Patinazos en la ciencia
La ciencia se compone de hechos y teorías. Unos y otras surgen de diferentes maneras, y son juzgados con distintas normas. Se da por sentado que los hechos pueden ser verdaderos o falsos. Los hechos son descubiertos por observadores o experimentadores. A un científico que afirma haber descubierto un hecho que resulta ser falso se le juzga con dureza. Un hecho falso es suficiente para arruinar una carrera.
Las teorías tienen un estatuto totalmente diferente. Son creaciones libres de la mente humana que tratan de describir una manera de entender la naturaleza. Como nuestra comprensión de la naturaleza es incompleta, las teorías son provisionales. Son herramientas de comprensión, y una herramienta no necesita ser verdadera para ser útil. Se da por sentado que las teorías son más o menos verdaderas, con mucho espacio para el desacuerdo. A un científico que inventa una teoría que resulta ser incorrecta se le juzga con indulgencia. Los errores son tolerados tanto tiempo como el culpable esté dispuesto a corregirlos cuando la naturaleza le demuestra que está equivocado.
Errores geniales que cambiaron el mundo, de Mario Livio,[44] es una amena exposición de cinco teorías erróneas propuestas por cinco grandes científicos de los dos últimos siglos. Estos ejemplos dan a los lectores no especializados una buena imagen del modo en que funciona la ciencia. El inventor de una idea brillante no puede decir si es correcta o incorrecta. Livio cita al psicólogo Daniel Kahneman, que describe cómo nacen las teorías: «No podemos vivir en un estado de duda perpetua, por eso inventamos la mejor historia posible y vivimos como si esa historia fuese verdadera». Una teoría que comenzó como una atrevida conjetura acaba siendo una creencia firme. Los seres humanos necesitan creencias para vivir, y los grandes científicos no son una excepción. Crean teorías correctas y teorías equivocadas, y creen en ellas con la misma convicción.
La finalidad del libro de Livio es mostrar la apasionada búsqueda de teorías equivocadas como parte del desarrollo normal de la ciencia. La ciencia no se ocupa solamente de cosas que entendemos. La mayoría de las partes interesantes y creativas de la ciencia se ocupan de cosas que todavía estamos tratando de entender. Las teorías erróneas no son un impedimento para el progreso de la ciencia. Son una parte fundamental de su lucha.
Los cinco personajes principales del drama de Livio son Charles Darwin, William Thomson (lord Kelvin), Linus Pauling, Fred Hoyle y Albert Einstein. Cada uno hizo importantes aportaciones a la comprensión de la naturaleza, y cada uno creyó firmemente en una teoría que resultó ser errónea. Darwin explicó la evolución de la vida con su teoría de la selección natural de variaciones hereditarias, pero creía en la teoría de la herencia mezclada, que imposibilitaba la propagación de nuevas variaciones. Kelvin descubrió leyes básicas de la energía y del calor, y luego las utilizó para hacer una estimación de la edad de la Tierra que se quedaba demasiado corta (en un factor de cincuenta). Pauling descubrió la estructura química de las proteínas, el componente activo de todos los tejidos vivos, y propuso una estructura completamente errónea para el ADN, el componente pasivo que transmite la información hereditaria de padres a hijos.
Hoyle descubrió el proceso por el cual los elementos pesados esenciales para la vida, como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el hierro, se crean por reacciones nucleares en los núcleos de estrellas masivas. Luego propuso una teoría sobre la historia del universo conocida como «cosmología estacionaria», en que el universo existe desde siempre sin una gran explosión original, y mantuvo obstinadamente su creencia en el estado estacionario mucho tiempo después de que las observaciones demostraran que hubo realmente un big bang.
Finalmente, Einstein descubrió la gran teoría del espacio, el tiempo y la gravitación conocida como «relatividad general», y luego añadió a la teoría un componente adicional que más tarde se denominaría «energía oscura». Einstein retiró su propuesta de la energía oscura al creer que era algo innecesario. Mucho tiempo después de su fallecimiento, las observaciones han demostrado que la energía oscura realmente existe, por lo que la adición de Einstein a la teoría era acertada y su retractación, un error.
Cada uno de estos ejemplos muestra de una manera diferente cómo las ideas equivocadas pueden ser útiles o inútiles para la búsqueda de la verdad. Con independencia de que sean una cosa u otra, las ideas erróneas son inevitables. La ciencia es una empresa arriesgada, igual que otras empresas humanas, como los negocios, la política, la guerra y el matrimonio. Cuanto más grandiosa es, mayores son sus riesgos. Toda revolución científica supone un cambio de un modo de pensar a otro. El pionero que lidera el cambio tiene una idea imperfecta de la nueva forma de pensar y no puede prever sus consecuencias. Las ideas erróneas y los caminos equivocados son parte del paisaje por explorar.
La idea equivocada de Darwin fue la teoría de la herencia mezclada, que supone que los caracteres heredados por los hijos son una mezcla de los caracteres de los padres. Esta era la teoría de la herencia generalmente aceptada por los agricultores y ganaderos en la época de Darwin. Darwin la aceptó como una hipótesis de trabajo, ya que era la única teoría disponible. Lo hizo a regañadientes porque sabía que era doblemente insatisfactoria. En primer lugar, no podía explicar los frecuentes casos de retroceso hereditario (cuando una característica hereditaria llamativa, como el cabello pelirrojo o el talento musical, se salta una generación y pasa del abuelo al nieto). En segundo lugar, no permitía que una rara variación ventajosa se propagase de un individuo a toda una población de animales, como requería su teoría del origen de las especies. Con la herencia mezclada, cualquier rara variación ventajosa se diluiría rápidamente en las generaciones posteriores y perdería su ventaja selectiva. Por estas dos razones, Darwin sabía que la teoría de la herencia mezclada era inadecuada, pero no existía una alternativa aceptable cuando publicó El origen de las especies en 1859.
Nueve años más tarde, cuando Darwin publicó otro libro, La variación de los animales y las plantas bajo domesticación, había abandonado la teoría de la herencia mezclada porque contradecía los hechos. La reemplazó por otra que llamó «pangénesis». La pangénesis sostenía que en la herencia de caracteres de padres a hijos no están implicados solo los gametos, sino todas las células de los padres. De algún modo, las células de los progenitores producen pequeños gránulos que los gametos recogen. Los gránulos instruyen a los gametos sobre el modo de desarrollar un nuevo individuo. Darwin continuó creyendo en la pangénesis el resto de su vida, pero fue otro brillante patinazo, no mejor que el de la herencia mezclada e igualmente incompatible con los hechos.
Al igual que las teorías darwinianas de la herencia mezclada y de la pangénesis, el cálculo erróneo que hizo Kelvin de la edad de la Tierra y la falsa estructura del ADN de Pauling eran especulaciones que denotaban ceguera ante hechos obvios. Kelvin basó sus cálculos en su creencia de que el manto de la Tierra era sólido y podía transferir calor del interior a la superficie simplemente por conducción. Ahora sabemos que el manto es parcialmente fluido y transfiere la mayor parte del calor mediante el proceso mucho más eficiente de la convección, que transmite el calor mediante una circulación masiva de roca caliente que se mueve hacia arriba y roca más fría que se mueve hacia abajo. A Kelvin le faltaba nuestro conocimiento moderno de la estructura y la dinámica de la Tierra, pero podía ver con sus propios ojos las erupciones de los volcanes y su expulsión de lava caliente desde las profundidades a la superficie de la Tierra. Parece que su destreza para los cálculos lo cegó para procesos desordenados como las erupciones volcánicas, que no podían calcularse.
Del mismo modo, Pauling imaginó una falsa estructura del ADN porque suponía que un patrón efectivo en la proteína también lo sería en el ADN. Estaba ciego para las radicales diferencias químicas entre las proteínas y el ADN. Francis Crick y James Watson, prestando atención a las diferencias, encontraron la estructura correcta del ADN un año después de que Pauling fallara.
La errónea teoría del universo de Hoyle era de una clase diferente de la de los otros errores porque era un joven rebelde cuando la propuso. El universo estacionario fue desde el principio una idea minoritaria. La prueba decisiva contra ella fue el descubrimiento en 1964 de la radiación de microondas que llena el universo. La existencia de la radiación de microondas como un vestigio del big bang ya se había predicho. La radiación demostró que el big bang ocurrió realmente, y que el universo tuvo un comienzo violento. Después de ese descubrimiento, Hoyle se quedó prácticamente solo predicando el evangelio del estado estacionario a un reducido grupo de discípulos.
Einstein, el último de los cinco extraviados de Livio, es una excepción a todas las reglas. Se ha citado con frecuencia su afirmación de que la adición de la energía oscura a la teoría de la gravitación fue su mayor patinazo. Livio ha examinado cuidadosamente el caso y ha llegado a la conclusión de que Einstein nunca hizo esta declaración. Es casi seguro que fue George Gamow quien la hizo. Gamow fue otro brillante extraviado con reputación de inventor de historias pintorescas. El verdadero gran patinazo de Einstein fue cambiar de opinión y retirar la energía oscura de su teoría. La naturaleza demostró que fue una equivocación cincuenta años después de su muerte, cuando se descubrió que tres cuartas partes de la masa total del universo son energía oscura.
Einstein concibió un modelo de universo estacionario muchos años antes que Hoyle. Este modelo estacionario lo descubrió recientemente un grupo de científicos irlandeses en un manuscrito inédito de Einstein. Este abandonó la idea y nunca la publicó, tal vez porque le parecía que las teorías del estado estacionario eran forzadas y artificiales. Cuando, veinte años después, Hoyle promovió ruidosamente la cosmología del estado estacionario, Einstein nunca mencionó que él la había concebido y desechado mucho antes. Debió de verla bien pronto como un brillante patinazo, inteligente pero seguramente incorrecta. (Estoy en deuda con el científico irlandés Cormac O’Raifeartaigh por la información que me ha proporcionado sobre el descubrimiento del manuscrito de Einstein.)
Después de leer los relatos de Livio, veo de otra manera la historia de la ciencia. En cada siglo y en cada especialidad científica observo patinazos brillantes. La mayor equivocación de Isaac Newton fue su teoría corpuscular de la luz, según la cual la luz consiste en un haz de pequeñas partículas que viajan en línea recta. En el siglo XIX, James Clerk Maxwell descubrió las leyes del electromagnetismo y propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas. En el siglo XX, Einstein demostró que Newton y Maxwell estaban y no estaban ambos en lo cierto, porque la luz se comporta como las partículas en una situación y como las ondas en otra.
La principal diferencia entre la ciencia y otras empresas humanas, como la guerra y la política, es que en el campo científico los errores brillantes son menos costosos. El brillante cruce de los Alpes por Aníbal para invadir Italia desde el norte tuvo como resultado la ruina y la destrucción total de su patria. Dos mil años más tarde, el brillante ataque a Pearl Harbor le costó al emperador japonés su imperio. Ni siquiera los peores errores científicos hacen demasiado daño.
El mayor error político de la historia de la civilización probablemente fue la decisión del emperador de China en el año 1433 de detener la exploración de los océanos y destruir las naves capaces de llevarla a cabo y el registro de sus viajes. En modo alguno puede este error calificarse de brillante. Antes de la decisión, China tenía una flota oceánica de buques más grandes y más capaces que cualquier barco europeo. Estaba más o menos nivelada con Europa en conocimiento científico, e iba muy por delante en tecnologías de impresión, navegación y cohetería. Como consecuencia de aquella decisión, China retrocedió desastrosamente en ciencia y tecnología, y solo ahora, seiscientos años después, está recuperando el nivel. La decisión fue el resultado de las disputas partidistas de los poderosos, que descuidaron los intereses a largo plazo del imperio. Esta es una enfermedad que los gobiernos de todo tipo, incluidas las democracias, están peligrosamente expuestos a padecer.
Otra causa de errores catastróficos es la religión. Un ejemplo legendario de error religioso es la historia del zar Lazar, rey de Serbia en 1389, cuando su reino fue invadido por los turcos. Se enfrentó al ejército turco en el funesto campo de batalla de Kosovo Polje. La historia se narra en La batalla de Kosovo, que es la epopeya nacional de Serbia. La Virgen María se encontraba en Jerusalén en la época en que los turcos invadieron el país, y envió un halcón con un mensaje para el zar. El halcón llegó al campo de batalla y le dijo al zar que debía escoger entre un reino terrenal y un reino celestial. Si elegía el reino terrenal, su ejército derrotaría a los turcos y continuaría reinando en Serbia. Si elegía el reino celestial, su ejército sería aniquilado y sus súbditos se convertirían en esclavos del Imperio otomano. Como era un monarca muy piadoso y pensaba ante todo en el mundo espiritual, el zar eligió, naturalmente, el reino celestial, y su pueblo pagó la elección con la pérdida de su libertad.
Siete años después de que Darwin publicara El origen de las especies sin una explicación satisfactoria de las variaciones hereditarias, el monje austríaco Gregor Mendel publicó su artículo «Experimentos con la hibridación en plantas» en la revista de la Sociedad de Historia Natural de Brünn. Mendel había resuelto el problema de Darwin. Propuso que la herencia la transportan unidades discretas, más tarde conocidas como «genes», que no se mezclan, sino que se transmiten sin cambios de generación en generación. La teoría mendeliana de la herencia encaja perfectamente en la teoría darwiniana de la selección natural. Mendel había leído el libro de Darwin, pero este nunca leyó el trabajo de aquel.
La ocurrencia capital de Mendel fue pensar que la reproducción sexual es un sistema para introducir la aleatoriedad en la herencia. En los guisantes, como en los seres humanos, cada planta es macho o hembra, y cada descendiente tiene un progenitor macho y un progenitor hembra. Los caracteres heredados pueden especificarlos uno o varios genes. Los caracteres asociados a un solo gen son los más sencillos de calcular, y tales caracteres fueron los que Mendel eligió para su estudio. Estudió, por ejemplo, la herencia del color de la vaina, determinada por un solo gen que especifica un color verde o un color amarillo. Cada planta tiene dos copias del gen, una de cada progenitor. Hay tres tipos de plantas: la de un verde puro con dos versiones verdes del gen, la de un amarillo puro con dos versiones amarillas, y la mezclada de verde y amarillo. Sucede que solo se requiere un gen verde para producir una vaina verde, por lo que las plantas mixtas tienen el mismo aspecto que las plantas verdes puras. Mendel explicó este hecho diciendo que el verde es dominante y el amarillo, recesivo.
Mendel hizo su clásico experimento observando tres generaciones de plantas. La primera generación era de vainas puramente verdes y puramente amarillas. Cruzó el verde puro con el amarillo puro para que la segunda generación estuviese mezclada. Luego cruzó la segunda generación consigo misma, con lo que la tercera tenía todos sus progenitores mezclados. Cada planta de la tercera generación tenía un gen de cada progenitor, con la misma probabilidad de que cada gen fuese verde o amarillo. La tercera generación sería en promedio un cuarto verde pura, un cuarto amarilla pura y la mitad mixta. La apariencia externa de la tercera generación sería de tres cuartas partes verde y una cuarta amarilla.
Esta proporción de 3 entre el verde y el amarillo en la tercera generación era la nueva predicción de la teoría de Mendel, que diseñó la mayor parte de sus experimentos para poner a prueba dicha predicción. Pero Mendel sabía muy bien que la proporción de 3 solo constituía un promedio. Como la descendencia elegía un gen de cada progenitor y cada elección era aleatoria, el número de verdes y amarillos en la tercera generación estaba sujeto a grandes fluctuaciones estadísticas. Para probar la teoría de una manera convincente era esencial entender las fluctuaciones estadísticas. Afortunadamente, Mendel entendía de estadística.
Mendel comprendió que para verificar con suficiente precisión la proporción de 3 necesitaba un gran número de plantas. Habría precisado unas ocho mil en la tercera generación para estar razonablemente seguro de que la proporción observada se hallaría entre 2,9 y 3,1. Y realmente utilizó 8.023 plantas de la tercera generación, con las que obtuvo la proporción de 3,01. También probó con otros caracteres además del color, y utilizó un total de 17.290 plantas de tercera generación. Sus experimentos requerían una paciencia inmensa, y se prolongaron durante ocho años de meticulosa atención a los detalles. Aisló cuidadosamente cada planta para evitar que cualquier abeja causara una fertilización no deseada. El jardín del monasterio era la ubicación ideal para aquellos experimentos.
En 1866, el año en que Mendel publicó su artículo, Darwin realizó exactamente el mismo experimento sin saber nada de Mendel. Darwin utilizó boca de dragón en lugar de guisantes, y comprobó la herencia de la forma de la flor en lugar del color de la vaina. Al igual que Mendel, crió tres generaciones de plantas, y observó la proporción de formas normales en las flores de boca de dragón de la tercera generación. Pero, a diferencia de aquel, no sabía de fluctuaciones estadísticas. Utilizó un total de solo 125 plantas de tercera generación, y obtuvo un valor de 2,4 para la proporción final. Este valor está dentro de la incertidumbre estadística esperada, la misma para un cierto valor de 2 que para un cierto valor de 3, con una muestra tan pequeña de plantas. Darwin no sabía que necesitaba una muestra mucho más grande para obtener un resultado significativo.
La de Mendel era sesenta y cuatro veces más grande que la de Darwin, por lo que la incertidumbre estadística era ocho veces menor. Darwin no pudo repetir su experimento con un mayor número de plantas, y perdió la oportunidad de incorporar las leyes de la herencia de Mendel a su teoría de la evolución. No tenía la menor idea de que un descubrimiento fundamental estaba a su alcance si continuaba el experimento con poblaciones más grandes. La idea básica de Mendel era que las leyes de la herencia serían sencillas si se consideraba a esta última un proceso aleatorio. Esta idea nunca se le ocurrió a Darwin. Por eso no aprendió nada de su experimento con boca de dragón. El suyo fue un brillante patinazo.
Mendel cometió uno de un tipo diferente. Publicó sus leyes de la herencia, con una relación completa de los experimentos en los que las leyes se basaban, en 1866, siete años después de que Darwin publicara El origen de las especies. Mendel estaba familiarizado con las ideas del británico y era muy consciente de que sus propios descubrimientos darían un sólido apoyo a la teoría de Darwin de la selección natural como causa de la evolución. La herencia mendeliana por variación aleatoria proporcionaría la materia prima para que la selección darwiniana hiciera su obra.
Mendel tuvo que tomar una decisión crucial. Si optaba por llamar la atención de Darwin sobre su obra, este comprendería su importancia y Mendel, inevitablemente, se vería envuelto en las enconadas disputas públicas que se extendieron por toda Europa en torno a las ideas de Darwin. Si optaba por permanecer en silencio, podría seguir dedicándose a su verdadera vocación de servir a Dios como monje y más tarde como abad de su monasterio. Como el zar Lazar quinientos años antes, tuvo que elegir entre la gloria humana y el servicio a Dios. Siendo el hombre que era, escogió lo último. Por desgracia, su Dios le hizo una cruel jugada al darle dones divinos como científico y un talento mediocre como abad. Renunció a la oportunidad de ser un científico de fama mundial y se quedó en un fallido administrador religioso.
La ceguera de Darwin y las reservas de Mendel se combinaron para retrasar treinta años el progreso de la ciencia. Pero treinta años son poco tiempo en la historia de la ciencia. Al final, muertos ambos y olvidados sus fallos personales, sus visiones parciales de la verdad se unieron para crear la teoría moderna de la evolución. Thomas Hunt Morgan, de la Universidad de Columbia, vio que la Drosophila, o mosca de la fruta, era una herramienta mucho mejor que el guisante de jardín y la boca de dragón para el estudio de la herencia. Las moscas de la fruta se reproducen con mucha más rapidez y son más fácilmente manejables en gran número. Con ellas, Morgan pudo ir mucho más allá que Mendel en la exploración del mundo de la genética.
En mi propia vida como científico, hubo una ocasión en que sentí que un secreto profundo de la naturaleza me había sido revelado. Fue mi brillante patinazo personal. Lo recuerdo con alegría, a pesar de que mis sueños de gloria se hicieron añicos. Fue una experiencia maravillosa. Surgió del trabajo que hice con mi colega Andrew Lenard, de la Universidad de Indiana, investigando la estabilidad de la materia ordinaria. Probamos mediante un laborioso cálculo matemático que la materia ordinaria es estable. La base física de la estabilidad es el principio de exclusión, una ley de la naturaleza que dice que dos electrones no pueden hallarse en el mismo estado. La materia es estable frente al colapso debido a que cada átomo contiene electrones y los electrones se resisten a ser apretados unos contra otros.
Mi error consistió en tratar de extender el argumento de la estabilidad a otros tipos de partículas, además de los electrones. Hay tres formas diferentes de dividir las partículas en dos tipos. Una partícula puede estar eléctricamente cargada o ser neutra. Puede ser de interacción débil o fuerte. Y puede pertenecer a uno de dos tipos, que llamamos «fermiones» y «bosones» en honor del físico italiano Enrico Fermi y del físico hindú Satyendra Bose. Los fermiones obedecen al principio de exclusión, y los bosones no. Cada partícula tiene así ocho posibles formas de decidirse por una de las tres opciones. Por ejemplo, el electrón es un fermión débil cargado. El cuanto de luz es un bosón débil neutro. La famosa partícula predicha por Peter Higgs y descubierta en 2012 en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) es un bosón fuerte neutro.
En 1967 observé que siete de las ocho combinaciones posibles habían sido vistas en la naturaleza. La única que nunca se había observado era un bosón débil cargado. El tipo de partícula que faltaba por ver sería como un electrón sin el principio de exclusión. Luego me percaté de que nuestra prueba de la estabilidad de la materia fracasaría si existieran los electrones sin el principio de exclusión. Así que saqué la precipitada conclusión de que un bosón débil cargado no podría existir en un universo estable. Era una nueva ley de la naturaleza que yo había descubierto. La publiqué discretamente en una revista matemática.
Yo sabía que mi teoría contradecía la idea dominante, la de la teoría unificada de las interacciones débil y electromagnética propuesta por mis amigos Steven Weinberg y Abdus Salam. Weinberg y Salam predijeron la existencia de una nueva partícula de intercambio en interacciones débiles. Llamaron a la nueva partícula «W». La W de partículas tenía que ser un bosón débil cargado, precisamente la combinación que yo había considerado imposible. La naturaleza, hablando a través de un experimento en el CERN en Ginebra, decidiría quién tenía razón.
La decisión no se produjo enseguida. Los experimentadores necesitaron quince años para construir una nueva máquina y buscar con ella la partícula W. Pero, cuando llegó, la decisión fue definitiva. Se observó un gran número de partículas W con las propiedades predichas por Weinberg y Salam. Mirando hacia atrás pude encontrar varias razones por las cuales mi argumento de la estabilidad no se aplicaba a las partículas W. Son demasiado grandes, y su vida es demasiado corta, para ser un componente de cualquier cosa que se asemeje a la materia ordinaria. Pronto olvidé mi decepción y compartí la alegría de Weinberg y Salam por su bien merecido triunfo. Como mi madre me enseñó hace mucho tiempo, la clave para disfrutar de cualquier deporte es ser un buen perdedor.
De la lista de brillantes extraviados de Livio, Darwin y Einstein fueron buenos perdedores, Kelvin y Pauling no tan buenos, y Hoyle el peor de todos ellos. Los científicos más grandes son los mejores perdedores. Esta es una de las razones por las que nos gusta el juego. Como dijo Einstein, Dios es refinado, pero no malicioso. La naturaleza nunca pierde, y juega limpio.
Nota añadida en 2014: Varios lectores escribieron cartas en las que se quejaban indignados de que acusara a grandes científicos de cometer torpezas. Les contesté como sigue:
Gracias por sus comentarios sobre mi reseña. Aprendo más de las personas que no están de acuerdo conmigo que de las que lo están. [...] En este caso, la causa principal del desacuerdo es una forma distinta de entender la palabra «patinazo». Para mí y para Mario Livio, el uso de esta palabra no supone ninguna culpabilización. La usamos de una manera desenfadada para referirnos a cualquier propuesta u opinión que resulta ser incorrecta o infundada. A usted le parecerá que la usamos con intención crítica, como si cometer un error fuese un crimen. Para mí, el principal valor del libro de Mario Livio es que hace que los errores sean respetables.