Las características de las telecomunicaciones en la Tierra, ¿refuerzan el principio antrópico?

El universo podría estar hecho simplemente de nubes de gases y algo de materia informe, y sin embargo, de manera "sospechosa", vemos que no es así, que hay multitud de "casualidades", normas físicas, constantes y reglas estables en la naturaleza que son, precisamente, las que llevan a la existencia de planetas, agua, vida e, incluso, la vida humana. La acumulación de sospechas de que hay demasiadas "casualidades" extrañamente afinadas para permitir y conducir a la vida del ser humano inteligente es lo que se llama el "principio antrópico".

Ahora, Ignacio del Villar, del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Pública de Navarra, ha reflexionado sobre el principio antrópico en la física que afecta a las telecomunicaciones.

"La sociedad de la información solo es posible en planetas cuyo diámetro no sea mayor que el diámetro de la Tierra, y solo un animal inteligente como el ser humano, capaz de controlar la propagación de señales electromagnéticas, puede beneficiarse de esta tecnología", afirma Del Villar.

"Esta paradójica coincidencia abre el camino a cuestiones filosóficas. Uno de ellas es por qué la evolución del ser humano, en términos de tiempo de reacción a los eventos, ha convergido con el desarrollo de la sociedad de la información en un planeta como la Tierra", plantea este científico, apasionado de la divulgación científica.

Ha detallado esta investigación en la revista Scientia et Fides, revista con revisión de pares en la que colaboran la Universidad de Navarra y la Universidad Nicolás Copérnico de Torum (Polonia). Aquí ofrece para ReligionEnLibertad una versión simplificada de estas ideas.

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Las telecomunicaciones en la Tierra y su posible relación con el principio antrópico

por Ignacio del Villar

En las últimas décadas se ha debatido mucho sobre el ajuste fino del universo, es decir, sobre el hecho de que hay un gran número de parámetros cuyos valores son adecuados para que exista la vida en la Tierra. Esto dio lugar al concepto de principio antrópico débil, que John Barrow define de la siguiente manera: “Los valores observados de todas las cantidades físicas y cosmológicas no son igualmente probables, sino que toman valores restringidos por el requisito de que existan lugares donde pueda evolucionar la vida basada en el carbono y por el requisito de que el universo sea lo suficientemente viejo para que esta evolución ya haya ocurrido de hecho”.

No cabe duda de que se trata de una cuestión difícil de analizar y existe diversidad de pareceres entre la comunidad científica. De hecho, uno de los principales problemas es que los argumentos en favor del ajuste fino y el principio antrópico se han centrado en el campo de la cosmología. Por eso conviene moverse también a otros campos como, por ejemplo, el de las telecomunicaciones.

La evolución de las comunicaciones a lo largo de la historia

Los seres humanos se comunican entre sí de dos formas diferentes. La primera forma es la misma que utilizan otros animales: la emisión de ondas sonoras. Sin embargo, las ondas sonoras emitidas por un ser humano generalmente no se propagan más de unas pocas decenas de metros si no existen condiciones especiales como ecos en las montañas. El uso de un micrófono podría solucionar este problema, pero nadie puede imaginarse una conversación entre dos personas, cada una con micrófono, separadas más de cien metros.

Esto no tiene sentido porque, además, el resto de personas del perímetro escucharían la conversación, lo que provocaría problemas de privacidad y también de incomodidad por las múltiples conversaciones que todo el mundo escucharía. La naturaleza está diseñada en términos de comunicación por ondas sonoras con otro propósito, comunicar a las personas a distancias cortas sin que todas las personas del entorno se vean afectadas por estas conversaciones; en otras palabras, para las relaciones sociales cara a cara.

Sin embargo, a veces no tenemos la oportunidad de ver a la persona con la que queremos hablar. Hace muchos siglos esto suponía una gran limitación. La única forma de comunicarse era por carta, con un retraso del orden de días, o incluso meses. Existían alternativas, como señales de humo o banderas. Sin embargo, aunque más rápidos que una carta, eran muy ineficientes en términos de la cantidad de información que se podía transmitir.

Una mejora importante fue realizada en 1791 por Claude Chappe, el inventor del telégrafo óptico, un sistema que consistía en una red de estaciones que permitía la transmisión de información a una velocidad de 1 símbolo cada dos minutos entre París y Lille (es decir, 230 km). Sin embargo, el sistema dependía de las condiciones climáticas (la presencia de lluvia o niebla perturbaba la comunicación) y obviamente no funcionaba durante la noche.

Los problemas anteriores se resolvieron en el siglo XIX, gracias a uno de los hitos más importantes en la historia de la ciencia y la tecnología: la implementación, en el año 1837, del primer telégrafo eléctrico, cuyos inventores fueron William F. Cooke y Charles Wheatstone. En pocos años se logró comunicar a Estados Unidos de oeste a este, y posteriormente se hizo realidad lograr la comunicación transoceánica con cables submarinos.

Más tarde, en 1895, Guglielmo Marconi comenzó a desarrollar experimentos sobre telegrafía inalámbrica, que llevaron a la primera comunicación inalámbrica a través del Océano Atlántico. Por último, durante el siglo XX y XXI se mejoraron las comunicaciones tanto guiadas como inalámbricas a larga distancia gracias a la aplicación de fibra óptica y tecnología inalámbrica moderna, lo que llevó a la creación de la sociedad de la información, donde nos podemos comunicar unos con otros en tiempo real.

Las comunicaciones en tiempo real y sus límites

La comunicación en tiempo real es precisamente otra de las grandes ventajas que ofrecen las ondas electromagnéticas frente a las sonoras. Incluso aunque las ondas sonoras se pudieran transmitir por un cable a lo largo de kilómetros, el retardo es enorme, pues la velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 340 m/s, mientras que en un sólido como el acero, aunque un poco mayor, es tan solo de 5000 m/s. Esto da como resultado que por aire se necesitan 3000 segundos para recorrer una distancia de 1000 km, mientras que por acero 200 segundos. En cambio, las ondas electromagnéticas se propagan a velocidades de aproximadamente 3 × 10⁸ m/s en el aire y 2 × 10⁸ m/s en fibra óptica, lo que permite recorrer esa misma distancia de forma casi inmediata, en 0.003 y 0.002 segundos respectivamente.

En este sentido, existe un parámetro que permite conocer mejor la calidad de las comunicaciones: el tiempo de ida y vuelta (round trip time - RTT). El RTT, también llamado tiempo de ping, se puede aproximar para distancias grandes a dos veces el tiempo de propagación, es decir, el tiempo que tarda en llegar un mensaje de un extremo a otro. Y más concretamente los ingenieros y científicos definen valores de RTT de alrededor de 200 ms como umbral de calidad en la comunicación.

De manera que, si tenemos en cuenta que la velocidad del sonido es de 340 m/s, y que el RTT no debe superar los 200 ms, podemos obtener a partir de la siguiente expresión:

- que la distancia para una conversación entre dos personas no debe exceder los 34 metros, un valor lógico si tenemos en cuenta que las comunicaciones sonoras están pensadas para hablar con personas cercanas.

En cuanto a las señales electromagnéticas, hoy en día se pueden propagar a través de medios tanto guiados como inalámbricos, aunque el predominante es el guiado, es decir la fibra óptica, cuya velocidad de propagación acabamos de decir que es de 2 × 10⁸ m/s.
Tomando este valor y aplicando la ecuación anterior se deduce que la distancia entre dos interlocutores no debe exceder los 20.000 km. Y precisamente 20.000 km es la separación más lejana entre dos puntos cualesquiera en la superficie de la Tierra (porque la circunferencia de la Tierra es 40.000 km).

Conclusiones

1. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es exactamente la adecuada para poder conversar de forma fluida entre todos los habitantes de la Tierra y no es adecuada, por ejemplo, para la Luna (la distancia es de 384.000 km, muy superior al límite de 20.000 km) y mucho menos para Marte, ya que la distancia es incluso mayor que la distancia de la Tierra a la Luna.

2. Para tener un RTT adecuado en las comunicaciones interplanetarias necesitaríamos aumentar la velocidad de la luz, porque con 3×10⁸ m/s el RTT, incluso para la comunicación Tierra-Luna, es inaceptable. Considerando que la distancia entre la Tierra y la Luna es de aproximadamente 400.000 km, para tener un RTT de 200 ms sería necesario incrementar la velocidad de la luz hasta 4×10⁹ m/s, y este incremento debería ser aún mayor para las comunicaciones entre la Tierra y otros planetas. Esto se explica porque el RTT aumenta a medida que aumentamos la distancia entre los interlocutores. Para visualizar este efecto, la siguiente figura muestra el RTT para telecomunicaciones entre la Tierra y los diferentes planetas del sistema solar.

Figura 1. RTT en función de la distancia media de los planetas a la Tierra. Como referencia se muestra el RTT entre los dos puntos más separados de la superficie terrestre. Además, el RTT para aplicaciones en tiempo real se muestra como un valor umbral.

Solo desplazarse hasta el objeto celeste más cercano, la Luna, permite darse cuenta de que el RTT aumenta hasta los 2600 ms, un valor inaceptable para muchas de las aplicaciones que utilizamos en nuestra sociedad de la información.

Para Marte, nuestro planeta más cercano junto con Venus, el RTT aumenta a minutos, un valor que continúa creciendo para Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Y ya fuera de esa imagen, si consideráramos que la estrella más cercana, Proxima Centauri, tuviera un planeta, el RTT sería 2 × 4,2 = 8,4 años, porque está separado de nuestro sistema solar por 4,2 años luz (es decir, el tiempo que tarda la luz en propagarse desde la Tierra hasta este planeta).

3. Si la velocidad de la luz fuera significativamente menor, no sería posible comunicar dos puntos de la tierra sin correr el riesgo de que el RTT supere los 200 ms. En otras palabras, la comunicación mundial en tiempo real no podría ser posible. La sociedad de la información, que depende de este factor, colapsaría. Por ejemplo, si la velocidad de propagación de la luz en fibra fuera de 2×107 m/s en lugar de 2×108 m/s, el RTT entre Buenos Aires y Seúl (separados por casi 20.000 km) aumentaría de 200 a 2000 ms. Se necesitarían 2 segundos para reconocer los datos enviados desde Argentina y Corea del Sur. Esto añadiría mucha incomodidad en las llamadas telefónicas, mientras que aplicaciones más exigentes como la cirugía remota o los videojuegos interactivos no podrían afrontar este incremento del RTT.

Reflexión final

Las telecomunicaciones en tiempo real se vuelven más difíciles conforme nos separamos de nuestro planeta. De modo que la sociedad de la información solo es posible en planetas cuyo diámetro no sea mayor que el diámetro de la Tierra, y solo un animal inteligente como el ser humano, capaz de controlar la propagación de señales electromagnéticas, puede beneficiarse de esta tecnología.

Esta paradójica coincidencia abre el camino a cuestiones filosóficas. Uno de ellos es por qué la evolución del ser humano, en términos de tiempo de reacción a los eventos, ha convergido con el desarrollo de la sociedad de la información en un planeta como la Tierra.

El RTT de 200 ms, considerado adecuado para aplicaciones en tiempo real, es válido porque nuestro cerebro, combinado con otras partes de nuestro cuerpo como los ojos y oídos, reacciona a diferentes estímulos con tiempos de respuesta que se ajustan a este valor del RTT.

Este RTT es el resultado de muchos años de evolución, y el diámetro de la Tierra también ha sido el resultado de la expansión del universo.

El tercer parámetro, la velocidad de la luz se combina con el RTT y el diámetro de la Tierra hacia la creación de la sociedad de la información, que básicamente consiste en muchos seres humanos interactuando entre sí en tiempo real en la superficie de nuestro planeta.

Una segunda pregunta filosófica se refiere al sentido de colonizar planetas cuando no es posible comunicarse con ellos en tiempo real. ¿Podremos en el futuro superar la velocidad de la luz? Probablemente el lector de este artículo propondrá otras cuestiones que puedan surgir de la paradójica coincidencia presentada en este trabajo.

Referencias

Barrow, John D. 1986. The Anthropic Cosmological Principle. Oxford University Press.
Beaton, Kara H., Steven P. Chappell, Andrew F.J. Abercromby, Matthew J. Miller, Shannon Kobs Nawotniak, Scott S. Hughes, Allyson Brady, and Darlene S.S. Lim. 2017. “Extravehicular Activity Operations Concepts under Communication Latency and Bandwidth Constraints.” In IEEE Aerospace Conference Proceedings, 7943570. https://doi.org/10.1109/AERO.2017.7943570.

Black, Robert Monro. 1983. “Early Telegraph Cables.” In The History of Electric Wires and Cables. London: IET.
Chappell, Steven P., Trevor G. Graff, Kara H. Beaton, Andrew F.J. Abercromby, Christopher Halcon, Matthew J. Miller, and Michael L. Gernhardt. 2016. “NEEMO 18-20: Analog Testing for Mitigation of Communication Latency during Human Space Exploration.” In IEEE Aerospace Conference Proceedings, June:7500717. https://doi.org/10.1109/AERO.2016.7500717.

Dilhac, J-M. 2001. “The Telegraph of Claude Chappe: An Optical Telecommuication Network for the 18th Century.” In IEEE Conf. on the History of Telecommun.
Falciasecca, Gabriele, and Barbara Valotti. 2009. “Guglielmo Marconi: The Pioneer of Wireless Communications.” In European Microwave Week 2009, EuMW 2009: Science, Progress and Quality at Radiofrequencies, Conference Proceedings - 39th European Microwave Conference, EuMC 2009, 544–46. https://doi.org/10.1109/EUMC.2009.5296358.

Färber, Johannes. 2002. “Network Game Traffic Modelling.” In Proceedings of the 1st Workshop on Network and System Support for Games - NETGAMES ’02, 53–57. https://doi.org/10.1145/566500.566508.

Gajjar, Sachin, Nilav Choksi, Mohanchur Sarkar, and Kankar Dasgupta. 2014. “Comparative Analysis of Wireless Sensor Network Motes.” 2014 International Conference on Signal Processing and Integrated Networks (SPIN), 426–31. https://doi.org/10.1109/SPIN.2014.6776991.

Hagedorn, Mary, and Walter Heiligenberg. 1985. “Court and Spark: Electric Signals in the Courtship and Mating of Gymnotoid Fish.” Animal Behaviour 33 (1): 254–65. https://doi.org/10.1016/S0003-3472(85)80139-1.

Hartog, Arthur H, and Michael A Clare. 2018. “Advances in Distributed Fiber-Optic Sensing for Monitoring Marine Infrastructure , Measuring the Deep Ocean , and Quantifying the Risks Posed by Sea Fl Oor Hazards” 52 (5): 58–73.

Iera, Antonio, Antonella Molinaro, and Salvatore Marano. 2002. “Traffic Management Techniques to Face the Effects of Intrinsic Delays in Geostationary Satellite Networks.” IEEE Transactions on Wireless Communications 1 (1): 145–55. https://doi.org/10.1109/7693.975453.

Kassim, M., S.F. Ramle, R.A. Rahman, and M.I. Yusof. 2017. “Skype Multimedia Application Traffic Analysis on Home Unifi Network.” In ISCAIE 2017 - 2017 IEEE Symposium on Computer Applications and Industrial Electronics, 184–89. https://doi.org/10.1109/ISCAIE.2017.8074974.

Lester, Dan, and Harley Thronson. 2011. “Human Space Exploration and Human Spaceflight: Latency and the Cognitive Scale of the Universe.” Space Policy 27 (2): 89–93. https://doi.org/10.1016/j.spacepol.2011.02.002.

Love, Stanley G., and Marcum L. Reagan. 2013. “Delayed Voice Communication.” Acta Astronautica 91: 89–95. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.05.003.
Lum, M J H, J Rosen, T S Lendvay, M N Sinanan, B Hannaford, and Ieee. 2009. “Effect of Time Delay on Tele Surgical Performance.” Icra: 2009 Ieee International Conference on Robotics and Automation, Vols 1-7, 3447–53. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2009.5152725.

Sanctis, Mauro De, Ernestina Cianca, Giuseppe Araniti, Igor Bisio, and Ramjee Prasad. 2016. “Satellite Communications Supporting Internet of Remote Things.” IEEE Internet of Things Journal 3 (1): 113–23.

Santos, João, João Pedro, Antonio Eira, Paulo Monteiro, and João Pires. 2012. “Optical Transport Network Design with Collocated Regeneration and Differential Delay Compensation.” 2012 IEEE 13th International Conference on High Performance Switching and Routing, HPSR 2012, 204–9. https://doi.org/10.1109/HPSR.2012.6260851.

Sarkar, Mohanchur. 2011. “A Survey of Transport Protocols for Deep Space Communication Networks” 31 (8).

Schalk, Kevin, Kai Muller, Karsten Peter, and Johannes Sebald. 2017. “Microsecond-Precision Time Stamping in a Deterministic Distributed Sensor Network Utilizing OpenPOWERLINK.” 2017 IEEE International Conference on Wireless for Space and Extreme Environments (WiSEE), 52–56. https://doi.org/10.1109/WiSEE.2017.8124892.

Su, Chien-chung, Ko-ming Chang, Yau-hwang Kuo, and a Symmetric Key Management. 2005. “The New Intrusion Prevention and Detection Approaches for Clustering-Based Sensor Networks.” In IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 1927–32. https://doi.org/10.1109/WCNC.2005.1424814.

Theodore Holmes Bullock. 1973. “Seeing the World through a New Sense: Electroreception in Fish: Sharks, Catfish, and Electric Fish Use Low- or High-Frequency Electroreceptors, Actively and Passively, in Object Detection and Social Communication.” American Scientist 61 (3): 316–25.

Yunlong Feng Gene Cheung, Wai-tian T A N. 2013. “Low-Cost Eye Gaze Prediction System for Intereactive Networked Video Streaming.” IEEE Transanction On Multimedia 15 (8): 1865–79.