Los electrones y los huecos, ¿puede la ausencia de algo ser real?
Por Ricardo Guzmán Díaz
Artículo de divulgación científica
¿Qué pensarías si te dijeran que la existencia de los electrones y otras “partículas” en las que se sustenta el buen funcionamiento de tu teléfono celular o de tu computadora, pudieran estar en entredicho?
Te invito a que exploremos brevemente la interrelación entre filosofía, ciencia y tecnología. Primero de manera general, y posteriormente con en relación a la teoría de los semiconductores y la microelectrónica, que dan fundamento a nuestros dispositivos informáticos de uso cotidiano.
El juego de lo posible
François Jacob, biólogo ganador de un premio Nobel en 1965, nos advertía que las diversas actividades humanas, cada una con sus propias reglas, son formas de practicar el “juego de lo posible”. Pensemos en la filosofía, como práctica racional por excelencia y que aborda los más fundamentales cuestionamientos humanos; o en la ciencia, también como actividad racional, pero dirigida a desvelar los secretos de la naturaleza, o finalmente en la actual actividad tecnocientífica de carácter mucho más pragmático. Aunque diferenciadas, todas ellas, de la mano, configuran una cultura de búsqueda, significación, adaptación y transformación del mundo.
Si bien tradicionalmente las esferas humanística y científica se han tratado con recelo, cada vez hay una mayor conciencia de que deben de ir de la mano. Nos parece impensable, por ejemplo, una empresa filosófica moderna, cuyo empeño desconozca las líneas del saber científico que, con todas sus limitaciones, ha sido parte fundamental de la aventura intelectual. Pero de la misma manera, con el conocimiento científico, y en su excesivo proceso de especialización, se corre el peligro de no ubicar adecuadamente sus frutos en el contexto amplio de la cultura y la sociedad. Afortunadamente, cada vez hay más voces que advierten sobre la necesaria hibridación de los conocimientos filosóficos y los conocimientos científicos. Examinemos algunas de estas relaciones.
Los “huecos” en los semiconductores
La invención del transistor en 1948 y posteriormente las técnicas de fabricación de circuitos integrados abrieron las puertas a una carrera de miniaturización electrónica que actualmente nos permite tener en nuestras manos dispositivos tan poderosos como nuestros teléfonos celulares.
Se trata de un caso de desarrollo tecnológico asentado profundamente en ciencia básica: desde la nueva física cuántica desarrollada en las primeras décadas del siglo XX, pasando por su aplicación a la teoría del estado sólido, y más concretamente la teoría que explica el funcionamiento de los semiconductores, material base de los dispositivos electrónicos.
Aunque las teorías de conducción eléctrica empezaron su desarrollo desde el siglo XIX, la nueva física permitió comprender el fenómeno aplicado al caso de los semiconductores. Este último logro implicó el uso de modelos abstractos que suponen la existencia de electrones (portadores de carga negativa) y “huecos” (portadores de carga positiva). El término “hueco” es por supuesto muy provocativo y sugiere que eso, un hueco, o la ausencia de algo, tiene una relación causal que explica los efectos que hacen funcionar nuestros dispositivos.
Evidentemente no se trata de un hueco en un sentido literal, sino un hueco en una construcción teórica que supone la existencia de bandas de energía en las que se ubican los electrones. Pero, aun así, la idea despierta interrogantes que pueden calar hondo en nuestra comprensión de la ciencia y la tecnología.
En los siguientes párrafos proponemos tres vías de análisis que nos llevan a pensar, más allá de los desarrollos tecnológicos per se, en implicaciones de carácter filosófico y de construcción de la realidad.
Realismo vs antirrealismo
En filosofía de la ciencia, se suele hablar del debate entre realismo vs antirrealismo. El realismo se refiere a una posición que considera razonable creer en la existencia de las entidades no observables postuladas por las teorías científicas de mayor éxito. La posición contraria que defiende un instrumentalismo, conviene en que el objetivo de la ciencia es desarrollar teorías que sean empíricamente adecuadas y posean el poder de predicción de eventos observables. En el caso que nos atañe, sobre todo dada la ambigüedad del concepto de “hueco”, convendría una posición intermedia llamada realismo estructural que no cree en la realidad de las entidades, pero sí en la existencia de estructuras teóricas que describen el mundo.
Emergentismo
Por otro lado, se le llama emergentismo a un paradigma filosófico que considera que, en los distintos niveles de organización de la materia, los fenómenos que ahí aparecen poseen propiedades más complejas que los fenómenos de menor nivel y, consecuentemente, son ontológica y epistemológicamente independientes e irreductibles. Esto valdría desde el estudio de las partículas elementales, hasta el estudio de la mente y la consciencia, pero en nuestro caso solo nos interesaría la comparación entre el nivel de comportamiento de las partículas elementales aisladas y lo que ocurre en un pedazo de material sólido conformado por millones de partículas. El comportamiento de los electrones, no solo no es el mismo, sino que el acomodo de todos ellos en el material, da lugar a comportamientos diferenciados. En un semiconductor, particularmente, la corriente eléctrica aparece constituida no solo por electrones como portadores de carga negativa, sino también por otras partículas de carga positiva, los huecos, que se pueden entender como surgiendo de esa estructura material, sin que se pueda hablar de su existencia, por sí misma, de manera independiente.
este caso de estudio sirve para indagar elementos fundamentales de la actividad tecnocientífica
Realidad operacional
Otra posición filosófica sugiere que las partículas elementales adquieren “realidad”, en la medida en que se puedan aislar, medir y manipular. Podemos extender esa idea afirmando, además, que los electrones obtuvieron también “realidad operacional” desde que empezaron a ser usados a principios del siglo XX en dispositivos llamados electrónicos como el amplificador de tubos al vacío (bulbo). Más interesante aún resulta el caso del llamado “hueco” o ausencia de un electrón, necesario para entender la operación de los nuevos dispositivos electrónicos, basados ahora en silicio. ¿Puede la ausencia de “algo” ser real? Tal parece que así es. El hueco y el proceso por medio del cual adquiere su realidad operativa, está íntimamente ligado al invento del transistor, dispositivo esencial para el surgimiento de la “sociedad de la información”.
Reflexión
La investigación en torno a los dispositivos de estados sólido se intensificó en tiempos de la Segunda Guerra Mundial. En Estados Unidos se creó una red de instituciones entre las cuales había una comunicación y cooperación muy transparente, la cual terminaría al finalizar la guerra para dar paso a un proceso de fuerte competencia. La red incluía a los laboratorios de radiación del MIT, General Electric, Westinghouse y los laboratorios Bell entre otras instituciones. En Bell Labs sabían esto y trabajaron en 1945 para mantener el liderato en la investigación básica sobre física del estado sólido. Todo esto pavimentó el camino para que Bardeen, Brattain y Shockley llegaran a la fabricación de un dispositivo de estado sólido con capacidad de amplificación en 1947, el transistor.
Así es como el “hueco” adquirió finalmente realidad operacional, siendo la entidad que permitió el funcionamiento de los dispositivos electrónicos que, en muchos sentidos, definen las formas de vida modernas.
Por otro lado, este caso de estudio nos ha servido para indagar algunos elementos fundamentales de toda actividad tecnocientífica. Aunque en ocasiones se suele caricaturizar a la ciencia como fría e impersonal, en realidad es provocativa e imaginativa y, de la mano con el carácter inquisitivo de la filosofía, y el carácter pragmático de la tecnología, comprende, interpreta y transforma el mundo.
Autor
Dr. Ricardo Guzmán Díaz es profesor del Departamento de Mecatrónica y miembro del grupo de investigación de “Ciencia, tecnología y sociedad”. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (nivel 1).
Para saber más
Guzmán Díaz, Ricardo. “Electrones y huecos: perspectivas en torno al debate sobre el realismo científico”, Revista Mexicana de la Física E, 64, México, 2018.
Guzmán Díaz, Ricardo. “El espíritu científico y un nuevo humanismo: el juego de la imaginación, la representación y la transformación del mundo”, Revista de Humanidades: Tecnológico de Monterrey, No. 24, 179-190, México, 2008.
Guzmán Díaz, Ricardo. “El papel de la imaginación científica: la revolución de la física en los inicios del siglo XX”, Revista de Humanidades: Tecnológico de Monterrey, No. 17, 99-113, México, 2004.
El maíz y su amplia variedad de productos derivados son una de las principales fuentes de alimentación en México, generando un consumo de más de 20 mil millones de toneladas de este alimento al año, con una proyección de incrementarse al doble para el año 2030, como consecuencia del incremento sostenido de la población.
En el artículo científico recientemente publicado “Protein-phenolic aggregates with anti-inflammatory activity recovered from maize nixtamalization wastewaters (nejayote)” se demuestra cómo se pueden recuperar agregados de pequeñas proteínas y compuestos antioxidantes presentes en el nejayote. Gracias a las tecnologías de análisis de vanguardia que se emplearon, se descubrió que el proceso tradicional está generando complejos que incrementan aún más la actividad de los compuestos naturalmente presentes en el maíz. Estos complejos son tan pequeños que se recuperan en membranas de ultrafiltración que son escalables a nivel industrial. En otras partes del mundo se están haciendo esfuerzos para sintetizar complejos similares a los que se recuperan del nejayote, por lo que es momento de concatenar un proceso tradicional con otros que incluso puedan generar mayor valor y fomentar proyectos de economía circular.
“Con este acuerdo lo que buscamos es incentivar la colaboración en ambos lados del océano y comenzar a formar equipos de trabajo internacionales para el desarrollo de la Inteligencia Artificial en las áreas antes mencionadas. Esto es un paso muy importante para la internacionalización en general y para las relaciones de cooperación de ciencia y tecnología entre México y China”, concluyeron.
Para Jorge Valdez, investigador y decano de la Escuela de Medicina y Ciencias de la Salud, y uno de los directivos de esta plataforma, este sitio busca ser un repositorio de la evidencia científica acumulada en el tema de la alimentación.
