I. INTRODUCCIÓN

Los fundamentos de la ciencia como un todo, y de la física en particular, esperan sus grandes revelaciones de la biología, y especialmente del análisis de las sensaciones... La observación psicológica por un lado, y la observación física por el otro, pueden progresar tanto que terminarán estando en contacto, y de esta manera, muchos conocimientos podrán salir a la luz. Los resultados de esta investigación no constituirán un dualismo sino una ciencia, la cual al incluir tanto lo orgánico como lo inorgánico, interpretará los hechos que son comunes a ambas.

(MACH, 1914)

EL HOMBRE siempre ha tenido interés por conocerse a sí mismo y al mundo que lo rodea y este interés ha sido uno de los motores que le ha permitido, en su estancia relativamente corta sobre la Tierra, lograr una transformación tan grande del mundo. Esta transformación se ha llevado a cabo primero muy lentamente, a lo largo de miles de años, y después, de una forma cada vez más acelerada. Así, tenemos que durante este siglo se ha producido la primera revolución técnico-científica: por un lado, se ha logrado un gran avance en el conocimiento de la naturaleza fundamental de la materia, y por otro, la ciencia se ha involucrado, muy profundamente, con la industria y la agricultura.

En los años cercanos a los albores del siglo XX, la vida era muy diferente a la que ahora tenemos. Así vemos que, por ejemplo, las casas aún no contaban siquiera con luz eléctrica, ya que la lámpara incandescente recién se había inventado (Figura 1). En aquellos años se realizaron inventos muy ingeniosos, como el kinetoscopio, antecedente del cinematógrafo, en el cual únicamente una persona podía disfrutar del espectáculo. También corresponden a esa época el lanzamiento al mercado de los primeros gramófonos y fonógrafos, de las primeras máquinas sumadoras y el invento del teléfono, el cual vino a revolucionar el mundo de las telecomunicaciones. En el plano del transporte, tenemos la creación y desarrollo del automóvil, de los primeros aviones pequeños y de los gigantescos dirigibles. En el terreno militar, se inicia el uso de los primeros explosivos estables, los cuales no estallan a menos de que se pongan en contacto con las substancias que los activan. En el ámbito de la investigación en materiales, se crean los primeros plásticos útiles (la baquelita que se utiliza como aislante eléctrico), etcétera. En cuanto a la actividad científica, ésta estaba prácticamente concentrada en Inglaterra, Francia y Alemania. Por aquellos días se descubren los rayos X, se inventa el ultramicroscopio (capaz de aumentar el tamaño de las imágenes 7 500 veces debido a que utiliza luz ultravioleta) y se confirma la naturaleza atómica de la materia.

Por esos años se inició una aceleración súbita y sin precedentes de la actividad científica y de sus aplicaciones, la cual continúa hasta nuestros días; de manera que en los últimos años, se han llevado a cabo más trabajos científicos que en toda la historia previa de la humanidad. Como consecuencia, hemos experimentado un cambio total en nuestra concepción del mundo y en nuestro estilo de vida. Este desenvolvimiento técnico tan acelerado, ha dado origen y ha sido a su vez resultado de una interpenetración, en los países industrializados, entre la ciencia y la industria. El avance científico y el progreso técnico han quedado ligados de manera que ahora es prácticamente imposible hablar de ellos por separado.

Figura 1. Apuntes de Edison en los cuales se muestran los esbozos de las primeras bombillas eléctricas.

Algunas de las características que describen el desarrollo científico-técnico del presente siglo, son el inicio de la producción en serie, el control automático de los procesos industriales, la disponibilidad y control de la energía, la aparición de los medios de comunicación masiva, y la substitución del hombre en la ejecución de ciertos trabajos por máquinas o dispositivos electrónicos. Todos estos factores proporcionaron la explotación en gran escala de los recursos naturales, la producción de materias primas, y el desarrollo de industrias como la eléctrica, química, farmacéutica, alimenticia, etc. Ahora contamos con fertilizantes, insecticidas, detergentes, plásticos y fibras sintéticas, antibióticos, armas químicas, entre otros. Un elemento más de capital importancia en el avance de la ciencia ha sido el deseo de dominio y supremacía del hombre sobre sus semejantes de manera que la industria bélica ha sido responsable de muchos refinamientos e innovaciones de la electrónica, las telecomunicaciones, la industria química, nuclear, etcétera.

Los diferentes esquemas de organización política y desarrollo económico también han desempeñado un papel decisivo. Así, otra característica de nuestro tiempo ha sido, por un lado, el crecimiento de los grandes monopolios de carácter comercial e industrial en cuyos departamentos de investigación se realiza 80% de la investigación aplicable, y por otro lado, la institucionalización de la investigación científica, de modo que la planeación de la investigación ha ido substituyendo a la inventiva aislada e individual.

Entre los frutos de este auge técnico-científico tenemos, a manera de ejemplo, los siguientes. El hombre ha iniciado la conquista del espacio: ha sido capaz de llegar a la Luna y de enviar naves a hacer travesías en nuestro sistema solar (véase la figura 2), las cuales han conseguido enviar información a la Tierra desde lugares tan lejanos como Neptuno. También se han creado bombas que podrían acabar con la humanidad en cuestión de horas. Posteriormente se han descubierto y fabricado materiales superconductores que, por debajo de cierta temperatura, son capaces de conducir energía eléctrica prácticamente sin pérdidas de ésta (Figura 3). Se han construido refrigeradores capaces de llegar a temperaturas muy cercanas al cero absoluto, microscopios capaces de "ver" átomos individuales (Figura 4), y dispositivos electrónicos que detectan fotones (cuantos de luz), también individuales. Otro instrumento creado es el láser, que tiene una serie muy amplia de aplicaciones, que van desde su uso en tocadiscos compactos hasta su aplicación en microcirugía y en la industria bélica. Por otro lado, se han desarrollado técnicas muy importantes con aplicaciones a la medicina, como el ultrasonido y la microcirugía, y se han producido vacunas que han contribuido al control de enfermedades como la viruela y la poliomielitis, etcétera, asimismo han nacido los primeros "bebés de laboratorio" engendrados en probetas.

Figura 2. Figura que muestra las trayectorias de las naves espaciales Voyager I y Voyager II, a través de la parte exterior de nuestro sistema solar.

Uno de los desarrollos más sobresalientes del siglo XX, el cual aún no hemos mencionado, es el de las computadoras. Estas han sido tan importantes que a menudo nuestra época se denomina "la era de las computadoras". Las computadoras han sido, por un lado, un logro tecnológico de primera línea, y por otro lado han desempeñado un papel muy importante por sí mismas. Primero, en el avance de la ciencia, ya que constituyen una herramienta muy útil en la investigación científica (realización de cálculos matemáticos y simulación numérica). Segundo en el desarrollo tecnológico, ya que han contribuido como herramienta de diseño e instrumento de control en los procesos industriales (Figura 4). Y tercero, y no menos importante, han contribuido como medio para el manejo y almacenamiento de información.

Figura 3. Esta fotografía muestra un imán levitando sobre un material superconductor (efecto Meisner). Cortesía: doctor Ramiro Pérez, IFUNAM-Ensenada.

Figura 4. Fotografía de la imagen obtenida al observar una muestra de grafito a través de un microscopio de tunelaje. En ella puede apreciarse la presencia de átomos individuales. Cortesía: doctor Leonardo Morales, IFUNAM-Ensenada.

Figura 5. Los sistemas de visón automatizada permiten llevar a cabo el "control de calidad" durante todas las etapas del proceso de producción.

El uso de las computadoras no ha quedado restringido a los ámbitos técnico, científico y administrativo. En los últimos años su existencia ha cambiado radicalmente nuestras vidas, pues ahora forman parte esencial de la mayoría de los aspectos del quehacer humano. Hace tan solo algunos años, el uso de las computadoras dentro del hogar formaba parte de la ficción científica. Actualmente, en los países industrializados existen computadoras en gran cantidad de hogares, y los cursos de computación constituyen una parte importante del currículum escolar del nivel elemental. Además en estos países existen grandes bancos de datos a los cuales se puede tener acceso, desde la comodidad del hogar, a través de una computadora personal. De esta manera, es posible conocer los horarios de ferrocarriles y aviones, obtener información acerca de los espectáculos y del estado del tiempo, hacer pedidos comerciales, tener acceso a las cuentas personales de banco, etcétera.

Algunas personas se alarman debido a que sienten que las computadoras están "reemplazando" al ser humano en muchas de sus funciones. Si bien esto es en gran parte cierto, hasta ahora las computadoras no son capaces de hacer nada por sí mismas, únicamente son capaces de seguir instrucciones. Pero, ¿continuará siempre siendo de esta manera?, ¿podrán algún día crearse computadoras que al igual que el ser humano "aprendan" a partir de la experiencia y sean capaces de autoprogramarse? Este ha sido el tema central de muchas novelas de ciencia ficción, y aunque se están dando pasos muy importantes en esta dirección, la respuesta definitiva sólo la tendremos con el paso del tiempo.

En la actualidad, una computadora pequeña es capaz de efectuar, en cuestión de segundos, una cantidad tal de operaciones matemáticas, que a un hombre le tomaría meses o años realizarlas. Sin embargo, hay otro tipo de trabajos para los cuales las computadoras están claramente en desventaja. Estas tareas suponen la solución de problemas que se caracterizan por tener un gran número de soluciones, y por no ser posible dar instrucciones concretas para encontrarlos, más adelante explicaremos a qué nos referimos. En lo sucesivo denominaremos a estos problemas complejos. ¹

Entre los problemas complejos, tenemos problemas de optimización o toma de decisiones, de reconocimiento, etcétera. Por ejemplo, un niño de tres años es mucho más eficiente reconociendo imágenes como caras de personas, que una poderosa computadora que trabaja con los programas más elaborados. Asimismo, un niño es capaz de efectuar generalizaciones y clasificar imágenes que nunca ha visto, mediante el uso de elementos extraídos de la experiencia previa, es decir, haciendo comparaciones y analogías entre el contenido de la imagen nueva que se presenta y el contenido de las imágenes que ha visto en el pasado.

El origen de esta diferencia de eficacia radica en que los procedimientos utilizados por los humanos y las computadoras son en esencia de carácter diferente. Las computadoras trabajan ejecutando instrucciones precisas, las cuales pueden definirse de una manera sucinta en un algoritmo o receta del procedimiento a seguir. Una computadora puede ser programada para hacer comparaciones, pero es necesario que el programador defina, de manera concisa y exhaustiva, todos los criterios necesarios a considerar para efectuar dichas comparaciones.

Muy recientemente, se ha empezado a desarrollar un nuevo concepto en computadoras denominadas redes neuronales, las cuales tienen como objetivo la solución de los problemas complejos. El diseño de estas computadoras se basa en lo poco que conocemos acerca de la forma en que el cerebro humano procesa y almacena la información. Estas máquinas se encuentran en sus primeras etapas de desarrollo, y muy lejos de poderse considerar cerebros sintéticos, ya que su poder de procesamiento es inferior, por muchos órdenes de magnitud, al de la mente humana; sin embargo, se espera que en cuanto estas computadoras sean perfeccionadas contribuyan a resolver los problemas de manejo de información y toma de decisiones.

En este libro hablaremos de manera paralela de dos temas correlacionados. Por un lado, acerca de las computadoras: de su evolución, y de la forma en que manejan información. Por otro lado, de lo que sabemos o creemos saber acerca de los mecanismos por medio de los cuales se lleva a cabo el almacenamiento de la memoria en los seres vivos, y la manera en que se recuerdan o evocan estas memorias. De esta manera, haremos hincapié en las similitudes y diferencias de estos procesos.

Hablaremos además de los intentos recientes por crear máquinas útiles para resolver problemas complejos, cuyas memorias funcionen mediante mecanismos similares a los utilizados por los seres vivos.

El plan de este libro es el siguiente: en el capítulo II relataremos, a grandes rasgos, la historia de la computación, desde el momento en que el hombre adquirió la necesidad de contar, hasta finales de los años ochenta. En el capítulo III hablaremos de los principios generales que hacen funcionar a las computadoras de hoy en día. En el capítulo IV analizaremos de manera comparativa la eficiencia en el desempeño de los procesos de almacenamiento y llamado de información de las computadoras y el hombre. En el capítulo V analizaremos algunas características humanas que sería importante comprender y reproducir, si se desea crear máquinas "pensantes". Más adelante, en el capítulo VI, hablaremos de manera muy general acerca del cerebro humano y de los diferentes puntos de vista de su estudio. Posteriormente, en el capítulo VII, hablaremos de los conocimientos con que contamos acerca de las bases fisiológicas de las capacidades humanas de memorización y remembranza. En el capítulo VIII haremos un paréntesis para hablar de los materiales magnéticos, con el fin de hacer, en el capítulo IX, una analogía entre el comportamiento de ciertos materiales magnéticos y el del cerebro humano. Esta analogía nos permitirá utilizar herramientas de la física para hacer un tratamiento probabilístico del comportamiento colectivo de un conjunto de neuronas interconectadas, y nos dará una visión cualitativa de los mecanismos que permiten al cerebro almacenar y recuperar información. Y en este capítulo hablaremos un poco acerca de la nueva generación de computadoras, y de los esfuerzos actuales por construir computadoras con capacidades "más humanas".

Este libro trata, en gran parte, de temas que no tienen una explicación definitiva y que han inquietado al hombre desde tiempos inmemorables. Sin embargo, la reciente incursión de la física estadística en la investigación del funcionamiento de la mente, ha dado nueva luz a este problema y ha permitido apreciarlo desde un punto de vista nuevo. Nuestra intención no es hacer una exposición profunda en ninguna de las disciplinas involucradas en este tema, sino exponer, de manera sencilla y accesible, algunas ideas de un tema interdisciplinario de gran interés, e introducir al lector al tipo de modelos que la física ha empezado a desarrollar para estudiar algunos aspectos del funcionamiento del cerebro. Es por esto que no pretendemos dar la respuesta acerca del funcionamiento de la memoria humana, sino únicamente compartir con el lector algunas ideas e inquietudes de un grupo cada vez más grande de científicos que en la actualidad trabaja con gran entusiasmo en este tema.