Simula, simula, que te hara bien

La simulación mediante grandes computadoras es una de las poderosas herramientas de la ciencia actual. Pero el jinete, el búho inquieto se pregunta hasta qué punto esas simulaciones, alentadas y dirigidas por las grandes máquinas, representan verdaderamente la realidad.
–¿En qué consiste su trabajo? ¿Qué quiere averiguar?

–Yo trabajo en la frontera entre la física y la química. La idea es, implementando las leyes de la mecánica cuántica en la computadora, hacer una simulación de cómo se comportan las moléculas, o los materiales en general, hacer evolucionar un sistema en el tiempo y ver qué pasa cuando, por ejemplo, se acerca una molécula a una superficie o dos moléculas… Cuando hablo de molécula puede ser una proteína, una molécula de oxígeno o una superficie, que es un sistema muchísimo más grande. Lo que nosotros hacemos es calcular las propiedades de un sistema como ése, que puede tener que ver con la energía, con la forma en que ese sistema se transforma en otra cosa. Por ejemplo, cómo un oxígeno se puede asociar a una proteína y ser transportado a través de la sangre…

–¿Cómo ocurre eso?

–Esencialmente son acciones químicas que están gobernadas por las leyes de la mecánica cuántica. Programando esas ecuaciones, usando las condiciones de contorno adecuadas, se pueden predecir o analizar esos procesos con el detalle que uno quiera.

–En general, un científico es alguien que no sabe determinadas cosas y las quiere averiguar. ¿Qué es lo que usted no sabe de todo esto?

–La idea es experimentar con sistemas nuevos o no tan nuevos, pero que tienen comportamientos que son promisorios para alguna aplicación. Por ejemplo, nosotros trabajamos bastante en colaboración con grupos experimentales que investigan en electroquímica, en química de los materiales. Uno de los proyectos está relacionado con unos materiales que tienen en su interior unos canales muy pequeños dentro de los cuales pueden ocurrir reacciones muy particulares: pueden utilizarse como catalizadores, se pueden utilizar como componentes en microelectrónica. Nosotros lo que podemos hacer es calcular las propiedades que van a tener estos materiales incluso antes de ser sintetizados. Muchas veces, también, se observan cosas en esos materiales que no se sabe a qué se deben atribuir.

–¿Por ejemplo?

–Por ejemplo se ve que, cuando cierta sustancia se inyecta en ese material, se convierte en otra. En el caso de otra sustancia parecida con la que se hace ese mismo proceso, eso no ocurre. Hay mecanismos moleculares, entonces, que hacen que lo que pasa en un caso no pase en el otro y viceversa. Básicamente, nosotros con nuestras herramientas podemos orientar a los que experimentan en lo que está pasando a escala molecular. Hay experimentos capaces de detectar cosas muy específicas a nivel molecular, pero lo que uno puede ver es una parte de lo que está pasando. Por ejemplo, indirectamente, al medir un espectro, se puede saber que determinada molécula se unió con otra a través de una banda en el espectro. Nosotros, con una simulación, estamos viendo toda la película, todos los átomos que están en la película. Podemos cambiar la temperatura, podemos cambiar la presión, podemos cambiar la identidad química y ver qué pasa si tocamos esto o si tocamos lo otro. Esto es muy útil, por ejemplo, para un experimentalista que esté buscando determinadas condiciones en los materiales. Nosotros le podemos decir: cambiá esta molécula por esta otra y seguramente vas a tener más chances de que la reacción que estás buscando ocurra.

–Ahora la potencia de las máquinas permite una simulación muy precisa. ¿Tiene una relación uno a uno con lo que ocurre en la realidad?

–Cuanto más pequeño sea el sistema, más exacta será la representación que yo pueda hacer. Sistemas moleculares de pocos átomos son casi totalmentepredecibles. Por ejemplo, con los métodos de mecánica cuántica aplicados a la química se pueden conocer todas las propiedades de una molécula de H2 (la distancia entre los dos átomos, o la frecuencia de la vibración) con un error ínfimo (del 0,001 por ciento).

–¿Cuál es la distancia?

–Del orden de un Armstrong, que es 10 a la menos 10 metros. Todas esas son cosas que se conocen bien experimentalmente, y son perfectamente reproducibles por la simulación. A medida que se van agregando átomos, las simulaciones comienzan a ser más complicadas.

–¿Y allí qué pasa?

–Pasa que sistemas formados por hasta 10 átomos en el vacío o moléculas orgánicas en algún entorno con un solvente no polar (que no altera demasiado el sistema) pueden ser predichos tan confiablemente como los datos que se obtienen de manera experimental. Pero para hacer un cálculo tan exacto por ahí se necesita una computadora muy buena, con varios procesadores en paralelo, durante muchos días. Con un método de mecánica cuántica se puede obtener la propiedad fisicoquímica que a uno se le ocurra: la densidad específica, el volumen, etc. Casi todo lo que hace la química experimental es tratar de encontrar esas propiedades. Entonces: ¿para qué sirve la química experimental? Bueno, como le decía, las simulaciones funcionan muy bien para sistemas pequeños. En la medida en que el sistema se va agrandando, y llega a un centenar de átomos, ya hay que hacer muchas aproximaciones. Se vuelve inmanejable muy pronto: un sistema de 100 átomos tiene una solución mucho más aproximada. Uno no puede confiar ciegamente en el resultado, pero sí son muy útiles para marcar tendencias. Por ejemplo: uno sabe que cierto receptor en la membrana de la célula tiene afinidad con una determinada molécula y cambia el diseño de esa molécula: en lugar de un átomo de cloro coloca uno de bromo y se verifica en la computadora que hay una afinidad aún mayor. Uno no puede confiar exactamente en el número que le está dando la computadora, pero sí en que esa segunda molécula tiene más afinidad que la primera. A nivel de muy pocos átomos se pueden obtener buenas predicciones, con más átomos es más bien una tendencia.

–¿Y eso tiene que ver con el primitivismo de las computadoras o hay algo intrínseco que no pueden representar los modelos?

–Digamos que las computadoras ahora son buenas, aunque es difícil medir qué tan buenas son en términos absolutos. Yo diría que tiene que ver con la complejidad de las aproximaciones numéricas que se usan para resolver estos sistemas. Son métodos que no tienen solución analítica… Lo que uno hace esencialmente es plantear una base con un sistema de ecuaciones autoconsistentes iterativas. Uno plantea una solución aproximada que depende del resultado, y a través de muchas iteraciones se llega al resultado final. Para cada una de esas iteraciones hay que hacer, por ahí, decenas de miles de cuentas. El problema también es que uno necesita expandir la solución en una base enorme con decenas de miles de funciones que tiene que analizar. Se llega, de todos modos, a resultados increíblemente buenos.

–Hay dos problemas. Ustedes los químicos trabajan, en general, con sistemas grandes (comparados con los físicos). En el caso de la física de partículas, uno se pregunta si los modelos teóricos representan la realidad o si son simplemente modelos. En este caso, como los sistemas son grandes, uno tiende a pensar que los modelos están más cerca de la realidad. ¿Usted qué piensa?

–Uno siempre trabaja con modelos….

–En general los científicos, cuando no saben la naturaleza de las cosas, dicen que son modelos; cuando la saben, dicen que es como son las cosas. Pienso, por ejemplo, en la ley de gravedad. Me parece que la ciencia está fundamentalmente interesada por la naturaleza y no se puede pensar como completamente ajena a una metafísica. Pienso también en los fotones… ¿hay fotones en el mundo?

–Bueno, es una categoría abstracta que utilizamos para entender las cosas. Lo mismo con lo que hacemos nosotros: para nosotros hay un modelo que funciona que se desprende de la mecánica cuántica, que es consistente con millones de experimentos y que predice todas las propiedades de la materia que uno se pueda imaginar. Hasta ahora todo se puede verificar a partir de la mecánica cuántica, lo cual no quiere decir que sea una teoría final. En cualquier momento puede ser reemplazada…

–Pero con la mecánica cuántica hubo toda una discusión. Para ponerlo muy grueso: el principio de indeterminación para algunos es un problema de la física y para otros de la naturaleza. ¿Usted qué cree?

–Tomar una decisión ahí es un poco arbitrario…

–Pero también el asunto está en las creencias que uno pueda tener. El otro día conversaba con un científico del Proyecto Auger y, cuando le pregunté qué creía que eran las partículas superenergéticas que detectaban, me contestó: “Yo no creo, yo observo”. Yo creo, sin embargo, que todos creen, especulan, imaginan.

–Después de un tiempo uno se acostumbra a no meter esos prejuicios antes de meterse en el tema en que investiga…

–Es que todos trabajan con prejuicios. El asunto es si uno es o no es consciente de los prejuicios con los que carga. Copérnico, por ejemplo, tenía (y no sabía que lo tenía) el prejuicio de la circularidad. Y no pudo sacárselo de encima… Hicieron falta 100 años.

–En ese sentido yo, si tuviera que tomar una postura, me inclinaría más a decir que es una indeterminación de la naturaleza.

–Bueno, es bastante decir.
Fuente: http://www.pagina12.com.ar/diario/ciencia/index.html

ARGENTINA. Miércoles, 4 de Febrero de 2009