misma. Para dar un ejemplo: los hombres que
estudian los nervios estiman que su trabajo es muy importante porque, después de todo,
usted no puede tener animales sin nervios, Pero se puede tener vida sin nervios. Las
plantas no tienen ni nervios ni músculos, pero están funcionando, están igualmente
vivas. Así, para los problemas fundamentales de la biología debemos observar más
profundamente; cuando lo hacemos así, descubrimos que todos los seres vivientes
tienen un gran número de características en común. El rasgo más común es que están
hechos de células, dentro de cada una de las cuales hay un mecanismo complejo para
hacer cosas químicamente. En las células de las plantas, por ejemplo hay un
mecanismo para recoger luz y generar sacarosa, la que se consume en la oscuridad para
mantener la planta viva. Cuando el animal se come la planta, la sacarosa genera una
serie de reacciones químicas muy estrechamente relacionadas con la fotosíntesis (y su
efecto opuesto en la oscuridad) en las plantas.
Fig. 3-1. El ciclo de Krebs
En las células de los sistemas vivos hay muchas reacciones químicas complicadas
que transforman un compuesto en otro y otro. Para dar una idea del enorme esfuerzo
que se ha hecho en el estudio de la química, el cuadro en la figura 3-1 resume nuestro
conocimiento actualizado sobre solo una pequeña parte de las muchas series de
reacciones que ocurren en las células, quizás un pequeño porcentaje o algo así de ellas.
Aquí vemos una serie entera de moléculas que cambian de una a otra en una
secuencia o ciclo de pasos más bien pequeños. Se le llama el ciclo Krebs, el ciclorespiratorio. Cada uno de los compuestos químicos y cada uno de los pasos es bastante
simple, en función de qué cambios se hacen en la molécula, pero --y esto es un
descubrimiento central importante en bioquímica- estos cambios son relativamente
difíciles de realizar en un laboratorio. Si tenemos una sustancia y otra muy similar a la
primera no se convierte simplemente en la otra porque las dos formas están
corrientemente separadas por una barrera o "colina" de energía. Consideren esta
analogía: si queremos trasladar un objeto de un lugar a otro que está en el mismo nivel
pero en el otro lado de una colina, podemos empujarlo por encima de la cumbre; pero
hacerlo así requiere que se le agregue alguna energía. Por tanto, la mayoría de las
reacciones químicas no ocurren, porque hay lo que se llama una energía de activación
de por medio. Para agregar un átomo extra a nuestro compuesto químico se necesita
que lo acerquemos lo suficiente para que pueda ocurrir un reordenamiento; entonces se
pegará. Pero si no podemos darle suficiente energía para acercarlo lo necesario, no se
alcanzará el propósito: hará parte del camino hacia arriba de la colina y rodará hacia
abajo de nuevo. Sin embargo, si pudiéramos literalmente coger las moléculas con
nuestras manos y apretar y estirar los átomos de tal manera que abramos un hueco para
permitir la entrada del nuevo átomo, y luego dejarlos acomodarse, habríamos
encontrado otro camino alrededor de la colina, que no necesitaría energía extra, y la
reacción procedería fácilmente. Ahora, en la realidad, hay en las células moléculas muy
grandes, mucho más grandes que de las que estamos describiendo, que en alguna forma
complicada sujetan a las moléculas pequeñas en forma adecuada para que la reacción
pueda realizarse fácilmente. Esas cosas muy grandes y complicadas se llaman enzimas.
(En un principio, se llamaron fermentos porque se descubrieron originalmente en la
fermentación del azúcar. En realidad, algunas de las primeras reacciones en el ciclo
fueron descubiertas allí.) La reacción procederá en presencia de una enzima.
Una enzima está hecha de otra sustancia llamada proteína. Las enzimas son muy
complicadas y cada una es diferente, estando cada una construida para controlar cierta
reacción especial Los nombres de las enzimas están escritos en la figura 3-1 en cada
reacción. (Algunas veces la misma enzima puede controlar dos reacciones.) Hacemos
énfasis en que las enzimas mismas no se afectan directamente por la reacción. No
cambian: solamente dejan pasar un átomo de un lugar a otro. Habiendo hecho esto, la
enzima esta lista para repetirlo con la próxima molécula, como una máquina de una
fabrica. Por cierto, debe haber un suministro de ciertos átomos y una forma de eliminar
otros átomos. Tómese el hidrógeno por ejemplo: hay enzimas que poseen unidades
especiales que transportan el hidrógeno para todas las reacciones químicas. Por
ejemplo hay tres o cuatro enzimas hidrogeno-reductoras que se usan en diferentes
lugares sobre todo nuestro ciclo. Es interesante que el mecanismo que libera hidrogeno
en algún lugar, tomará aquel hidrogeno y lo usará en algún otro lugar.
La característica más importante del ciclo de la figura 3-1 es la transformación de
GDP en GTP (di-fosfato de guanidina en trifosfato de guanidina) porque una sustancia
contiene mucha más energía que la otra. Así como hay una "caja" en ciertas enzimas
para transportar átomos de hidrogeno, hay ciertas "cajas" transportadoras de energía
que contienen el grupo trifosfato. Como la GTP tiene más energía que la GDP y el
ciclo funciona en una dirección, estamos produciendo moléculas que tienen una energíaextra que puede movilizar otro ciclo que requiere energía, por ejemplo la contracción
de un músculo. El músculo no se contraerá a no ser que haya GTP. Podemos tomar
fibra muscular, ponerla en agua y agregar GTP, y las fibras se contraerán
transformando GTP en GDP si está presente la enzima correcta. Así el sistema real está
en la transformación GDP-GTP; en la oscuridad la GTP, que se ha estado almacenando
durante el día, se usa para producir el ciclo completo en la otra dirección. Una enzima,
ustedes ven, no se preocupa en que dirección procede la reacción pues, si lo hiciera,
violaría una de las leyes de la física.
La física es de gran importancia en la biologia y otras ciencias por otra razón aún,
que tiene que ver con técnicas experimentales. En realidad, si no fuera por el gran
desarrollo de la física experimental, estos cuadros bioquímicos no se conocerían hoy.
La razón es que la herramienta más útil de todas para el análisis de este sistema
fantásticamente complejo es marcar los átomos que se usan en las reacciones. Así, si
pudiéramos introducir en el ciclo algún dióxido de carbono que tiene una "marca
verde", y luego medir después de tres segundos donde está la marca verde, y de nuevo
medir después de 10 segundos, etc., podríamos seguir el curso de las reacciones. ¿Qué
son las "marcas verdes"? Son isótopos diferentes. Recordemos que las propiedades
químicas de los átomos están determinadas por el número de electrones, no por la masa
del núcleo. Pero puede haber, en el carbono por ejemplo, seis neutrones o siete
neutrones junto con los seis protones que tienen todos los núcleos de carbono.
Químicamente, los dos átomos C
l2
y C
13

son iguales, pero difieren en peso y tienen
propiedades nucleares diferentes, y por eso son distinguibles. Usando estos isótopos de
pesos diferentes, o aún isótopos radioactivos como el C
14
, que provee un medio más
sencillo para seguir cantidades muy pequeñas, es posible seguir las reacciones.
Ahora volvemos a la descripción de enzimas y proteínas. Todas las proteínas no son
enzimas, pero todas las enzimas son proteínas. Hay muchas proteínas, tales como las
proteínas de los músculos, las proteínas estructurales que están, por ejemplo, en los
cartílagos, pelo, piel, etc., que no son enzimas en sí mismas. Sin embargo, las proteínas
son una sustancia muy característica de la vida: en primer lugar forman todas las
enzimas, y, segundo, forman gran parte del resto de la materia viviente. Las proteínas
tienen una estructura muy interesante y simple. Son una serie, o cadena, de diferentes
aminoácidos. Hay veinte aminoácidos diferentes, y todos ellos pueden combinarse
entre sí para formar cadenas cuya espina dorsal es CO-NH, etc. Las proteínas no son
otra cosa que cadenas de varios de estos veinte aminoácidos. Cada uno de los
aminoácidos sirve probablemente para algún propósito especial. Algunos, por ejemplo,
tienen un átomo de azufre en cierto lugar; cuando dos átomos de azufre están en la
misma proteína, forman un enlace, esto es, unen la cadena en dos puntos y forman un
anillo. Otro tiene átomos de oxígeno extra que lo hace una sustancia ácida, otro tiene
una característica básica. Algunos tienen grandes grupos colgando hacia afuera por un
lado, de modo que ocupan mucho espacio. Uno de los aminoácidos llamado prolina no
es realmente un aminoácido, sino un iminoácido. Esta pequeña diferencia produce
como resultado que, cuando la prolina esta en la cadena, ésta se retuerce. Si
quisiéramos producir una proteína en particular, daríamos estas instrucciones: coloque
uno de esos ganchos de azufre aquí; luego agregue algo que ocupe lugar; luego peguealgo para poner una rosca en la cadena. En esta forma obtendremos una cadena de
aspecto complicado, enganchada a sí misma y con una estructura compleja;
presumiblemente ésta es precisamente la manera como se forman todas las variedades
de enzimas. Uno de los grandes triunfos en los tiempos recientes (desde 1960), fue
descubrir por fin la disposición atómica espacial exacta de ciertas proteínas, que
contienen unos 56 a 60 aminoácidos en hilera. Más de un millar de átomos (más
cercano a dos mil, si contamos los átomos de hidrógeno) se han localizado en una
estructura compleja en dos proteínas. La primera fue la hemoglobina. Uno de los
aspectos tristes de este descubrimiento es que no podemos ver cosa alguna en esta
estructura; no comprendemos cómo funciona y la forma en que lo hace. Por cierto, ese
es el próximo problema por resolver.
Otro problema es: ¿cómo saben las enzimas qué cosa son? Una mosca de ojos rojos
forma una mosca de ojos rojos, y así la información de la estructura entera de enzimas
para hacer un pigmento rojo debe pasar de una mosca a la siguiente. Esto es hecho por
una sustancia en el núcleo de la célula, no una proteína, llamada ADN (abreviación de
ácido desoxirribonucleico). Esta es la sustancia clave que pasa de una célula a otra (por
ejemplo, las células de semen consisten principalmente en ADN) y lleva la información
de cómo hacer las enzimas. El ADN es el "programa" ¿Qué aspecto tiene el programa y
cómo funciona? Primero, el programa debe ser capaz de reproducirse a sí mismo.
Segundo, debe ser capaz de instruir a las proteínas. Respecto a la reproducción,
podemos pensar que procede como en la reproducción celular. Las células simplemente
aumentan de tamaño y luego se dividen por la mitad. ¿Deberá ser así con las moléculas
de ADN, por tanto, que también aumenten de tamaño y se dividan por la mitad? ¡Cada
átomo, por supuesto, no aumenta de tamaño y se divide por la mitad! No, es imposible
reproducir una molécula excepto de un modo algo más inteligente.
La estructura de la sustancia ADN fue estudiada por largo tiempo, primero
químicamente para encontrar la composición, y luego con rayos X para encontrar la
estructura en el espacio. El resultado fue el siguiente descubrimiento notable: la
molécula de ADN es un par de cadenas enrolladas una sobre la otra. La espina dorsal
de cada una de estas cadenas, que son análogas a las cadenas de las proteínas pero
químicamente bastante diferentes, es una serie de grupos azúcar y fosfato, como se
muestra en la figura 3-2. Ahora vemos cómo la cadena puede contener instrucciones,
pues si pudiéramos dividir esta cadena por la mitad, tendríamos un gene BAIDC... y
cada cosa viviente podría tener una serie diferente. Así, tal vez, de alguna manera, las
instrucciones específicas para la manufactura de proteínas están contenidas en la serie
específica del ADN.Fig. 3-2. Diagrama esquemático del ADN.
Unidos a cada azúcar a lo largo de la línea y ligando las dos cadenas entre sí, hay
ciertos pares de uniones enlazadas. Sin embargo, no son todas de la misma naturaleza;
hay cuatro tipos, llamados adenina, timina, citosina y guanina, pero llamémoslas A, B,
C. y D. Lo interesante es que solo ciertos pares pueden situarse uno opuesto al otro, por
ejemplo A con B y C con D. Estos pares están puestos en ambas cadenas de tal manera
que ''encajan entre sí'' y tienen una fuerte energía de interacción Sin embargo, C no
encajará con A, y B no encajará con C; solo encajarán en pares, A con B, y C con D.
Por lo tanto, si uno es C, el otro debe ser D, etc. Cualesquiera sean las letras en una
cadena, cada una debe tener una letra complementaria específica en la otra cadena.
¿Qué pasa entonces con la reproducción? Supóngase que separamos esta cadena en
dos. ¿Cómo podemos hacer otra exacta a ésta? Si, en el interior de las células hay un
departamento productor que entrega fosfato, azúcar y unidades de A, B, C, D, que no
están conectadas en cadena, los únicos que se unirán a nuestra cadena separada serán
los correctos, los complementos de BAADC..., es decir, ABBCD... Por tanto, lo que
sucede es que la cadena se divide por la mitad durante la división celular, una mitad
que terminará con una célula y la otra mitad que terminará en la otra célula; cuando se
separan, se forma una nueva cadena complementaria de cada mitad de cadena.
A continuación viene la pregunta, precisamente, ¿cómo determina el orden de las
unidades A, B, C, D la disposición de los aminoácidos en la proteína? Este es el
problema central no resuelto actualmente en biología. Las primeras claves o partes de
información, sin embargo, son estas: hay en la célula pequeñísimas partículas llamadas
microsomas, y se sabe ahora que éste es el lugar donde se fabrican las proteínas. Pero
los microsomas no están en el núcleo, donde están el ADN y sus instrucciones. Algo
debe suceder. Sin embargo, también se sabe que pequeñas piezas moleculares se
desprenden del ADN --no tan largas como la gran molécula de ADN que lleva toda la
información en sí misma, pero como una pequeña sección de ella--. Esta se llama
RNA, pero no es lo esencial. Es una especie de copia de ADN, una copia resumida. El
RNA, que en cierta forma lleva un mensaje acerca de qué proteína debe fabricar, vahacia el microsoma. Eso se sabe. Cuando llega allí, la proteína se sintetiza en el
microsoma. Esto también se sabe. Sin embargo, los detalles de cómo los aminoácidos
entran y se ordenan de acuerdo con el código que esta contenido en el RNA, son, hasta
ahora, desconocidos. No sabemos cómo leerlo. Si conociéramos, por ejemplo, la
"alineación" A, B, C, C, A, no podríamos decir qué proteína se producirá.
Por cierto, ninguna otra ciencia o campo está progresando más en tantos nuevos
frentes, en el momento presente, como la biología, y si tuviéramos que escoger la
suposición más poderosa de todas que se aproxime más y más a comprender la vida, es:
todas las cosas están hechas de átomos, y todo lo que las cosas vivas hacen, puede
comprenderse en términos de las agitaciones y movimientos de los átomos.

3-4 Astronomía

En esta rápida visión del mundo entero, pasemos ahora a la astronomía. La
astronomía es más antigua que la física. En realidad, dio origen a la física al mostrar la
hermosa simplicidad del movimiento de las estrellas y planetas, cuya comprensión fue
el comienzo de la física. Pero el descubrimiento más notable de toda la astronomía es
que las estrellas están hechas de átomos de la misma naturaleza de los que
encontramos en la tierra.*
• ¡Qué manera de precipitarme a través de esto! ¡Cuánto contenido tiene cada frase de esta
breve historia! Las estrellas están hechas de los mismos átomos que los de la tierra. De
ordinario, utilizo un tópico como este para dictar una clase. Los poetas dicen que la
ciencia elimina la belleza de las estrellas --meros globos de átomos de gas--. Nada es
"mero". Yo también puedo ver las estrellas en una noche despejada y sentirlas. ¿Pero veo
yo más o menos? La vastedad de los cielos ensancha mi imaginación, anclado en este
puerto, mi pequeño ojo puede recoger luz de un millón de años de edad. Una vasta
estructura de la cual yo soy una parte- quizás alguna estrella olvidada expulsó el material
de mi cuerpo como el que está expulsando una allí. O verlas con el ojo más grande de
Palomar, apartándose desde un punto común de partida donde quizás estuvieron todas
juntas. ¿Cuál es la estructura o el significado, o el por qué? No le hace daño al misterio
conocer un poco de él. ¡Porque la verdad es mucho más maravillosa de lo que algún artista
en el pasado imaginó! ¿Por qué los poetas del presente no hablan de ella? ¿Qué hombres
son los poetas que pueden hablar de Júpiter como si fuera un hombre, pero si es una
inmensa esfera rotante de metano y amoníaco deben permanecer mudos?
(Cómo se llegó a ésto? Los átomos liberan luz que tiene frecuencias definidas, algo así
como instrumento musical que tiene tonos definidos o frecuencias de sonido. Cuando
escuchamos varios tonos diferentes podemos distinguirlos, pero cuando miramos con
nuestros ojos una mezcla de colores no podemos distinguir los colores que la
componen, porque el ojo no puede, ni cercanamente, discernir como el oído, en este
respecto. Sin embargo, con un espectroscopio podemos analizar las frecuencias de las
ondas luminosas y de esa manera podemos ver los tipos de átomos que hay en las
diferentes estrellas. De hecho, dos elementos químicos se descubrieron en una estrella
antes que se encontraran en la tierra. El helio se descubrió en el sol, de ahí su nombre, y
el tecnecio se descubrió en ciertas estrellas frías. Esto, por supuesto, nos permiteprogresar en comprender por qué las estrellas están hechas de los mismos tipos de
átomos que existen en la tierra. Ahora sabemos mucho acerca de los átomos,
especialmente en cuanto a su comportamiento bajo condiciones de alta temperatura,
pero no de alta densidad: así podemos analizar con la mecánica estadística el
comportamiento de la sustancia estelar. Aun cuando no podemos reproducir las
condiciones en la tierra usando leyes básicas de la física, podemos decir, a menudo con
precisión, o muy aproximadamente, qué sucederá.
Así es como la física ayuda a la astronomía. Por extraño que parezca,
comprendemos la distribución de materia en el interior del sol mucho mejor que lo que
comprendemos el interior de la tierra. Lo que sucede en el interior de una estrella se
comprende mejor que lo que pudiera adivinarse de la dificultad de tener que mirar un
pequeño punto luminoso a través de un telescopio, porque podemos calcular qué deben
hacer los átomos en las estrellas en la mayoría de las circunstancias.
Uno de los descubrimientos más impresionantes fue el origen de la energía de las
estrellas, qué hace que continúen quemándose. Uno de los hombres que descubrió esto
había salido con su amiga la noche siguiente de haberse dado cuenta que en las estrellas
se debían estar produciendo reacciones nucleares para que brillaran. Ella dijo: "Mira
qué bonito brillan las estrellas" El dijo: "Sí, y justamente ahora, soy el único hombre en
el mundo que sabe por qué brillan". Ella simplemente se rió. No le impresionaba haber
salido con el único hombre del mundo que, en ese momento, sabía por qué brillan las
estrellas. Bueno, es triste estar solo, pero así son las cosas.
Es la "combustión" nuclear del hidrógeno la que suministra la energía del sol; el
hidrógeno se convierte en helio. Además, en última instancia, la producción de los
diversos elementos químicos se lleva a cabo en los centros de las estrellas a partir del
hidrógeno. El material del que estamos hechos nosotros fue "cocinado" alguna vez en
una estrella y expulsado fuera. ¿Cómo lo sabemos? Porque hay una clave. La
proporción de los diferentes isótopos (cuánto C
12
, cuánto C
13
, etc.) es algo que nunca
cambia en las reacciones químicas, porque las reacciones químicas son tan idénticas
para las dos. Las proporciones son puramente el resultado de reacciones nucleares.
Observando las proporciones de los isótopos en el rescoldo frío y apagado en que
estamos, podemos descubrir cómo fue el horno donde se formaron los materiales de
que estamos hechos. Aquel horno fue como las estrellas, y por tanto es muy probable
que nuestros elementos se "hicieron" en las estrellas y arrojados en las explosiones que
llamamos novas y supernovas. La astronomía esta tan cerca de la física que
estudiaremos muchas cosas astronómicas a medida que avancemos.
3-5 Geología
Ahora pasemos a lo que se llama ciencias de la tierra, o geología. Primero la
meteorología y el tiempo. Por cierto, que los instrumentos de meteorología son
instrumentos físicos, y el desarrollo de la física experimental hizo posible estosinstrumentos, como se explicó anteriormente. Sin embargo, la teoría de la meteorología
nunca ha sido investigada satisfactoriamente por los físicos. Bien, dirán ustedes, no hay
otra cosa que aire, y conocemos las ecuaciones de los movimientos del aire". Eso es
cierto. Así, si sabemos las condiciones del aire de hoy, ¿por qué no podemos calcular
las condiciones del aire de mañana?'- Primero, no sabemos realmente cuál es la
condición de hoy, porque el aire esta arremolinándose y dando vueltas por todas partes.
Resulta ser muy susceptible y aún inestable. Si han visto alguna vez correr suavemente
el agua sobre una represa y luego convertirse en un gran número de burbujas y gotas
cuando sale, comprenderán lo que quiero decir con inestable. Ustedes conocen la
condición del agua antes de salir del vertedero; es perfectamente tranquila; pero en el
momento que comienza a caer, ¿dónde empiezan las gotas? ¿Qué determina lo grande
que van a ser y dónde estarán? Esto no se sabe, porque el agua es inestable. Una masa
de aire moviéndose suavemente sobre una montaña se convierte en complejos
remolinos y torbellinos- En muchos campos encontramos esta situación de flujo
turbulento que no podemos analizar actualmente- ¡Dejemos rápidamente el asunto del
tiempo y discutamos sobre geología!
El asunto básico para la geología es: ¿Qué hace que la tierra sea lo que es? Los
procesos más obvios están al frente de nuestros ojos, los procesos de erosión de los
ríos, los vientos, etc. Es bastante fácil comprenderlos, pero por cada poco de erosión
hay algo más que esta sucediendo. Las montañas no son más bajas hoy en promedio de
lo que fueron en el pasado. Debe haber procesos formadores de montañas Encontrarán,
si estudian geología, que hay procesos formadores de montañas y volcanismo, que
nadie comprende pero que son la mitad de la geología. El fenómeno de los volcanes no
se comprende realmente. Lo que produce un terremoto, a la postre, no se comprende.
Se comprende que si hay algo empujando a otra cosa, cede repentinamente y se desliza
--eso esta bien--. Pero ¿Qué es lo que empuja, y por qué? La teoría es que hay
corrientes en el interior de la tierra --corrientes circulantes debido a la diferencia de
temperatura interior y exterior--, las cuales en su movimiento empujan ligeramente la
superficie. Así, si hay dos circulaciones opuestas vecinas, la materia se acumula en la
región donde se juntan y forman cadenas de montañas que están en condiciones
desafortunadas de tensión y así producen volcanes y terremotos.
¿Que pasa en el interior de la tierra? Mucho se sabe acerca de la velocidad de las ondas
sísmicas a través de la tierra y la distribución de densidades de la tierra Sin embargo,
los físicos han sido inca paces de obtener una buena teoría sobre lo densa que deberá
ser una sustancia a las presiones que se esperaría en el centro de la tierra. En otras
palabras, no podemos calcular las propiedades de la materia en dichas circunstancias.
Lo hacemos mucho menos bien con la tierra que lo hacemos con las condiciones de la
materia en las estrellas. La matemática implicada parece ser un poco difícil, hasta
ahora, pero quizás no pasara mucho tiempo antes de que alguien se dé cuenta que es un
problema importante y que realmente lo solucione. El otro aspecto, por cierto, es que
aun si supiéramos la densidad, no podríamos calcular las corrientes de circulación.
Tampoco podemos realmente deducir las propiedades de las rocas a elevadas presiones.
No podemos decir con que rapidez las rocas cederán; todo eso debe resolverse por
medio de experimentos.3-6 Psicología
Consideremos a continuación la ciencia de la psicología. Incidentalmente, el
psicoanálisis no es una ciencia: en el mejor de los casos es un proceso medico, o quizás
aún brujería. Tiene una teoría acerca de qué produce la enfermedad --muchos
"espíritus'' diferentes, etc.-. El hechicero tiene una teoría de que una enfermedad como
la malaria esta causada por un espíritu que viene del aire- no se sana agitando una
culebra sobre él; en cambio, la quinina sí ayuda la malaria. Así, si están enfermos, yo
les aconsejaría que vayan al hechicero, porque es el hombre en la tribu que sabe más
acerca de enfermedades; por otro lado, su conocimiento no es ciencia. El psicoanálisis
no ha sido cuidadosamente comprobado por el experimento, y no hay manera de
encontrar una lista del número de casos en los que funciona, el número de casos en los
que no funciona, etc.
Las otras ramas de la psicología, que implican cosas como la fisiología de las
sensaciones --qué sucede en el ojo, y qué sucede en el cerebro- son, si quieren, menos
interesantes. Pero cierto progreso, pequeño pero real, se ha logrado al estudiarlas. Uno
de los progresos técnicos más interesantes puede ser o no, llamado psicología. El
problema central de la mente, si quieren, o del sistema nervioso es este: cuando un
animal aprende algo, puede hacer algo diferente de lo que podía hacer antes y sus
células cerebrales deben haber cambiado también, si es que está hecho de átomos.
¿En qué sentido es diferente? No sabemos dónde mirar, o qué buscar, cuando algo se
memoriza. No sabemos qué significa o qué cambio hay en el sistema nervioso cuando
se aprende una realidad. Este es un problema muy importante que no ha sido resuelto.
Suponiendo, sin embargo, que existe algo como la memoria, el cerebro es una masa tan
enorme de alambres y nervios interconectados que probablemente no puede ser
analizado en una forma directa. Hay una analogía de esto con las máquinas
computadoras y los elementos de computación, en que también tienen muchas líneas, y
que tienen algún tipo de elemento análogo, quizás, a la sinapsis o conexión de un
nervio con otro. Esto es una materia muy interesante que no tenemos tiempo de discutir
con más detalle --las relaciones entre el pensamiento y las máquinas computadoras--.
Debe apreciarse, por cierto, que esta materia nos dirá muy poco acerca de las
complejidades reales del comportamiento humano ordinario. Todos los seres humanos
son tan diferentes. Pasará mucho tiempo antes que lleguemos ahí. Debemos empezar
mucho más taras. Si pudiéramos siquiera deducir como funciona un perro, habríamos
avanzado bastante. Los perros son más fáciles de comprender, pero nadie aún sabe
como funcionan los perros.
3-7 ¿Cómo se llegó a eso?
Para que la física sea útil a las otras ciencias en una forma teórica, que no sea la
invención de instrumentos, la ciencia en cuestión debe suministrar al físico una
descripción del tema en el lenguaje del físico. Ellos pueden decir: ''¿por qué salta una
rana? Y el físico no puede contestar. Si ellos le dicen lo que es una rana; que hay tantasmoléculas; que hay un nervio aquí, etc., eso es diferente. Si ellos nos dijeran, más o
menos, a qué se parecen la tierra y las estrellas, entonces podemos resolver lo. Para que
la teoría física sea de alguna utilidad, debemos saber exactamente dónde están
colocados los átomos. Para comprender la química, debemos saber exactamente qué
átomos están presentes, pues de lo contrario no podemos analizarla. Esta es solamente
la primera limitación, por supuesto.
Hay otro tipo de problema en las ciencias hermanas, que no existe en la física;
podemos llamarlo, a falta de un término mejor, el asunto histórico. ¿Cómo se llego a
ego? Si comprendemos todo acerca de la biología, quisiéramos saber cómo aparecieron
todas las cosas que hay en la tierra. Existe la teoría de la evolución, una parte
importante de la biología. En geología, no solo queremos saber cómo se están
formando las montañas, sino cómo se formo la tierra entera en el comienzo, el origen
del sistema solar, etc. Esto, por supuesto, nos conduce a querer saber qué tipo de
materia existía en el mundo. ¿Cómo evolucionan las estrellas? ¿Cuales fueron las
condiciones iniciales? Este es el problema de la historia de la astronomía.
Se ha descubierto mucho acerca de la formación de las estrellas, de la formación de los
elementos de los cuales estamos hechos y hasta un poco acerca del origen del universo.
No hay problemas históricos que se estén estudiando en la física actualmente. No
tenemos una pregunta: Aquí están las leyes de la física, ¿cómo se llego a ellas? No nos
imaginamos, por ahora, que las leyes de la física estén en cierto modo cambiando con
el tiempo, que en el pasado fueran diferentes de lo que son en el presente. Por supuesto
que puede ser, y en el momento en que encontremos que sí lo están, la pregunta
histórica de la física estará ligada con el resto de la historia del universo y entonces los
físicos estarán hablando de los mismos problemas que los astrónomos, los geólogos y
los biólogos.
Finalmente, hay un problema físico que es común a muchos campos, que es muy viejo
y que no ha sido resuelto. No es el problema de encontrar nuevas partículas
fundamentales, sino algo que quedo desde hace mucho tiempo atrás --más de cien
años--. Nadie en la física ha sido realmente capaz de analizarlo matemáticamente en
forma satisfactoria a pesar de su importancia para las ciencias hermanas. Es el análisis
de fluidos circulantes o turbulentos. Si observamos la evolución de una estrella, se
llega a un punto donde podemos deducir que va a comenzar la convección, y a partir de
esto ya no podemos deducir qué va a pasar. Unos pocos millones de años más tarde la
estrella hace explosión, pero no podemos explicar la razón.
No podemos analizar el tiempo. No conocemos los esquemas de los movimientos que
debería haber en el interior de la tierra. La forma más simple del problema es tomar una
tubería muy larga y hacer fluir agua a través de ella a gran velocidad. Preguntamos:
para hacer fluir una cantidad dada de agua a través de esa tubería, ¿cuanta presión se
necesita? Nadie puede analizarlo partiendo de primeros principios y de las propiedades
del agua. Si el agua fluye muy lentamente, o si usamos algo espeso como la miel,
entonces podemos calcularlo exactamente. Ustedes lo encontraran en su texto. Lo queno podemos realmente hacer es tratar con agua real y fresca que corre a través de una
tubería. Este es el problema central que deberíamos resolver algún día y que no lo
hemos hecho.
Decía una vez un poeta: El universo entero esta en un vaso de vino''. Probablemente
nunca sabremos lo que quería decir, pues los poetas no escriben para ser comprendidos.
Pero es cierto que si miramos un vaso de vino lo suficientemente cerca, vemos el
universo entero. Ahí están los temas de la física: el líquido que se arremolina y se
evapora dependiendo del viento y del tiempo, las reflexiones en el vidrio, y nuestra
imaginación agrega los átomos. El vidrio es un destilado de las rocas terrestres y en su
composición vemos los secretos de la edad del universo y la evolución de las estrellas.
¿Qué extraño arreglo de elementos químicos hay en el vino? ¿Cómo se formaron?
Están los fermentos, las enzimas, los substratos y sus productos. Allí en el vino se
encuentra la gran generalización: toda vida es fermentación. Nadie puede descubrir la
química del vino sin descubrir, como lo hizo Louis Pasteur, la causa de muchas
enfermedades. ¡Cuán vivido es el vino tinto que imprime su existencia dentro del
conocimiento de quien lo observa! ¡Si nuestras pequeñas mentes, por conveniencia,
dividen este vaso de vino, este universo, en partes- física, biología, geología,
astronomía, psicología, etc.- recuerden que la naturaleza no lo sabe! Así, unamos todo
de nuevo, sin olvidar en última instancia para qué sirve. Dejemos que nos dé un placer
final más: ¡bébanlo y olvídense de todo!

GUILLERMO ALEXANDER HERRERA RODRIGUEZ CI:83636459
0244706T - ELECTRÓNICA DEL ESTADO SOLIDO SECC:01