El quark y el jaguar no es una autobiografía, aunque de hecho contiene recuerdos de mi infancia y anécdotas sobre colegas científicos. Tampoco trata de mi trabajo en el campo de los quarks, pese a que gran parte del libro está dedicada a reflexiones sobre las leyes fundamentales de la física, incluido el comportamiento de dichas partículas. Espero escribir algún día una autobiografía científica, pero el propósito en este volumen es presentar al lector mi propia visión sobre una síntesis que está emergiendo en los límites de la investigación acerca de la naturaleza del mundo que nos rodea: el estudio de lo simple y lo complejo. Este estudio está empezando a reunir, con una nueva perspectiva, material procedente de muy diversos campos de las ciencias físicas, biológicas y del comportamiento, e incluso de las artes y humanidades. El enfoque que conlleva facilita el descubrimiento de conexiones, en ocasiones entre hechos o ideas que a simple vista parecen muy alejados entre sí. Más aún, está empezando a dar respuesta a algunas de las preguntas que muchos de nosotros, científicos o no, continuamos haciéndonos sobre el verdadero significado de lo simple y lo complejo.
Este libro está dividido en cuatro partes. En la primera, comienzo refiriendo algunas experiencias personales que me condujeron a escribirlo. Dando largos paseos por las selvas tropicales, estudiando los pájaros y planeando actividades conservacionistas, comenzó a tomar cuerpo en mí la idea de compartir con los lectores mi creciente conciencia de los vínculos entre las leyes fundamentales de la física y el mundo que vemos a nuestro alrededor. Durante toda mi vida me ha apasionado explorar el reino de los seres vivos, aunque mi dedicación profesional ha estado principalmente orientada hacia la investigación de las leyes fundamentales. Estas leyes, subyacentes a toda ciencia (en un sentido que se discutirá en las páginas que siguen), a menudo parecen completamente ajenas a la experiencia, incluyendo gran parte de la propia de otras ciencias distintas de la física. Al reflexionar sobre cuestiones relacionadas con lo simple y lo complejo percibimos conexiones que nos permiten establecer vínculos entre todos los fenómenos de la naturaleza, desde los más sencillos a los más complicados.
Cuando mi esposa me leyó el poema de Arthur Sze donde menciona el quark y el jaguar, me chocó de inmediato lo bien que ambas imágenes se ajustaban a lo que yo quería tratar. Los quarks son los ladrillos básicos que componen toda la materia. Todo objeto que vemos está constituido de quarks y electrones. Incluso el jaguar, ese antiguo símbolo de fuerza y ferocidad, es un manojo de quarks y electrones, ¡pero qué manojo! Exhibe una enorme complejidad, resultado de miles de millones de años de evolución biológica. Sin embargo, ¿qué significa exactamente la complejidad en este contexto, y cómo surgió? Ésta es la clase de cuestiones que este libro trata de responder.
El resto de la primera parte está dedicado a las relaciones entre conceptos diversos de simplicidad y complejidad, así como a los sistemas complejos adaptativos —aquellos que aprenden o evolucionan del mismo modo que lo hacen los seres vivos—. Un niño que aprende su lengua materna, una bacteria que desarrolla resistencia a los antibióticos y la empresa científica humana son ejemplos de sistema complejo adaptativo que se discuten. También se discute el papel de la teoría en la ciencia, así como el problema de cuáles son las ciencias más fundamentales, junto con la cuestión relacionada de lo que se entiende por reduccionismo.
La segunda parte trata de las leyes fundamentales de la física, aquellas que gobiernan el cosmos y las partículas elementales a partir de las cuales se compone toda la materia del universo. Aparecen aquí por derecho propio los quarks, así como las supercuerdas, que ofrecen por primera vez en la historia una seria posibilidad de teoría unificada de todas las partículas e interacciones de la naturaleza. La teoría de las partículas elementales es tan abstracta que mucha gente encuentra difícil seguirla incluso cuando, como aquí, se la explica sin recurrir a las matemáticas. Para algunos lectores quizá sea aconsejable saltarse estas secciones, especialmente los capítulos 11 (sobre la interpretación moderna de la mecánica cuántica) y 13 (sobre el modelo estándar de las partículas elementales, quarks incluidos). La no lectura de estos capítulos, o incluso de toda la segunda parte, no impide el seguimiento de las partes restantes. Resulta irónico que una parte del libro consagrada a explicar por qué las teorías físicas fundamentales son simples pueda resultar, sin embargo, demasiado difícil para muchos lectores. ¡Mea culpa! Esta segunda parte concluye con un capítulo sobre la flecha o flechas del tiempo, y culmina con un comentario acerca de por qué siguen apareciendo más y más estructuras complejas, ya sean sistemas complejos adaptativos, como la evolución biológica, ya sean sistemas no adaptativos, como las galaxias.
La tercera parte recoge las presiones selectivas que actúan sobre los sistemas complejos adaptativos, especialmente en la evolución biológica, el pensamiento creativo humano, el pensamiento crítico y supersticioso y algunos aspectos (incluidos los económicos) del comportamiento de las sociedades humanas. Se introducen las nociones, imprecisas aunque convenientes, de adaptación y relieve adaptativo. En el capítulo 20 describo brevemente el uso de los ordenadores como sistemas complejos adaptativos, por ejemplo para desarrollar estrategias en ciertos juegos o para proporcionar simulaciones simplificadas de sistemas complejos adaptativos naturales.
La última parte difiere bastante del resto, pues se centra más en asuntos de política y legislación. El capítulo 21 prosigue la discusión precedente sobre la diversidad de la vida en la Tierra como representación de la información destilada a lo largo de cuatro mil millones de años de evolución biológica, así como la diversidad cultural del hombre representa lo mismo en relación con las decenas de miles de años de evolución cultural del Homo sapiens sapiens. En este capítulo argumento que merece la pena dedicar un gran esfuerzo a preservar tanto la diversidad biológica como la cultural, y señalo algunos de los desafíos, problemas y paradojas implicados. Pero no es posible considerar todos estos aspectos por separado. En la actualidad, la red de interrelaciones que conecta el género humano consigo mismo y con el resto de la biosfera es tan compleja que todos los aspectos se influyen mutuamente en grado extremo. Alguien debería estudiar el sistema en su totalidad, aunque sea toscamente, porque la suma de los estudios parciales de un sistema complejo no lineal no puede dar idea del comportamiento del todo. El capítulo 22 describe algunos de los esfuerzos que empiezan a desarrollarse para llevar a cabo un estudio tal de los problemas mundiales que incluya todos los aspectos relevantes, y no sólo los medioambientales, demográficos o económicos, sino también los sociales, políticos, militares, diplomáticos e ideológicos. El objeto de este estudio no es especular sobre el futuro, sino tratar de identificar, entre las múltiples alternativas de futuro razonablemente probables que se le plantean al género humano y al resto de la biosfera, cuáles son aquellas que podrían conducir a una mayor sostenibilidad. La palabra sostenibilidad se emplea aquí en un sentido amplio, que no sólo implica evitar las catástrofes medioambientales, sino también las guerras devastadoras, la propagación de las tiranías permanentes y otros males mayores.
El lector encontrará en este volumen muchas referencias al Instituto de Santa Fe, en cuya fundación colaboré y en el cual trabajo ahora después de retirarme del Instituto Tecnológico de California. En este último soy en la actualidad profesor emérito tras haber enseñado allí durante más de treinta y ocho años. Una buena parte de la investigación que hoy se lleva a cabo sobre la simplicidad, la complejidad y los sistemas complejos adaptativos la efectúan miembros del Instituto o, para ser más exactos, de la familia del Instituto.
Resulta apropiada la palabra familia, porque el Instituto de Santa Fe es una organización bastante poco rígida. El presidente, Edward Knapp, está asistido por dos vicepresidentes y una plantilla de personal administrativo compuesta por una docena de trabajadores de gran dedicación. Solamente hay tres catedráticos, yo entre ellos, todos con cinco años de antigüedad. Cualquiera puede ser visitante, con una estancia entre un día y un año. Los visitantes vienen de todas partes del mundo, algunos de ellos con cierta frecuencia. El Instituto organiza numerosos cursillos, que duran desde unos pocos días hasta semanas. Además, se han establecido varias redes de investigación sobre diversos temas interdisciplinarios. Los miembros de estas redes se comunican entre sí por teléfono, correo electrónico, fax y ocasionalmente por correo ordinario, y se reúnen periódicamente en Santa Fe o en otro lugar. Hay expertos en decenas de especialidades, todos interesados en colaborar por encima de las fronteras disciplinarias. Cada uno de ellos trabaja en su propia institución, donde lleva a cabo satisfactoriamente sus investigaciones, pero todos valoran su afiliación a Santa Fe porque les permite establecer contactos que de otra manera resultarían menos fáciles. Las instituciones de procedencia pueden ser grandes laboratorios industriales, universidades o laboratorios nacionales (especialmente el de Los Alamos, que ha suministrado al Instituto tantos miembros brillantes y activos).
Quienes se dedican a estudiar sistemas complejos adaptativos comienzan ya a encontrar algunos principios generales subyacentes en este tipo de sistemas; la búsqueda de estos principios requiere intensas discusiones y colaboraciones entre especialistas de muchas áreas. Por descontado, el estudio meticuloso e inspirado de cada especialidad sigue siendo tan vital como siempre, pero la integración de las diferentes especialidades es también una necesidad urgente. El puñado de expertos y científicos especialistas que se están convirtiendo en estudiosos de la simplicidad y la complejidad, o de los sistemas complejos adaptativos en general, ha realizado ya importantes contribuciones científicas.
El éxito de esta transición se halla asociado a menudo con cierto estilo de pensamiento. Nietzsche introdujo la distinción entre «apolíneos», aquéllos que dan preferencia a la lógica, la aproximación analítica y el peso desapasionado de la evidencia, y «dionisíacos», aquéllos más inclinados a la intuición, la síntesis y la pasión. Estos rasgos se suelen correlacionar de forma burda con el uso preferente de los hemisferios cerebrales izquierdo y derecho, respectivamente. Algunos de nosotros parecemos pertenecer a otra categoría: los «odiséicos», que combinan las dos predilecciones en su búsqueda de conexiones entre las ideas. La gente así suele sentirse sola en las instituciones convencionales, pero encuentran un ambiente particularmente agradable en el Instituto de Santa Fe.
Las especialidades representadas en el centro incluyen las matemáticas, la informática, la física, la química, la biología de poblaciones, la ecología, la biología evolutiva, la biología del desarrollo, la inmunología, la arqueología, la lingüística, las ciencias políticas, la economía y la historia. El Instituto también convoca seminariós y publica memorias científicas sobre temas tan dispares como la propagación de la epidemia del SIDA, las oleadas migratorias de los pueblos prehistóricos del sudoeste de los Estados Unidos, las estrategias de recolección de las colonias de hormigas, cómo se puede ganar dinero aprovechando aspectos no aleatorios de las fluctuaciones de precios en los mercados financieros, qué les sucede a las comunidades ecológicas cuando desaparecen especies importantes, cómo programar ordenadores para simular la evolución biológica y cómo gobierna la mecánica cuántica el mundo familiar que vemos a nuestro alrededor.
El Instituto de Santa Fe colabora también con otras organizaciones en el intento, descrito en el capítulo 22, de modelar las vías a través de las cuales la sociedad humana de nuestro planeta puede evolucionar hacia esquemas más sostenibles de interacción consigo misma y con el resto de la biosfera. Aquí resulta especialmente necesario superar la idea dominante en los círculos académicos y burocráticos de que sólo merece la pena dedicarse seriamente a investigaciones altamente detalladas en el seno de una especialidad. Hay que valorar las contribuciones igualmente fundamentales de aquellos que se atreven a dar lo que yo llamo «un vistazo a la totalidad».
Aunque el Instituto de Santa Fe es uno de los poquísimos centros científicos del mundo dedicados exclusivamente al estudio de lo simple y lo complejo en una gran variedad de campos, no es de ninguna manera el único lugar —ni siquiera el principal— donde se llevan a cabo investigaciones importantes sobre estos temas. Muchos de los proyectos específicos del Instituto tienen paralelos en otras partes del mundo y, en muchos casos, la investigación relevante comenzó anteriormente en otras instituciones, a menudo antes de que este centro fuera fundado en 1984. En algunos casos, esas instituciones son la base de operaciones de miembros clave de la familia del Instituto.
En este punto debería disculparme por lo que debe parecer una especie de campaña publicitaria, especialmente porque la naturaleza de la relación entre el Instituto y otras organizaciones científicas y docentes ha aparecido algo distorsionada en ciertos libros publicados por autores científicos en los últimos años. La glorificación del Santa Fe a expensas de otros lugares ha indignado a muchos de nuestros colegas, especialmente en Europa. Pido excusas por adelantado si mi libro diera una impresión igualmente equivocada. La única razón de mi insistencia en Santa Fe es que estoy familiarizado con buena parte del trabajo que se lleva a cabo aquí, o con el que realizan los estudiantes y científicos que nos visitan, y conozco más bien poco de la investigación que se desarrolla en otros lugares.
En cualquier caso, citaré (sin ningún orden particular) algunas de las instituciones punteras donde se realizan, o se han estado realizando durante muchos años, investigaciones relevantes sobre aspectos relacionados con la simplicidad, la complejidad y los sistemas complejos adaptativos. Naturalmente, al hacer esto corro el riesgo de exacerbar la ira de los científicos y estudiosos pertenecientes a los centros que no he incluido en esta lista parcial:
La École Nórmale Supérieure de Paris; el Instituto Max Planck de Química Biofísica en Góttingen, cuyo director es Manfred Eigen; el Instituto de Química Teórica de Viena, antes dirigido por Peter Schuster, actualmente embarcado en la fundación de un nuevo instituto en Jena; la Universidad de Michigan, donde Arthur Burks, Robert Axelrod, Michael Cohen y John Holland forman el «grupo BACH», un equipo interdisciplinario que durante mucho tiempo ha trabajado en problemas relacionados con sistemas complejos, todos ellos conectados en algún grado con el Instituto de Santa Fe, especialmente John Holland, miembro, al igual que yo, del consejo científico; la Universidad de Stuttgart, donde Hermann Haken y sus colaboradores se dedican desde hace tiempo al estudio de los sistemas complejos en las ciencias físicas bajo la denominación de «sinergética»; la Universidad Libre de Bruselas, donde se han llevado a cabo importantes aportaciones durante muchos años; la Universidad de Utrech; el Departamento de Ciencias Puras y Aplicadas de la Universidad de Tokio; el ATR, cerca de Kyoto, adonde se ha ido Thomas Ray, antes en la Universidad de Delaware; los centros para el estudio de sistemas no lineales en varios campus de la Universidad de California, entre ellos los de Santa Cruz, Berkeley y Davis; la Universidad de Arizona; el Centro para la Investigación de Sistemas Complejos, del Instituto Beckman, adscrito a la Universidad de Illinois en Urbana; el programa de computación y redes neuronales del Instituto Beckman, adscrito al Instituto Tecnológico de California; la Universidad Chalmers, en Góteborg; el NORDITA, en Copenhague; el Instituto Internacional para el Análisis Aplicado de Sistemas, en Viena, y el Instituto para el Intercambio Científico, en Turin.
Algunos amigos y colegas, cuyo trabajo respeto profundamente, han tenido la amabilidad de revisar todo el manuscrito en varias fases de su elaboración. Estoy muy agradecido por su ayuda, que me ha resultado inmensamente valiosa, aunque, debido a las premuras de tiempo, sólo he podido aprovechar una fracción de sus excelentes sugerencias. Ellos son Charles Bennet, John Casti, George Johnson, Rick Lipkin, Seth Lloyd, Cormac McCarthy, Harold Morowitz y Carl Sagan. Además, un puñado de distinguidos expertos en diversos campos me ha regalado su tiempo accediendo a revisar pasajes particulares del manuscrito; quiero mencionar a Brian Arthur, James Brown, James Crutchfield, Marcus Feldman, John Fitzpatrick, Walter Gilbert, James Hartle, Joseph Kirschvink, Christopher Langton, Benoît Mandelbrot, Charles A. Munn III, Thomas Ray, J. William Schopf, John Schwarz y Roger Shepard. Naturalmente, los errores que puedan persistir son de mi única responsabilidad, y no son atribuibles a ninguna de estas personas sabias y amables.
Cualquiera que me conozca sabe de mi aversión a los errores, que se manifiesta, por ejemplo, en mi incesante corrección de palabras francesas, italianas y españolas en los menús de los restaurantes americanos. Cuando descubro una inexactitud en un libro escrito por cualquier otro, me invade la decepción y me pregunto si en verdad podré aprender algo de un autor que ha demostrado estar equivocado como mínimo en un punto. Cuando los errores me conciernen a mí o a mi trabajo, me pongo furioso. Así pues, el lector de este volumen se podrá hacer fácilmente una idea de la turbación que estoy padeciendo al imaginarme decenas de errores graves descubiertos por mis amigos y colegas tras la publicación, y señalados, con soma o pena, a este autor tan perfeccionista. Además, no dejo de pensar en el personaje imaginario que me describió Robert Fox (un autor especializado en el problema de la población): un vigilante de faro noruego que no tenía otra cosa que hacer en las largas noches de invierno que leer nuestros libros en busca de errores.
Quisiera expresar mi especial gratitud a mi diestra y fiel asistente, Diane Lams, por toda la ayuda que me ha prestado en el proceso de acabado y edición del libro, por resolver mis asuntos de forma tan competente, lo que me permitió dedicar el suficiente tiempo y energía al proyecto y, en especial, por sobrellevar el mal carácter que muestro frecuentemente a la vista de plazos límite.
Los editores, W. H. Freeman and Company, han sido muy comprensivos con mis dificultades a la hora de cumplir plazos, y me proporcionaron un maravilloso jefe de edición, Jerry Lyons (ahora en Springer-Verlag), con quien ha sido una delicia trabajar. Quisiera agradecerle no sólo sus esfuerzos, sino también su buen humor y afabilidad, y los muy buenos momentos que Marcia y yo hemos pasado con él y su maravillosa esposa, Lucky. Mi gratitud se extiende también a Sara Yoo, quien trabajó incansablemente distribuyendo copias y revisiones a editores impacientes de todo el mundo. Liesl Gibson merece mi agradecimiento por su cortés y muy eficiente asistencia con las exigencias de última hora en la preparación del manuscrito.
Es un placer reconocer la hospitalidad de las cuatro instituciones a las que he estado ligado mientras escribía este libro: Caltech[1], el Instituto de Santa Fe, el Centro Aspen de Física y el Laboratorio Nacional de Los Alamos. Quisiera mostrar mi agradecimiento a la Fundación Alfred P. Sloan y a las agencias gubernamentales estadounidenses que han financiado mi investigación en los últimos años: el Departamento de Energía y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. (A algunos lectores les puede sorprender el hecho de que estas agencias financien investigaciones que, como la mía, no están clasificadas como militares ni tienen conexión con las armas. La ayuda otorgada a la ciencia pura por estas organizaciones es una buena prueba de su clarividencia.) También agradezco profundamente la donación de Jeffrey Epstein al Instituto de Santa Fe para apoyar mi trabajo.
En Los Alamos me trataron muy amablemente el director del laboratorio, Sig Hecker, el director de la división teórica, Richard Slansky, y el secretario de la división, Stevie Wilds. En el Instituto de Santa Fe, cada miembro de la administración y del personal ha sido de lo más servicial. En Caltech, el presidente, el rector y los miembros entrantes y salientes de la división de física, matemáticas y astronomía, han sido todos ellos muy amables, así como John Schwarz y esa maravillosa dama que ha sido la secretaria del grupo de teoría de partículas elementales durante más de veinte años, Helen Tuck. En el Centro Aspen de Física todo ha orbitado desde su fundación hace más de treinta años en torno a Sally Mencimer, y quisiera agradecerle también a ella sus muchas amabilidades.
Escribir nunca me ha resultado fácil, probablemente debido a que siendo niño mi padre criticaba con vehemencia cualquier cosa que yo redactase. El que yo fuese capaz de completar este proyecto hay que debérselo a mi amada esposa Marcia, que me inspiró y espoleó para perseverar en el trabajo. Su contribución fue indispensable también en otros aspectos. Como poetisa y profesora de inglés, fue capaz de curar mis peores hábitos lingüísticos, aunque desafortunadamente aún restan muchas imperfecciones de estilo que, por supuesto, no hay que achacarle. Me persuadió para trabajar con un ordenador, del cual me he convertido en un adicto; ahora me parece extraño haber pensado alguna vez en pasar sin uno. Además, tratándose ella de una persona con poco bagaje científico o matemático, pero con un profundo interés en ambas disciplinas, ha sido el banco de pruebas ideal para este libro.
En mi labor de profesor y conferenciante, a menudo me han aconsejado elegir a alguien de la audiencia y dirigir la charla a esa persona en particular, tratando incluso de establecer contacto visual repetido con ella. En cierto sentido, eso es lo que he hecho aquí. Este libro está destinado a Marcia, que me indicó incansablemente los sitios donde las explicaciones eran insuficientes o las discusiones excesivamente abstractas. He cambiado partes del manuscrito una y otra vez hasta que ella las comprendió y dio el visto bueno. Como en muchos otros aspectos, disponer de más tiempo me hubiera ayudado. Todavía hay, lamentablemente, ciertos pasajes en los que ella hubiese deseado una mayor claridad.
Mientras daba los toques finales que me permitían los plazos límite, me di cuenta de que nunca en mi vida había trabajado tan intensamente. La investigación en física teórica es completamente distinta. Naturalmente, un físico teórico piensa y ejerce muchísimo en horas intempestivas, sea o no consciente de ello. Pero unas pocas horas de reflexión o de cálculo, cada día o cada pocos días, más una buena cantidad de discusiones con colegas y estudiantes, junto con el tiempo dedicado al trabajo explícito en el escritorio o en la pizarra, suelen ser suficientes. Escribir, por contra, significa invertir un buen número de horas frente al teclado prácticamente cada día. Para una persona fundamentalmente perezosa como yo, ello ha representado una auténtica conmoción.
Lo más apasionante de haber escrito un libro como éste es la conciencia de que el propio proyecto era en sí mismo un sistema complejo adaptativo. En cada fase de su composición, tenía un modelo mental (o esquema) para el conjunto, un resumen conciso de lo que pretendía ser. Para producir un capítulo o una parte, este resumen tenía que revestirse de gran cantidad de detalles. Después, mi editor, mis amigos y colegas, y finalmente Marcia y yo mismo, examinábamos lo escrito, y los comentarios y críticas resultantes no sólo afectaban al texto de aquel capítulo, sino al propio modelo mental, propiciando a veces su sustitución por otro. Cuando se añadían detalles al nuevo modelo para producir más texto, se repetía el mismo proceso. De esta manera el concepto de la totalidad del trabajo continuaba evolucionando.
El resultado de este proceso evolutivo es el libro que el lector está a punto de leer. Espero que consiga comunicar algunas de las emociones que experimentamos los que nos dedicamos a pensar en la cadena de relaciones que enlazan el quark con el jaguar y con los propios seres humanos.