A hombros de gigantes

"El pasado es un pa¨ªs extranjero", escribi¨® L. P. Hartley en su libro The Go-Between. En un sentido estricto, sin duda es, efectivamente, extranjero, extra?o, pero no por ello debemos dejar de intentar reconstruir ese pasado, formarnos una idea de lo que ocurri¨® antes de nosotros, esforzarnos por imaginar lo que pensaban y sent¨ªan, sufr¨ªan o gozaban, quienes nos precedieron. No se trata s¨®lo de curiosidad, ni tampoco de algo parecido a cumplir un compromiso moral con aquellos sobre cuyos hombros estamos subidos, sino tambi¨¦n de extraer lecciones que nos puedan ser valiosas para el presente, y, sobre todo, para el futuro.

Pues bien, en esa tarea tan resbaladiza y sutil que es reconstruir el pasado son muchos y muy diversos los elementos a los que es preciso recurrir. Entre ellos se encuentra, naturalmente, la ciencia. Y la f¨ªsica, cuyo A?o Internacional estamos celebrando (justificadamente, pues ?qu¨¦ otra disciplina ha contribuido m¨¢s que ella a cambiar el mundo?), es adem¨¢s una aliada especialmente poderosa de la tecnolog¨ªa. Una ciencia que se ocupa, en su origen, en lo m¨¢s ¨ªntimo de su ser, de estudiar el movimiento de los objetos que existen en la naturaleza (al mismo tiempo que de identificarlos), de c¨®mo var¨ªan sus posiciones seg¨²n transcurre el tiempo. Y como ciencia m¨¢s que milenaria que es, puede presumir de una larga historia. Una historia protagonizada por legiones de peones; unos, la mayor¨ªa, los recolectores de datos; otros, los te¨®ricos, malabaristas de las ideas, constructores de modelos y teor¨ªas que pretenden reunir -"explicar"- esos datos observados en el marco de leyes lo m¨¢s generales posibles. Algunos, por cierto, muy pocos, se mueven con igual facilidad en ambos dominios, el te¨®rico y el experimental: Isaac Newton, en el siglo XVII, y Enrico Fermi, en el XX, son mis favoritos en ese dif¨ªcil arte que es ser maestro tanto en la teor¨ªa como en el experimento.

Salviati, Sagredo y Simplicio, los personajes creados por Galileo en su 'Di¨¢logo', son el Quijote y Sancho de la ciencia

Hubble demostr¨® que el Universo se expande. Planck dio el pistoletazo de salida a la revoluci¨®n cu¨¢ntica

01 Los principios de Arist¨®teles y Arqu¨ªmedes fueron muchos, es cierto, legiones y legiones, los que construyeron a lo largo de los siglos esa f¨ªsica que hoy celebramos; pero es m¨¢s f¨¢cil, y tampoco demasiado injusto, reconstruir la historia de una disciplina en funci¨®n de sus grandes figuras, de sus h¨¦roes. En el caso de la f¨ªsica esto es particularmente f¨¢cil, ya que abundan los campeones del intelecto y la observaci¨®n. Con toda la injusticia hist¨®rica que ello implica, no es un mal punto de partida comenzar recordando los logros de Arist¨®teles (384-322 antes de Cristo), sin olvidar a Arqu¨ªmedes (hacia 287-212 antes de Cristo), cuyas contribuciones a las ciencias f¨ªsicas han resistido mucho mejor el paso del tiempo que las del primero; logr¨® lo que la mayor parte de sus contempor¨¢neos ni siquiera se plantearon: aplicar su maestr¨ªa matem¨¢tica a la investigaci¨®n de fen¨®menos naturales como el comportamiento de un s¨®lido en un fluido; suyo es el familiar principio de Arqu¨ªmedes, que afirma que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje igual al peso del volumen del fluido que desaloja.

Aunque sea m¨¢s recordado como fil¨®sofo, Arist¨®teles fue un aut¨¦ntico gigante de la ciencia, aunque no podamos estar seguros de cu¨¢nto de sus obras fue suyo y cu¨¢nto de sus disc¨ªpulos. No podemos olvidar otro de sus textos, Sobre el cielo, en el que se decantaba, como la mayor¨ªa de los antiguos, por una visi¨®n del Universo, dominada por la circunferencia, en la que la Tierra ocupaba el centro del Universo.

02 No estamos en el centro del Universo: de Cop¨¦rnico a Newton

Otros astr¨®nomos griegos, como Aristarco de Samos (hacia 310-230 antes de Cristo), en cuyo discurrir se encuentra haber identificado la inclinaci¨®n de la ecl¨ªptica, el plano que forman los planetas en el sistema solar, defendieron la idea de que es el Sol y no la Tierra el que se encuentra, inm¨®vil, en el centro del Universo, pero semejante idea no pudo imponerse y tuvo que esperar casi ?2.000 a?os! Hasta la publicaci¨®n de un libro paradigm¨¢tico, debido a un sacerdote polaco, Nicol¨¢s Cop¨¦rnico (1473-1543), que apenas realiz¨® observaciones astron¨®micas directas: De revolutionibus orbium coelestium (Sobre las revoluciones de los orbes celestes).

Pero el abandono que propugnaba Cop¨¦rnico de la visi¨®n cosmog¨®nica en la que la Tierra ocupaba el centro del Universo -y de la tan estrechamente ligada a ella, f¨ªsica que hab¨ªa desarrollado Arist¨®teles- por el sistema helioc¨¦ntrico presentaba problemas. Problemas que nadie contribuy¨® m¨¢s a resolver que Johannes Kepler (1571-1630) y Galileo Galilei (1564-1642).

En el haber de Kepler, que se benefici¨® de los datos observacionales laboriosamente acumulados por el dan¨¦s Tycho Brahe (1546-1601), a quien sucedi¨® cuando ¨¦ste falleci¨® en el puesto de astr¨®nomo y matem¨¢tico de Rodolfo II, en Praga, est¨¢n las famosas tres leyes del movimiento planetario. Una de ellas, la que sosten¨ªa que las ¨®rbitas de los planetas no son circunferencias sino elipses, y que Kepler present¨® en 1609 en Astronomia nova, fue especialmente importante a la hora de combatir las ideas aristot¨¦lico-ptolemaicas.

Y as¨ª llegamos a Galileo Galilei, con quien la fuerza de las ideas copernicanas se hizo tan patente que terminar¨ªa desencadenando acontecimientos sociopol¨ªticos y religiosos que arrastrar¨ªan con ellos al f¨ªsico pisano. Que ocurriese as¨ª fue la consecuencia inesperada de una serie de observaciones que llev¨® a cabo y que sacaron a la luz las deficiencias del Universo aristot¨¦lico-ptolemaico. Que Galileo realizara tales observaciones fue, en principio, sorprendente, ya que era un f¨ªsico m¨¢s preocupado por el estudio del movimiento, por encontrar las leyes que reg¨ªan fen¨®menos como la ca¨ªda de un cuerpo por un plano inclinado o el tiempo que tarda un p¨¦ndulo en batir, y no un astr¨®nomo. Sin embargo, todo cambi¨®, su vida y el mundo, cuando supo de la existencia de instrumentos -los telescopios- que agrandaban las im¨¢genes de objetos lejanos.

Al o¨ªr de la existencia de tales instrumentos, Galileo decidi¨® construir uno ¨¦l mismo. Al principio, pens¨® en ¨¦l como un aparato cuya utilidad era m¨¢s pr¨¢ctica que cient¨ªfica, pero no tard¨® en dirigirlo hac¨ªa el cielo, viendo que el Universo era muy diferente a como hab¨ªan pensado Arist¨®teles, Ptolomeo y tantos otros. Las observaciones que llev¨® a cabo dieron a Galileo una extraordinaria notoriedad en el peque?o mundo de los astr¨®nomos y fil¨®sofos de la naturaleza de su ¨¦poca, notoriedad que se afianz¨® cuando public¨®, en 1632, un libro inmortal, Dialogo sopre i due massimi sistemi del mondo Tolemaico, e Copernicano (Di¨¢logo sobre los dos m¨¢ximos sistemas del mundo, ptolemaico y copernicano), una obra maestra de la literatura cient¨ªfica, escrita en lengua vern¨¢cula, el italiano, en una ¨¦poca en que el lat¨ªn era el idioma utilizado en este tipo de textos. Los tres personajes creados por Galileo para protagonizar ese di¨¢logo -Salviati, Sagredo y Simplicio, copernicano el primero, neutral el segundo y arist¨®telico el ¨²ltimo- han pasado a formar parte de la cultura universal; son, por decirlo de alguna manera, los Quijote y Sancho de la ciencia. Lo mismo que ha pasado a la memoria colectiva el recuerdo de los problemas que tuvo con la Iglesia cat¨®lica, las condenas que ¨¦sta dict¨® en contra suya y de su obra, primero en 1616 y luego, mucho m¨¢s firme, en 1633. "Eppur si muove" ("Y sin embargo se mueve"), dicen que murmur¨® cuando se vio obligado, ante el Tribunal de la Inquisici¨®n reunido en Roma, a declarar que la Tierra no se mov¨ªa; esto es, a abjurar de sus convicciones. La verdad cient¨ªfica fue escarnecida y Galileo confinado hasta su muerte en su villa de Arcetri.

Los descubrimientos observacionales y desarrollos te¨®ricos realizados por Galileo, junto a los producidos por Kepler, y a las contribuciones de Ren¨¦ Descartes (1596-1650), a quien se debe la ley de la inercia del movimiento, allanaron el camino para la obra de quien acaso sea el mayor cient¨ªfico de la historia de la humanidad: Isaac Newton (1642-1727).

Newton, personaje complejo donde los haya habido, tiene y tendr¨¢ un lugar de privilegio en la historia por su ciencia, tan rica y profunda como diversa. Por sus contribuciones a la ¨®ptica, que resumir¨ªa tard¨ªamente en un libro publicado en 1704, ?ptica. Por haber desarrollado ese instrumento universal que es el c¨¢lculo diferencial (c¨¢lculo de fluxiones en su terminolog¨ªa). Y, sobre todo, por su gran libro de 1687: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principios matem¨¢ticos de la filosof¨ªa natural).

Si yo tuviera que elegir entre los grandes libros de la historia del pensamiento cient¨ªfico, no tendr¨ªa duda: seleccionar¨ªa los Principia (con dolor, eso s¨ª, dejando a un lado textos maravillosos como los Di¨¢logos de Galileo, El tratado elemental de qu¨ªmica de Lavoisier o El origen de las especies de Darwin). Probablemente ninguna obra haya influido tanto en el desarrollo de la humanidad, y eso que nunca fue un libro de lectura f¨¢cil. Las tres leyes del movimiento que incluye, junto a la ley de la gravitaci¨®n universal, justifican semejante elecci¨®n. Son leyes que no s¨®lo sirvieron para cambiar la ciencia, sino que a la postre se convirtieron en instrumentos esenciales para transformar el mundo.

03 La f¨ªsica decimon¨®nica: el electromagnetismo

La influencia de la ciencia y m¨¦todo cient¨ªfico newtoniano fue especialmente visible a lo largo del siglo XVIII, el de la Ilustraci¨®n. De hecho, no creo que se puedan comprender realmente los sue?os ilustrados, el sue?o de la raz¨®n, la creencia cada vez m¨¢s extendida de que el conocimiento librar¨ªa a la humanidad de las cargas y mitos que hasta entonces la hab¨ªan asolado, sin tener en cuenta la difusi¨®n de la f¨ªsica newtoniana. Sin embargo, desde el punto de vista puramente cient¨ªfico, y aun sin olvidar a Lavoisier, el siglo XVIII no se puede comparar en absoluto al XIX, otra centuria maravillosa para la f¨ªsica (?y para la ciencia!; recordemos, por ejemplo, a Lyell, Darwin, Mendel, Pasteur y Koch). Fue a lo largo del Ochocientos cuando m¨¢s se avanz¨® en el conocimiento de la electricidad y el magnetismo, fen¨®menos conocidos desde la antig¨¹edad. El n¨²cleo principal de esos avances se encuentra, sin duda, en que, frente a lo que se supon¨ªa con anterioridad, electricidad y magnetismo no son fen¨®menos separados, sino que est¨¢n interrelacionados. El punto de partida para llegar a este resultado crucial fue el descubrimiento realizado en 1820 por el dan¨¦s Hans Christian Oersted (1777-1851) de que la electricidad produc¨ªa efectos magn¨¦ticos (una corriente el¨¦ctrica desviaba una aguja imantada). Entre los que m¨¢s desarrollaron este resultado se encuentra Michael Faraday (1791-1867), uno de los gigantes de la ciencia del siglo XIX, y, en general, de la ciencia de todos los tiempos. En 1821, Faraday demostr¨® que un hilo por el que pasaba una corriente el¨¦ctrica pod¨ªa girar de manera continua alrededor de un im¨¢n, con lo que se vio que era posible obtener efectos mec¨¢nicos (movimiento) de una corriente que interacciona con un im¨¢n. Sin pretenderlo, hab¨ªa sentado el principio del motor el¨¦ctrico, cuyo primer prototipo ser¨ªa construido en 1831 por el f¨ªsico estadounidense Joseph Henry (1797-1878).

El caso de Faraday no es frecuente en la historia de la f¨ªsica: su formaci¨®n matem¨¢tica era muy elemental; sin embargo, no s¨®lo llev¨® a cabo descubrimientos experimentales fundamentales, sino que tambi¨¦n introdujo conceptos, como las nociones de "l¨ªneas de fuerza" y el "campo", que en su momento se convirtieron en piezas b¨¢sicas de la teor¨ªa electromagn¨¦tica. Ahora bien, para poder desarrollar una teor¨ªa del electromagnetismo se necesitaba otro tipo de cient¨ªfico. No hubo que esperar mucho, ni alejarse de Gran Breta?a para que tal personaje, James Clerk Maxwell (1831-1878), apareciese. Matematizando algunos de los conceptos introducidos por Faraday e introduciendo ideas nuevas, Maxwell desarroll¨® una teor¨ªa completa del campo electromagn¨¦tico, que plasm¨® definitivamente en su Treatise on Electricity and Magnetism, de 1873. Y como siempre ocurre cuando se dispone de una nueva teor¨ªa aut¨¦nticamente fundamental, ¨¦sta no s¨®lo describe aquellos fen¨®menos para los que en principio fue dise?ada, sino que explica y predice otros. As¨ª sucedi¨® en el caso del electromagnetismo, cuando Maxwell se dio cuenta de que su teor¨ªa predec¨ªa que la luz era un campo electromagn¨¦tico, un resultado que present¨® p¨²blicamente en un art¨ªculo en 1861. M¨¢s de 140 a?os despu¨¦s, todav¨ªa se puede apreciar la excitaci¨®n que debi¨® sentir Maxwell cuando escribi¨®: "Dif¨ªcilmente podemos evitar la inferencia de que la luz consiste de ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fen¨®menos el¨¦ctricos y magn¨¦ticos". En otras palabras, ya no ten¨ªa sentido hablar, por separado, de ¨®ptica, electricidad y magnetismo. El poder de semejante resultado se muestra con toda claridad en el mundo de las comunicaciones.

04 Del electromagnetismo a la relatividad

Con el desarrollo del electromagnetismo, y sin pretenderlo, se estaban sembrando las semillas de las grandes revoluciones que cambiar¨ªan la faz de la f¨ªsica a partir de finales del siglo XIX. Y es que estudiando fen¨®menos electromagn¨¦ticos se descubrieron efectos absolutamente sorprendentes, como los rayos X (Roentgen, 1895) y la radiactividad (Becquerel, 1896), cuya comprensi¨®n desafiaba a la f¨ªsica entonces conocida. Por otra parte, cuando se reun¨ªan el electromagnetismo maxwelliano y la f¨ªsica newtoniana surg¨ªan problemas en la explicaci¨®n de una serie de fen¨®menos (como el famoso experimento realizado por el f¨ªsico estadounidense Albert Michelson).

F¨ªsicos establecidos y admirados, como el holand¨¦s Hendrik A. Lorentz (1853-1928) o el matem¨¢tico franc¨¦s Henri Poincar¨¦ (1854-1912), se esforzaron en resolver tales dificultades, pero ser¨ªa un entonces joven y desconocido f¨ªsico que trabajaba en la Oficina de Patentes de Berna, Albert Einstein (1879-1955), quien lo consigui¨®, proponiendo en 1905 una teor¨ªa, la teor¨ªa especial de la relatividad, que conten¨ªa suposiciones (como la constancia de la velocidad de la luz) y predicciones (relatividad de longitudes y tiempos, equivalencia masa-energ¨ªa) radicales, pero que el tiempo ha confirmado sobradamente. Diez a?os m¨¢s tarde, siendo ya un cient¨ªfico establecido, Einstein profundizaba en su enfoque, desarrollando una nueva teor¨ªa de la gravitaci¨®n, la teor¨ªa de la relatividad general, en la que espacio y tiempo, hermanados ahora en un espacio-tiempo cuadrimensional, depend¨ªan del contenido energ¨¦tico-material del sistema considerado. Y bas¨¢ndose en esta teor¨ªa, en 1916-1917, Einstein daba un nuevo paso, creando la cosmolog¨ªa como ciencia predictiva, frente a las, b¨¢sicamente especulativas, cosmogon¨ªas anteriores.

Hoy entendemos el Universo, un Universo que, seg¨²n demostr¨® observacionalmente en la d¨¦cada de 1920 Edwin Hubble (1889-1953), se expande y que tuvo un comienzo hace aproximadamente 13.500 millones de a?os, a partir de esa cosmolog¨ªa relativista. Y si hablamos del Universo, no es posible dejar de recordar a cient¨ªficos decimon¨®nicos como el f¨ªsico Robert Kirchhoff y el qu¨ªmico Robert Bunsen, que con sus estudios espectrosc¨®picos fundaron en 1960 la astrof¨ªsica, que va m¨¢s all¨¢ de la astronom¨ªa, permiti¨¦ndonos averiguar de qu¨¦ est¨¢n compuestos tales cuerpos.

05 La gran revoluci¨®n: la f¨ªsica cu¨¢ntica

La f¨ªsica relativista conmovi¨® nuestras almas al afectar su contenido a conceptos de gran carga ontol¨®gica y epistemol¨®gica, y tambi¨¦n contribuy¨® a cambiar el mundo, pero en este ¨²ltimo apartado no puede competir con la otra gran revoluci¨®n de la f¨ªsica del siglo XX, la propiciada por la f¨ªsica que se ocupa de estudiar los componentes m¨¢s elementales de la materia, al igual que las radiaciones que emiten. Una f¨ªsica que, adem¨¢s de romper con categor¨ªas firmemente enraizadas en nuestros esquemas cognitivos, como la causalidad o la idea de que es posible conocer al mismo tiempo datos tan b¨¢sicos como posiciones y velocidades (principio de incertidumbre; 1927), dio origen a un sinn¨²mero de instrumentos que terminar¨ªan introduci¨¦ndose en todos los recovecos del mundo, como transistores, chips, reactores (y bombas) nucleares, c¨¦lulas fotoel¨¦ctricas, o materiales de todo tipo, casi a la carta.

La historia de la f¨ªsica cu¨¢ntica, esa extra?a disciplina en la que ondas y part¨ªculas se hermanan (dualidad onda-corp¨²sculo; de Broglie, 1924), est¨¢ poblada de grandes nombres, de h¨¦roes que la comunidad de los f¨ªsicos admira tanto como a los viejos Galileo, Newton, Faraday o Maxwell. F¨ªsicos como Max Planck, que en 1900 dio el pistoletazo de salida a la revoluci¨®n cu¨¢ntica; el propio Einstein, que tanto hizo por una f¨ªsica, la cu¨¢ntica, que m¨¢s tarde repudi¨®; Ernest Rutherford; Niels Bohr; Werner Heisenberg, que en 1925 desarroll¨® la primera mec¨¢nica cu¨¢ntica; Edwin Schr?dinger, Paul Dirac, Max Born, Wolfgang Pauli, y sus herederos cient¨ªficos, entre los que se pueden mencionar a Eugene Wigner, Lev Landau, el ya citado Fermi, Julian Schwinger; Richard Feynman, uno de los f¨ªsicos m¨¢s originales, admirados y queridos por sus colegas; John Bardeen (con dos premios Nobel), Murray Gell-Mann, Steven Weinberg o el recientemente fallecido Hans Bethe (que nos ense?¨®, entre muchas otras cosas, c¨®mo se fabrican los elementos pesados -muchos de los cuales se encuentran en nuestros cuerpos- en los interiores de las estrellas), probablemente el ¨²ltimo eslab¨®n que nos un¨ªa con los pioneros que dieron origen a esa revoluci¨®n cient¨ªfica que cambi¨® el mundo, y a cuyos hombros de gigantes, imitando la c¨¦lebre frase de Newton, todav¨ªa estamos subidos, buscando santos griales como una teor¨ªa que re¨²na, que unifique, sin violar los requisitos cu¨¢nticos, las cuatro fuerzas de la naturaleza: la d¨¦bil, la fuerte, la electromagn¨¦tica y la gravitacional.

Algunos piensan que cuando se encuentre ese santo grial la f¨ªsica habr¨¢ llegado a su fin. ?Qu¨¦ ingenuos! Basta mirar hacia fuera de nuestro planeta, en direcci¨®n a las profundidades del Universo, que apenas estamos comenzando a explorar y que ya nos ha mostrado objetos -como p¨²lsares, cu¨¢sares, estrellas de neutrones o agujeros negros, que antes ni siquiera pod¨ªamos imaginar-, para darnos cuenta de que la historia de la f¨ªsica dista de encontrarse pr¨®xima a su final.