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Cartografías de oído: Semblanza del espacio-tiempo desde el primer gran estruendo

Por Sandra Patricia Ordóñez Castro
Magisterio
09/07/2020 - 12:15
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Foto de Adobe Stock
Entrevista con Sergio Torres Arzayús
Sergio Torres Arzayús estudió Física en la Universidad Pedagógica en Bogotá y adelantó su doctorado en Física como becario Fulbright en Virginia Tech, EE.UU. Allí incursionó en la investigación sobre la naturaleza de las partículas elementales. Posteriormente, en la Universidad de Roma, realizó investigaciones sobre cosmología y astrofísica. Participó en el proyecto COBE de la NASA, que descubrió la señal más clara que se ha obtenido del origen del universo y diseñó y realizó, en colaboración con científicos de Estados Unidos, Brasil e Italia, el proyecto de mapas galácticos GEM en Villa de Leyva (Colombia). 
Sandra Patricia Ordóñez Castro: ¿Cómo surge su interés por la Astrofísica? ¿Hubo en su vida escolar alguna experiencia movilizadora en ese sentido?
Sergio Torres Arzayús: Los clubes de ciencia y las actividades educativas fuera del aula me parecen elementos esenciales en un programa de educación. Cuando cursaba el bachillerato tuve la oportunidad de participar en ese tipo de actividades voluntarias. Un grupo de estudiantes aficionados a la astronomía, guiados por el profesor de física, hicimos nuestro propio telescopio, puliendo los espejos parabólicos a mano usando limaduras de hierro de varios calibres. También, teníamos un grupo de estudio (fuera del colegio) donde analizábamos y resolvíamos problemas de física de textos universitarios. Me pareció maravilloso que una teoría (es decir, un producto de la imaginación basado en modelos matemáticos) pudiera dar explicación de los fenómenos físicos al mismo tiempo que permitía hacer predicciones precisas sobre el futuro de un sistema físico. Todos estos factores influenciaron en mi elección de carrera y estudios profesionales.
Por lo tanto, si queremos estimular el interés de los estudiantes por la ciencia no solamente tenemos que preocuparnos del trabajo directo con el niño, también tenemos que alinear a sus padres y de alguna manera contrarrestar las presiones sociales que ahuyentan al niño curioso. El trabajo directo con los estudiantes no es solamente exponerlos a conocimientos científicos, tenemos que esforzarnos para que los niños entiendan que el costo de la ignorancia es muy alto, que el conocimiento les abre oportunidades en la vida y que el simple hecho de cultivar la curiosidad y el amor por el conocimiento enriquece nuestras vidas.
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S.P.O.C.: ¿Cómo llega a hacer parte de investigaciones de tanto peso en el panorama de la ciencia a nivel mundial?
S.T.A.: Estudié física en la Universidad Pedagógica en Bogotá; entrando al cuarto semestre me di cuenta que para poder trabajar como investigador en física tendría que hacer un doctorado. Una beca sería la única opción para lograr esa meta. Tramité y gané una beca para hacer el doctorado en Estados Unidos en la Universidad de Virginia Tech. Allí mis estudios se enfocaron en la física de partículas elementales. Hice experimentos en los grandes aceleradores de partículas (Laboratorio de Fermilab en Illinois). 
El doctorado es una plataforma imprescindible para lanzarse al mundo de la investigación científica. Trabajando en una tesis doctoral es como uno se prueba si posee la capacidad para meterse a investigar un tema hasta tocar fondo y de ahí generar conocimiento nuevo. Para mi trabajo de tesis participé en un experimento en el colisionador de partículas de Fermilab, un túnel circular lleno de inmensas cavidades electromagnéticas por donde pasa un haz de protones que se aceleran a una velocidad cercana a la de la luz. La idea del experimento era la de ver si los gluones pueden unirse para formar nuevas partículas elementales. Los gluones son las partículas elementales responsables de comunicar la fuerza nuclear que mantiene a los quarks unidos dentro de un protón (los protones están hechos de quarks).
Como el micro-cosmos y el macro-cosmos están íntimamente conectados, el tema de las partículas elementales me llevó al universo. Al terminar el doctorado se me presentó la oportunidad de hacer un post-doctorado (lo cual no es nada más que un puesto de investigador a quien le pagan poco) con el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Italia. Realicé experimentos de rayos cósmicos en el laboratorio del Gran Sasso en Italia. Los rayos cósmicos son partículas elementales (como el protón) de muy alta energía que se producen en el Sol o en eventos cósmicos como el estallido de una estrella supernova. Las partículas me llevaron a las estrellas y las estrellas al universo y su origen. Así fue como entré a hacer parte del equipo del proyecto COBE (del inglés para Explorador del Fondo Cósmico) en el Centro Espacial Goddard de la NASA con el cual observamos la señal de radiación dejada por el Big Bang cuando se formó el universo. Eso ocurrió en el año 1986 cuando se estaban desarrollando los sensores que se colocaron a bordo del satélite COBE. Yo entré a formar parte del equipo que estaba desarrollando el software que analizaría las señales recogidas por esos sensores. Esa señal es nada menos que el "ruido" que quedó del Big Bang cuando apareció el universo. Se dice que es un "ruido" porque es un fondo de ondas electromagnéticas con una distribución muy amplia de frecuencias, predominantemente en la parte del espectro correspondientes al microondas. Los años de trabajo en la NASA me dieron la oportunidad de entender muy detalladamente todos los aspectos relacionados con los datos de una misión espacial. Con esta preparación yo estaba listo para hacer un trabajo independiente, del cual se destaca mi análisis de los datos de anisotropías de la radiación cósmica de fondo obtenidos por el COBE aplicando estadísticas nuevas que corroboraron los hallazgos del COBE relacionados con la formación de estructura en el universo, es decir, la jerarquía de estructuras de galaxias, cúmulos de galaxias y agrupaciones de cúmulos. Luego ocupé posiciones de investigador en la Universidad de Roma en Italia, Universidad de la Cantabria en España, el Laboratorio Lawrence de Berkeley en la Universidad de California y en Colombia en el Centro Internacional de Física, la Universidad de los Andes y el Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional.
S.P.O.C.: A la luz de su exitosa trayectoria, y además de seguir un camino académico riguroso y formal, ¿haría alguna recomendación práctica a los jóvenes que sueñan con trazar su propia ruta en el camino de la ciencia trascendiendo los linderos locales?
S.T.A.: Mantenerse enfocado desde un comienzo es un buen punto de partida. El mundo profesional y académico es cada vez más competitivo y encontraremos que para cada oportunidad que se abre (ya sean becas, trabajos, etc.) se presentan candidatos altamente calificados con los que tenemos que competir. Cultivar un interés desde temprano al final nos da una ventaja competitiva. Establecer contacto con los investigadores y líderes del campo de interés de uno es algo muy importante. Hoy en día, con las facilidades que brindan las comunicaciones electrónicas es posible contactar directamente a profesores universitarios e investigadores. Muchos investigadores estarán más que dispuestos a responder preguntas o inquietudes de buenos estudiantes. Hay que hacer esos contactos y cultivarlos, pero hacerlo de una manera inteligente. No es mandar una nota floja. Primero nos tenemos que informar sobre el trabajo que hace el investigador, quizá leer uno o dos artículos y enterarse de sus intereses para así, al momento de contactarlo, podamos tocar temas concretos y el investigador se da cuenta de la seriedad del estudiante. Esos contactos son un paso inicial para conectarnos a la red de científicos en un determinado tema para mantenernos al día y hacernos conocer. Clubes de ciencia y actividades fuera del aula son esenciales. Participación en proyectos fuera del colegio o la universidad es una manera concreta de demostrar que uno sí tiene un interés verdadero y serio por la investigación.
S.P.O.C.: ¿Podría hablarnos acerca del proyecto GEM, sus hallazgos y repercusiones?
S.T.A.: En breve, se trata de tomarle una radiografía a nuestra galaxia. El proyecto GEM o Mapas Galácticos (del inglés Galactic Emission Maps) consiste en observar nuestra galaxia –la Vía Láctea– con un radiotelescopio para elaborar un modelo muy preciso de la galaxia. Sabemos que nuestra galaxia es un conglomerado con más de 200.000 millones de estrellas dispuestas en un disco en forma de espiral. Las estrellas en la galaxia se ven en una noche oscura como una banda blanca que atraviesa el cielo. No solo de estrellas está hecha la galaxia, también hay nubes de hidrógeno y otros elementos químicos ligeros. Esas nubes emiten radiación electromagnética (ondas de radio y de luz infrarroja) que se puede observar con un radiotelescopio. La motivación para llevar a cabo este proyecto fue la de elaborar un modelo muy preciso de esa radiación para que nos ayudara a analizar otra radiación, ¡una radiación de fondo, que no viene de la galaxia sino del Big Bang! 
Para realizar el proyecto GEM formamos un equipo con el Premio Nobel de Física George Smoot, de la Universidad de California en Berkeley y con el apoyo de Colciencias en Colombia montamos un radio-telescopio con una antena parabólica de cinco metros en Villa de Leyva. Se obtuvieron mapas de la banda celeste a la cual tenemos acceso desde la latitud ecuatorial de Colombia. Luego, el cubrimiento total de la esfera celeste lo logramos con observaciones desde Brasil y California. Con este proyecto obtuvimos mediciones de la emisión de la galaxia en el rango de radio-frecuencias correspondiente a los procesos de emisión de electrones acelerados en el campo magnético de la galaxia y a la emisión de radiación electromagnética de nubes de gas de hidrógeno ionizado en nuestra galaxia. Estas mediciones fueron aportes científicos importantes realizados en Colombia que ayudaron a elaborar modelos de la galaxia los cuales son de gran interés en estudios de formación galáctica y para análisis de la radiación de fondo del universo (radiación proveniente del Big Bang). Debido a que la emisión galáctica se interpone en los sondeos de la radiación cósmica de fondo es necesario usar modelos precisos de la galaxia para el análisis de los datos del COBE.
Los resultados del proyecto GEM permitieron hacer un análisis muy detallado de la radiación proveniente del Big Bang. Una manera de representar la señal de la radiación de fondo es la de hace un mapa de colores donde las regiones de mayor intensidad se pintan de amarillo y las regiones de menor intensidad se pintan de azul. Como la señal se recoge de la esfera celeste (es decir en cada dirección del cielo se hace una medición de la intensidad de la radiación de fondo) cuando se hace el mapa sobre el papel (una superficie de 2 dimensiones) es necesario hacer una proyección y por eso se ve en forma de elipse. Los mapas de la radiación cósmica de fondo parecen como un huevo decorado con manchas de colores de forma aleatoria. Es importante que esas manchas representen la señal proveniente del universo, del Big bang y no de la galaxia. Con los mapas de GEM se pudo remover la señal de origen galáctico y dejar las manchas de origen cosmológico. Justamente, esas manchas aleatorias (unas más intensas que otras) son las marcas dejadas por fluctuaciones primordiales que existieron en las épocas iniciales del universo. La forma de las manchas, las propiedades estadísticas y la amplitud de la señal en ellas fueron predichas por la teoría y con las mediciones de COBE se pudo comprobar el modelo cosmológico estándar. 
S.P.O.C.: ¿Qué es la materia oscura? ¿Hay manera de caracterizarla a partir del mapeo de radiación de la galaxia?
S.T.A.: El mapeo de la radiación de la galaxia nos muestra la materia que existe en la galaxia fuera de las estrellas. En toda galaxia no solamente existen estrellas, sino también nubes de gas interestelar. Las estrellas se ven directamente con los telescopios. Las nubes de gas y las partículas elementales que viajan libremente por el espacio interestelar emiten radiación electromagnética (ondas) que se pueden detectar con radiotelescopios o telescopios sensibles al infrarrojo. Haciendo cuenta del brillo total de todas las estrellas en una galaxia y de la radiación emitida en nubes de gas interestelar, los astrónomos se han dado cuenta de que las galaxias albergan más masa de la que es observada directamente. Esta es la materia oscura.
El concepto de la materia oscura se lo inventó el físico suizo-búlgaro Fritz Zwicky en 1933 para explicar el rápido movimiento de las galaxias en un grupo de galaxias que él estudió (el cúmulo de Coma). Un cúmulo de galaxias es como un enjambre de abejas, el problema es que se necesita una gran cantidad de masa que provea la gravedad para que las galaxias se mantengan unidas en el cúmulo, de lo contrario con la gran velocidad que tienen las galaxias escaparían y el cúmulo se deshace. Sabemos, por los efectos gravitacionales, que esa masa está ahí pero los telescopios no la observan directamente, por eso se llama materia oscura. 
S.P.O.C.: ¿Entonces, los planetas y asteroides, por ejemplo, serían materia oscura? 
S.T.A.: La respuesta está relacionada con las observaciones de la radiación cósmica de fondo, ese ruido de microondas que se originó en las épocas iniciales del universo. La radiación cósmica de fondo y la materia “normal” (llamada materia bariónica), de la cual están hechos los átomos, estaban conectadas en las etapas iniciales del universo, de tal manera que, pequeñas fluctuaciones en la materia, debieron quedar impresas en el fondo de radiación. Esas fluctuaciones fueron observadas, pero la intensidad de las fluctuaciones resultó ser muy alta. Se necesita materia oscura (también participando de fluctuaciones) para explicar la amplitud de las fluctuaciones en la radiación cósmica de fondo. La materia oscura, entonces, por definición, son partículas que no interactúan como lo hacen las partículas “normales” (de las que están hechos los átomos). En resumen, los objetos astronómicos como estrellas enanas marrón, asteroides y planetas no pueden ser la materia oscura. La materia oscura son objetos (nubes) hechos de partículas elementales que no interactúan por medio de la fuerza electromagnética o la fuerza nuclear fuerte, pero sí lo hacen gravitacionalmente y, posiblemente, por medio de la fuerza nuclear débil. Por medio de los sondeos profundos de galaxias y de los estudios de la radiación cósmica de fondo, sabemos que de toda la materia existente en el universo, 83% es materia oscura y 17% es materia bariónica (¡y de ese 17% apenas se observan con telescopios ópticos menos del 1%!).
En 1970 la astrónoma Vera Rubin observa el movimiento de estrellas en torno al centro de galaxias espirales y mide la velocidad de las estrellas. En estas galaxias las estrellas se encuentran montadas en inmensos brazos espirales que dan vueltas a gran velocidad. Los resultados que obtuvo V. Rubin demostraron que en las galaxias debe existir masa en exceso que no observamos directamente. Esta masa oscura genera la fuerza centrípeta necesaria para mantener a las estrellas en sus órbitas viajando a esas velocidades tan altas. Por ejemplo en la galaxia espiral NGC 7083 a una distancia de 150 millones de años-luz las estrellas se mueven con una velocidad de 220 kilómetros por segundo; el Sol también se mueve a 220 kilómetros por segundo en torno al centro de la Vía Láctea.
La evidencia sobre presencia de materia oscura también se manifiesta en la formación de lentes gravitacionales que distorsionan la luz proveniente de galaxias lejanas. Aquí la materia oscura acumulada en una especie de nube extendida forma una lente que desvía la luz de galaxias en la profundidad. Desde la Tierra no vemos la materia oscura que forma la lente gravitacional, pero sí vemos la luz de la galaxia profunda con su brillo amplificado por la lente y su forma algo distorsionada, también por la lente gravitacional.
Por último, otra razón por la cual pensamos que el 83% de la materia en el universo es materia oscura, es que las agrupaciones de galaxias en cúmulos y los cúmulos de galaxias en supercúmulos no se ha podido formar sin la ayuda de la fuerza gravitacional que provee la materia oscura.
S.P.O.C.: ¿Explicaría la hipótesis de la relatividad de escala la proliferación de materia en el universo? 
S.T.A.: La presencia de la materia oscura en el universo se ha postulado para dar explicación a sus manifestaciones gravitacionales. El problema es que los intentos por detectar la materia oscura directamente han sido hasta el momento infructuosos. La hipótesis de la relatividad de escala, donde la materia no se distribuye de manera homogénea por todo el espacio, podría explicar los resultados, hasta el momento negativos, de los experimentos que buscan la materia oscura. Esto es así porque en un universo fractal la materia se distribuye en agrupaciones que siguen un patrón de acuerdo con la escala, es decir, es posible que existan regiones del universo menos densas que otras. Nosotros estaríamos en una de esas regiones donde la materia oscura no ha logrado agruparse densamente.
S.P.O.C.: ¿Qué sería, entonces, la Energía oscura? ¿Esta fuerza gravitacional generada por la materia oscura, o acaso algo más?
S.T.A.: La respuesta más honesta y directa es que aún no sabemos qué es la energía oscura. Para ser más precisos, la energía oscura es el rótulo que los físicos le ponen a un agente hipotético que actúa como una gravedad repulsiva y que sería el responsable de la aceleración de la expansión del universo. La introducción de sustancias imponderables para explicar fenómenos de la naturaleza ha sido práctica milenaria entre científicos. Algunas de esas sustancias resultan tener cierta correspondencia con observaciones experimentales detalladas, otras terminan siendo rechazadas por las inconsistencias a las que conlleva. Abundan los ejemplos: la gravedad animal (Franz Mesmer), el flogisto, el calórico, el fluido eléctrico, el éter luminifero, los rayos ‘n’ y otros. La energía oscura es una de esas sustancias imponderables, pero tiene un sólido sustento teórico. La energía oscura se acomoda perfectamente a la teoría de la gravedad de Einstein. En las ecuaciones existe un término (llamado “lambda” o constante cosmológica) que cuando se introduce produce la aceleración de la expansión del espacio. Es posible que la energía oscura no sea más que una quimera, pero hasta el momento no contamos con otra teoría de la gravedad que dé explicación coherente a tantas observaciones astronómicas a gran escala. 
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S.P.O.C.: ¿Qué implicaciones tendría descartar la existencia de la materia oscura? 
S.T.A.: Si la materia oscura es una quimera, se debe desarrollar una nueva teoría de la gravedad que explique coherentemente las observaciones mencionadas que dan evidencia de materia oscura: movimiento de galaxias en cúmulos, rotación de las galaxias espirales, lentes gravitacionales, formación de macro estructuras en el universo y fluctuaciones en la radiación cósmica de fondo. Un grupo de físicos teóricos ha propuesto una modificación a la teoría de la gravedad con la cual se explica con sorprendente precisión la velocidad de las estrellas en galaxias espirales sin recurrir al concepto de materia oscura. A pesar del éxito en dar cuenta del movimiento de las estrellas en galaxias espirales, esta teoría –que se llama MOND– no explica las otras manifestaciones de materia oscura a escalas mayores que la galáctica. 
S.P.O.C.: ¿Puede la Biología contribuir en la comprensión de las leyes estructurales y funcionales del universo?
S.T.A.: De forma muy poética el reconocido astrónomo Carl Sagan nos recordó la íntima conexión que existe entre los astros y los seres humanos: somos polvo de estrella mirando hacia las estrellas. Es verdad, los elementos químicos de los que estamos hechos los humanos se formaron en estrellas del pasado y por esa razón es válido preguntarse sobre la relación de los procesos biológicos y la estructura misma del cosmos. Observamos que el universo exhibe una jerarquía de estructuras que varía en escalas y en niveles de complejidad. Curiosamente, los objetos astronómicos como las estrellas son muy sencillos en comparación con un organismo vivo. Una estrella es simplemente una nube de núcleos de hidrógeno y helio (primordialmente) que por la acción de la gravedad se agrupan en una estructura esférica de muy alta densidad, suficiente para comenzar reacciones nucleares que generan la energía radiante de la estrella. Un insecto es infinitamente más complejo que una estrella, está compuesto de muchas partes que interactúan a varios niveles y ejecutan funciones especializadas. Si bien es cierto que las interacciones subyacentes entre las partículas que conforman una estrella o un insecto se reducen a las cuatro fuerzas de la naturaleza (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte), los organismos complejos manifiestan propiedades emergentes que no se pueden explicar basados únicamente en las propiedades de las partículas y las fuerzas. Para que se formen organismos complejos se necesita un ambiente adecuado, por ejemplo, en el centro de una estrella no podría formarse una estructura compleja, ni siquiera una sola molécula. Esto debido a que la temperatura es muy alta y los choques energéticos en el plasma destruirían cualquier molécula. La química no se puede dar a altas temperaturas. Para formar moléculas es necesario un ambiente más propicio como el de la Tierra. Una vez que se puedan formar moléculas, entre ellas surgen reacciones químicas y si hay flujos de energía (por ejemplo la energía que recibimos del Sol) esas moléculas pueden conformar sistemas más complejos. Este razonamiento nos lleva a concluir que es poco probable que los mecanismos biológicos no tengan relevancia ni se puedan extrapolar a niveles cosmológicos. 
S.P.O.C.: En razón de los hallazgos del proyecto COBE, usted ha señalado que en la actualidad estamos presenciando en la cosmología lo que el renacimiento fue para la astronomía, y que, tal como sucedió en el renacimiento, nos debemos preparar para grandes sorpresas ¿Qué clase de sorpresas cabría esperar?
S.T.A.: Efectivamente, la humanidad lleva miles de años cavilando sobre el universo, los astros, los eclipses y otros fenómenos celestes y por primera vez en la historia la cosmología cuenta con bases empíricas. Basados en observaciones astronómicas de alta precisión sabemos que el universo se formó hace 13.700 millones de años, que está constituido por energía oscura (73%), materia oscura (22%) y materia ordinaria (5%), que en el pasado era más caliente y denso, que ese 5% de materia ordinaria es primordialmente hidrógeno (75%) y helio (25%), que las estrellas y las galaxias se formaron por el colapso gravitacional de nubes de materia primordial, que los elementos químicos más pesados que el hidrógeno y el helio se formaron en las estrellas y que el espacio y el universo, en su totalidad, se expande aceleradamente. El modelo cosmológico estándar (básicamente la teoría del Big Bang) da cuenta de manera coherente de todas las observaciones astronómicas del universo a grandes escalas. La teoría del Big Bang fue construida sobre las bases firmes de la teoría de la relatividad general de Einstein y la física nuclear. Los problemas más serios del Big Bang son no haber (hasta el momento) observado directamente la materia oscura ni la energía oscura. El caso de la energía oscura es aún más crítico –o embarazoso diría yo– que el de la materia oscura. La energía oscura es un agente (una especie de fuerza) que da cuenta de la expansión acelerada del espacio. El problema es que ni siquiera sabemos cuál es su naturaleza. Las sorpresas, entonces, es muy seguro que vengan por el lado de la materia o la energía oscura del universo. Una sorpresa sería, por ejemplo, la observación de la energía oscura o la detección directa de partículas elementales de materia oscura. Otra sorpresa, por el lado teórico, sería el desarrollo de una nueva teoría de la gravedad (quizá una teoría cuántica de la gravedad) que explique las observaciones astronómicas a escalas cosmológicas sin la necesidad de materia y energía oscuras.
S.P.O.C.: ¿Puede contribuir la comprensión de las leyes que rigen el macrocosmos a la formación de una consciencia diferente en relación con las dinámicas sociopolíticas y económicas a nivel mundial?
S.T.A.: Eso espero. Carl Sagan y otros grandes científicos que han estudiado el universo y han reflexionado sobre lo aprendido, dicen que entender la verdadera escala del humano en el universo es una lección de humildad que nos debería hacer mejores humanos y menos destructivos de nuestro pequeño planeta. Para ver lo poco que somos en el espacio y el tiempo basta con considerar nuestro planeta en relación con el resto del universo observable. La Tierra forma parte de un sistema solar con el Sol en el centro; el Sol es apenas una de las 200.000 millones de estrellas que se encuentran en nuestra galaxia la Vía Láctea y la Vía Láctea es apenas una de las 150.000 millones de galaxias que se encuentran en el universo visible. El universo se extiende más allá del universo visible, pero no sabemos hasta donde. En resumen, somos un brote de vida que surgió en un puntico completamente insignificante y de poca importancia para el universo considerado en su totalidad. Reflexionar sobre esta dimensión cósmica nos debería infundir respeto por la naturaleza y motivos para no destruir el planeta ni el prójimo.
S.P.O.C.: ¿Cómo introducir a los niños desde la escuela en la posibilidad de hacer ciencia?
S.T.A.: Todos los niños nacen con los ingredientes para ser científicos. El problema es que la sociedad suprime esa potencialidad. Miremos por ejemplo la curiosidad de los niños. En vez de suprimirla con argumentos autoritarios o dogmáticos deberíamos estimularla. La curiosidad es lo primero que se apaga en el niño, luego entra a la escuela y se encuentra con presiones sociales que le ponen un rótulo poco deseable a los estudiantes que manifiestan interés por las ciencias. Para rematar, en la casa algunos padres de familia también ejercen presión para que sus hijos no terminen en ocupaciones "inútiles" como la astronomía o la física cuando bien podrían ser importantes abogados o administradores de empresas devengando jugosos salarios. Ni mencionemos los medios de comunicación masiva que inundan la vida de los jóvenes con mensajes que cultivan la vanidad y el consumo y donde la imagen del científico es la del estereotipado ser extraño que siempre fracasa en sus relaciones amorosas. Para el educador todo esto es un reto formidable ya que tenemos en nuestra contra a agentes externos muy poderosos. Por lo tanto, si queremos estimular el interés de los estudiantes por la ciencia no solamente tenemos que preocuparnos del trabajo directo con el niño, también tenemos que alinear a sus padres y de alguna manera contrarrestar las presiones sociales que ahuyentan al niño curioso. El trabajo directo con los estudiantes no es solamente exponerlos a conocimientos científicos, tenemos que esforzarnos para que los niños entiendan que el costo de la ignorancia es muy alto, que el conocimiento les abre oportunidades en la vida y que el simple hecho de cultivar la curiosidad y el amor por el conocimiento enriquece nuestras vidas. Aquí es importante hacer énfasis en que entender conceptos científicos y entender el proceso científico es algo útil para la vida independientemente de la ocupación en la que terminaran en su vida de adultos. Este tema no lo encontrarán en las letras de las canciones de rap vulgar que ellos escuchan, sin embargo nosotros los educadores tenemos que sembrar esa semilla con la esperanza de que en algunos de ellos (quizá muy pocos) algún día florecerá.
S.P.O.C.: ¿Considera usted que es necesaria una transformación de fondo en nuestros modelos tradicionales de enseñanza? ¿Qué derroteros propondría en este sentido?
S.T.A.: Sí, necesitamos una transformación de la enseñanza. A diferencia de generaciones anteriores ahora vivimos en el mundo de la información. Me refiero al tsunami de información al que estamos expuestos en todo momento gracias a la tecnología de la internet, las redes sociales y los dispositivos móviles. Antes, cuando yo estaba en el bachillerato, el problema era el acceso a la información. Era muy difícil conseguir ese artículo de una publicación especializada o ese libro fuera de publicación. La situación ahora es muy distinta. Podemos hacer una búsqueda en el internet y vamos a recibir miles de respuestas. El problema es que la mayoría de ese material es de baja calidad o peor aún, está diseñado para transmitir un mensaje manipulado por ideologías o por intereses comerciales. Entonces, cómo hacer para que los estudiantes sepan discriminar entre basura e información valedera y de calidad? Este es un nuevo reto, que nosotros como educadores tenemos que enfrentar. Esos mismos medios pueden ser valiosas fuentes de información y poderosos instrumentos educativos o mecanismos para propagar una agenda ideológica. 
S.P.O.C.: ¿Cómo es eso?
S.T.A.: Un caso típico de la manera como se manipula la información para influenciar a los estudiantes es la de desvirtuar conocimiento científico sólido diciendo que dicho conocimiento está sujeto a controversias dentro de los mismos científicos. Pues bien, en el proceso científico es casi inevitable (de hecho, es saludable) que se den desacuerdos entre los científicos. Por ejemplo, en el área de mi especialización, que es la cosmología, encuentro que en algunos lugares se presenta la teoría del Big Bang como una “mera” teoría y se amplifican declaraciones de científicos que la critican. Normalmente esta situación está correlacionada con una agenda ideológica. Es de esperarse que los cosmólogos tengan desacuerdos en detalles técnicos (así progresa la ciencia), otra cosa es rechazar la evidencia empírica y negar que existe consenso entre los científicos. ¿Qué hace un estudiante cuando encuentra un artículo en el Internet cuyo autor se presenta como investigador con los títulos de rigor y que declara que la teoría del Big Bang es errónea porque el corrimiento hacia el rojo de las líneas espectrales de las galaxias lejanas no se debe a la expansión del espacio sino al “cansancio” de los fotones? 
S.P.O.C.: ¿Cuál sería el desafío de los educadores en este sentido?
S.T.A.: Los educadores tenemos que esforzarnos para que el estudiante desarrolle el pensamiento crítico y el buen criterio para identificar información ideológicamente sesgada. Muy importante para lograr esa meta es la de enseñar a verificar las fuentes de la información, corroborar la información con fuentes independientes, diferenciar entre un medio carente de control de calidad (como Wikipedia) y una publicación científica donde los artículos pasan por revisión de pares, e identificar la presencia de intereses comerciales e ideológicos. Recordemos que la industria tabaquera pagaba a investigadores para generar “estudios” que ponían en duda la relación causal entre el uso de tabaco y el cáncer. Hoy las compañías petroleras financian “estudios” que ponen en duda la relación causal entre emisiones de gases invernadero y el calentamiento global. Existen fundaciones de tinte religioso que financian a investigadores para que generen controversia en torno a la teoría de la evolución, el origen de la vida y el Big Bang.
S.P.O.C.: Entonces, ¿qué es lo que el estudiante necesita entender acerca de cómo funciona el proceso científico?
S.T.A.: En este tema hay mucha confusión. Existen dos extremos caricaturescos por igual. Uno es que el “método científico” es como una receta que siguen los científicos que les garantiza el acercamiento hacia verdades absolutas. Otro es que las teorías científicas son construcciones sociales como cualquier otra construcción social (santería, vudú, shamanería, etc.) y que, por lo tanto, su validez es igual a la de cualquier otra. La realidad es más compleja (e interesante) que esas inútiles simplificaciones. Cuando hablamos del proceso científico es urgente hablar del estado de madurez de las teorías científicas y del dominio de validez de las teorías. No es lo mismo una idea incipiente al borde de la especulación que una teoría madura apoyada en 100 años de evidencie experimental. Entonces, cuando se dice que la teoría del “diseño inteligente” se debe enseñar en clase de biología a la par que la teoría de la evolución, estamos dando igual peso a más de 100 años de evidencia empírica y a una fabricación diseñada para satisfacer intereses ideológicos. Entre el público y los estudiantes es común encontrar la noción de que las teorías son “comprobadas” (y por lo tanto verdaderas) y “meras” teorías (es decir de poco valor). Esa noción no corresponde con la realidad, tampoco es útil para entender el proceso científico.
S.P.O.C.: Ahora bien, ¿cuál es el criterio con el que hay que formar el espíritu científico de los estudiantes?
S.T.A.: Es más útil hablar del dominio de validez de las teorías. Una teoría científica es válida dentro de los límites explorados por los experimentos. Así, la mecánica de Newton, por ejemplo, es válida para un amplio rango de velocidades, pero cuando nos aproximamos a la velocidad de la luz la teoría no funciona. En esos casos se aplica la teoría de la relatividad. La mecánica clásica falla a velocidades cercanas a la de la luz pero funciona perfectamente bien para construir casas y puentes. Entonces vean ustedes cómo calificar a la mecánica clásica de “falsa” o “verdadera” no es útil (no es ni lo uno ni lo otro). El ejemplo que estamos siguiendo también nos sirve para exponer otra noción –a mi parecer errónea– según la cual, las teorías nuevas remplazan a las teorías “falsas”: la relatividad de Einstein no remplazó a la mecánica de Newton. Para construir un puente no necesitamos la relatividad, la mecánica de Newton sigue siendo válida. Estas nociones tienen fuerte arraigo en los trabajos de Karl Popper (1934) y Thomas Kuhn (1962), influyentes académicos que avanzaron la tesis de “falsación” (Popper) y “paradigma” (Kuhn). Para Popper una teoría científica robusta es una teoría que incluye pruebas experimentales fuertes que la puedan invalidar; hay que rechazar la teoría cuando las observaciones la contradicen. En Kuhn, la idea de “la teoría de turno” es aún más marcada: el producto de una crisis en la teoría de turno es el reemplazo de un paradigma por otro. “…La decisión de rechazar un paradigma siempre viene acompañada de la decisión de aceptar un nuevo paradigma… Rechazar un paradigma sin substituirlo por otro es rechazar la misma ciencia…” (Kuhn, 1962). Según Popper, tendríamos que rechazar la mecánica clásica por que esta ha sido “falseada” y según Kuhn los ingenieros civiles tendrían que usar la relatividad de Einstein (el nuevo paradigma) para hacer puentes.
Nosotros, los educadores, continuamente estamos revaluando ideas nuevas en pedagogía para responder a los retos y hacer más efectivo el aprendizaje. Aunque algunas metodologías han dado resultados positivos en algunas circunstancias yo no creo que exista una metodología que dé respuesta a todos los problemas. Aquí la formula es tratar de ver qué lecciones aprendimos con diversas metodologías de enseñanza y tomar de ellas los aspectos positivos.
S.P.O.C.: ¿Cuál considera que es el lugar de la creatividad en esta tentativa pedagógica constante?
S.T.A.: La creatividad es absolutamente necesaria para avanzar en el conocimiento científico. Esta afirmación es obvia –las teorías científicas son producto de la imaginación– pero, sin embargo, en el contexto de la pedagogía nos sirve para desarrollar estrategias de impacto educativo. Un ejercicio que practico con mis estudiantes es el de mostrarles una caja negra, no sabemos su contenido, pero observamos un comportamiento interesante. La caja cuando se coloca parada sobre una de sus esquinas se mantiene en equilibrio. Comportamiento extraño. La pregunta a los estudiantes es: ¿cómo hace la caja para no caerse? Los estudiantes tienen que imaginarse lo que hay dentro de la caja y crear un modelo. Pues bien esta actividad es justamente lo que hacemos los científicos. ¿Será que dentro de la caja hay imanes, o giróscopos, o resortes? Los estudiantes tienen que ejercitar la creatividad para dar explicación a las observaciones y también idearse experimentos para probar esos modelos. Los modelos buenos son aquellos que ofrecen una explicación y hacen predicciones fuertes que podemos comprobar con un experimento donde se controlan los factores relevantes del experimento. Los modelos que no son consistentes con los datos empíricos quedan rechazados o se tienen que ajustar (hasta cierto punto –recordemos la historia de los epiciclos que introdujeron los astrónomos que seguían el modelo geocéntrico para poder explicar los movimientos aparentes de los planetas–). 
Piensen ustedes en la creatividad de Einstein al imaginarse que las tres coordenadas del espacio y la coordenada del tiempo conforman una nueva entidad continua donde tiempo y espacio son intercambiables. Igualmente sucede con su propuesta en la cual la fuerza de la gravedad es un producto de la curvatura del espacio. Para desarrollar sus teorías Einstein se imaginaba a personajes haciendo mediciones de longitud y de tiempo en trenes, en ascensores y en plataformas sobre la tierra. La teoría del Big Bang también fue producto de la creatividad. Fue George Lemaitre en 1927 quien se ideó un modelo del comienzo del universo a partir de un átomo primigenio que se “desintegró” en una gran onda expansiva. El poeta Edgar Alan Poe también propuso en 1848 en su ensayo Eureka una conjetura similar sobre el origen del universo. Aquí aprendemos una lección sobre cómo funciona la ciencia: ¿porqué el trabajo de Poe nunca llegó a ser aceptado o reconocido por la comunidad científica y el de Lemaitre sí (aunque tardíamente)? Bueno, son muchas las lecciones. Una de ellas es que no todos los productos de la imaginación son teorías científicas viables. Lo que hizo Lemaitre a diferencia de Poe fue proveer razonamientos dentro del marco teórico (algunos dirían paradigma, pero en este caso ese concepto –por lo menos como Kuhn lo concibió– no se aplica) aceptado por la comunidad de practicantes. En realidad la historia es más complicada: el modelo cosmológico del Big Bang fue fuertemente rechazado por la comunidad científica hasta mediados de la década de 1960 cuando las observaciones astronómicas comenzaron a comprobar el modelo.
Con Einstein diríamos que “las teorías científicas son libres invenciones de la imaginación…” Pero, también con Einstein, tendríamos que añadir que no todas las invenciones de la mente son iguales y que un buen científico debe estar dispuesto a renunciar a su creación cuando los datos así lo obligan. Es innegable que la intuición y esa mezcla de especulación e introspección –que el filósofo americano Charles Sanders Peirce llama abducción– juegan un papel determinante en la gestación de una teoría científica pero esto no significa que las teorías científicas son arbitrarias. Sí, las teorías científicas son construcciones sociales, pero no todas las construcciones sociales son iguales. La ciencia presenta ventajas epistémicas que otras construcciones sociales no poseen. La tendencia a producir realidades empíricas estables y confiables y la pasión con la que los científicos se entregan despiadadamente a encontrar errores en las teorías de sus colegas son las bases que hacen de la ciencia una cosmovisión que goza de privilegios epistémicos. Esta manera de aproximarse a la naturaleza promueve una actitud de honestidad y respeto hacia los datos empíricos del mundo externo.
Foto de Adobe Stock

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