Del progreso científico al desarrollo tecnológico, del desarrollo tecnológico al progreso científico: el GPS como caso de estudio

DEL PROGRESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO, DEL DESARROLLO TECNOLÓGICO AL PROGRESO CIENTÍFICO: EL GPS COMO CASO DE ESTUDIO UNAI ETXEBARRÍA Münster (Alemania) Resumen. A través de Ja exposición de la hist oria y características técnicas del GPS (Global Positioning Sys tem), y destacand o esencialmente l os efectos as ociado s a la relativ idad especial, se muestra la interacción e ntr e el progreso científico y la innovación tecnológica, y específicamente la adopción de es ta nueva tecnología por parte de la co mun i dad geodética. En claro paralelismo con la eval uac i ón de propuestas científicas se argumentará cómo la elección de tal tecnología ha si do realizada dentro de un ámbito específico de aplicación en relaci ón a una pluralidad de va lore s que comprende cr iterios internos como el de eficiencia y estabilidad, así como otros externos, tales como transportabilidad o económico, pero que han de ser contemplados como un conjunto particular y dinámico en el que es la interacción entre los diferentes valores la que determina Ja nueva técnica como preferible sobre otras, de modo que frente a Ja maximización de un valor, la eficiencia, concurre una armonización de los diferentes valores. Abastract. By considering the history and the te ch nological traits of GPS (Gl oba l Positioning System), and particular!y by emphas i zing the effec ts associated with special relativity, the interaction betw ee n scientific progress an technological innovation can be seen , specifically as regards the use of this new t ech nology by che geodetic community. In a clear parallelism with the assesment of scientific proposals, this article examines how the choice of thi s t echno l ogy ha s b ee n made in the fi eld of applications related to a plurality of values which embrace interna) criteria such as efficiency a nd stability, and externa) criteria as well, such as tra nsp ortability or economic values. H oweve r, the se values mu se be considered a particualr and dynamic whole in which the interaction among th em determines that the ne w tec hnique can be pref e rable to ot h er one, in such a way that, facing to the maximization of a value, for example efficiency, a harmonization of different values takes place. Argum e nt os de Ra zó n Técntca, N" 4 (2001) pp . 83· 116 84 UNA! ETXEBARRÍA INTRODUCCI ÓN Uno de los sistemas céc nicos más recien te s y de mayor impacto social y eco nómi co en es te final de siglo, pero cuyas consecuencias últim as en ambos casos es tán m uy lejos aún de se r conocidas, es el si ste ma GPS. De ambos impactos se hacía eco recientemente un p erió - dico de tirada nacional, en el cual se anunciaba la posible instalación del GPS en taxis de Madrid, 'así, en caso de emerge ncia o agres ión , el co nductor podrá indicar su posición exacta a la policía en se gundos ', añad iend o a continuación que 'el a nun cio de qu e la Comunidad de Madrid instalará GPS en lo s 16.000 taxis ma dril eños ha abie rto una guerra en las empres as privadas qu e distri buye n este sistema'. El Sis te ma de Posicionamiento Global (GPS) es un complejo si ste - ma tecnológico, nacido a la vera de la gue rra fría y dentro de los gastos dedi ca dos al esfu erzo militar y espacial; sec tor es que dom inaron la I+D de los EEU U durante los año s sesenta. Desd e un punto de vista de la innovación tecnológica 1, la co nfluencia de diferentes programas científicos y te cn oló gico s, en tre 1955 y 1970, como la invención de diferentes dispositivos de resonancia at óm ica para la medición del tiempo y relojes atómicos, la creación de redes mundi ales de difusión de se ñales y seguimi ento de satélites, o los programa s de satélites como Tiros, Telstar o Echo, fu eron los antecedentes impr escindibles par a el futuro GPS. En de finitiva, el principal factor qu e encontramos en el desarrollo de l as diferentes tecnol og ías y téc nica s, fue la urgente n ecesidad de co ntar con sistemas de transferencia, medición y sincronización del tiempo, indispensables para ll evar a cabo progr amas espaciales como fuera el caso del Apolo. [Cooper - Chi 1979). La creación de sistemas de sincronizaci ón de alta precisión so br e gr andes distancias, tal y c omo se hacían necesarios, ex igía la apli cación de correcci one s en la med ición del tiempo de ca ra a dar cue n ta de efectos métricos debidos principalmente a la velocidad relativa y a la diferencia de los pote nciales gravitatorios entre d os puntos que h an de se r t em poralmente coo rdin ados . Ambos ef ect os son predi chos por la 1 Al refer irm e a · inn ovació n·, no h ago uso de su si gnificado t éc ni co, p ri ncip almente en eco nomía, y so bre t odo desde Sch umpe ter, co mo ·c rea ci ón de una nueva función de producción•, es to es, com o la transformación de una invención en un bien de utílid ad social y comercial, sino qu e c on e ll a designo cualquier •Cos a nu eva· en ciencia o tec nología, no hacien do distinc ión en consec ue ncia de Ja ·invención•. Vé as e [Ruttan 1 9591. DEL PR OG RESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECN O LÓGICO ... 85 teoría de la relatividad. En conc reto, la teoría especial de la relatividad describe las tranformaciones necesarias para la s medic ion es entre do s sistemas en movimiento relativo uno r es pecto d el otro. Mi entras qu e la relativi dad gen eral se extiende a todo movim iento posible, y no só lo a la veloci dad uniforme entr e dos sistemas inerciales, incluyendo ademá s los efectos de la gravedad. De este modo, la nec esidad de un buen conocimiento y co mpr ensi ón de lo s efectos relativistas, junto con la di spo nibilidad de la tecnol ogía que fue gener ando la implement ación de diferentes programas tecnocientíficos, y que proporcionó la instrument ac ión ne cesa ria, impulsó la r ea lización de experimentos de contrastación m ás so fisti cados y exactos en torno a las pr e diccion es relativistas, tanto de la relatividad especia l como de la ge neral, experi - mentos que sobre todo se realizarían en los años setenta. A su vez estos experimentos corroborab an las predicciones teóricas relativistas con una exactitud y precisión creciente, in crementando la fiabilidad neces ar ia en un a teoría que jugaría un destaca do pape l en la construcción de la nu eva tecnología. No en vano, un aspe cto importante acerca de la ap licaci ón del conocimiento científico en la construcción de tecnologías es que la realización de un pro yecto t ec nológi co ha de ser sobre to do s eguro y digno de confianza. Esta cond ición e xcluy e por regla ge neral de la práctica tecnológica, aunque no de la investigación tecnológica, aquellas teorías que no han sido suficie ntemente corroboradas [Bunge 1974, 381. En otras palabras, en te cno logía prima, en relaci ón a la ciencia, el uso del conocimiento comprobado que , a ún sie nd o si empr e susce ptible de discusión, proporciona una seg uridad más allá de toda duda . En la s páginas siguientes se abordará la cuestión de la s interacciones en tre el progreso científi co y la inn ov aci ón tecnológica, a la luz del ejemplo que nos proporciona el GP S. Para ello, en el prim er pu nt o se darán las características técnicas y es tru ct urales básicas del GP S, y se condensará la histor ia del programa. Los punt os segundo y ter cero mostrar án los principal es ef ec tos de la relatividad especial que h an de ten erse en cuenta para que el sist ema cu mpla los requisitos de exactitud y precisión necesarios, de modo que el sistema funcione de forma e fi caz y eficiente. El siguiente punt o reflejará, entre las innumerables áreas de ap licación del GPS , la tras ce ndencia que ha tenido es te sistema en la geodesia, co mo nuevo inst rument o científico. Finalmente, se e xpo ndrán a la luz del caso estud i ado, al gunas cons i derac i ones axiol óg icas en torno al pr og reso científico y la elección de sistem as tecnológicos. 86 UNA! ETXEBARRÍA l. SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLO BAL . NAVSTAR - GPS El GPS puede definirse como un sis tema de radionavega ción basado en satélites q ue propo r ciona una pre ci sa información sobre la posición tridimensional, la vel ocidad y el tiempo (c ronológic o) en cualquier punto de la Tierra (tierra, mar y aire), durante las 24 horas del día a su usuario; co nsistiendo en una cons telación de 24 satélites (21 satélites principales y 3 de reserva)2 circulando en 6 planos órbitales, con cuatro satélites por plano , a 20.200 km de altitud sobre la superficie terrestre y co n un período orbital de 12 horas3. El princip io fundamental de navegación se apoya en la me dición de los llamados seudoa lc ances (pseudoranges) ent re el usuario y 4 satélites. De entre estos, tres proporcionan la lo calización espacial, mi entras que el cuarto es necesario dado que el GPS funciona mediante una técnica unidireccional (de satélite a antena re ce ptora ) y, en consecue ncia, el reloj del usuario no se encuentra sin cro nizado con el reloj del sa télite. Este error de sincronización es el motivo del término se udoalcanc e. El sistema completo co nsta así de tr es s ec cio nes (segments), la sección espacial (space segment) co n los sat élites activos, la sección de co ntr ol (con tr ol segment) para el co ntrol del sis tema y del ti empo, y predición de las órbitas, cuyo centro principal se encuentra en Boulder (Colorado), y, finalmente, la sección del usuario (user segment), con los diferentes r ecep tores. En relación a su hi storia, ésta pu ede co ndensa rse en los s iguientes puntos [Bauer 19 97, 151-3). A partir de 1964 la marina de los EEUU co menzó a de sarro ll ar un sistema de posicionamiento basado en saté lites den omin ado TRANSIT . Este sistema tenía co mo finalidad principal me j orar la navegación y posicionamiento de la flota de sub marinos Polaris, y con ello aumentar su eficacia. Las limitaciones de este sis te - ma, que aún perman ece en uso, (por ejemplo, la localización no podía se r permanente y resultaba poco precisa cuando los submar ino s se encontraban en movimiento), provocó el desarrollo de do s nuevos pro - yectos que carecieran de los inconvenientes que habían hecho del proActualme nt e son un total de 28 satélites. 3 Existe su equivalente ruso llamado GLONASS cuya historia y configur ación resulta paralela en muchos aspectos al sistema norteameri cano GPS. De hecho, algunas empres as comercializan equipos receptores utilizables para ambos sistemas. DEL PROGRESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO ... 87 grama original un sistema con una eficiencia muy mermada. Por un lado, el si stema bidimensional TIMAT.ION, desarroll ado por la Marina, y, en segundo lugar, el sistema tridimensional, System 621 B, de las Fuerzas Aéreas. Al poco de come nzados ambos proye ctos, sin embargo, el Ministerio de Defensa optó por unificar ambos siste ma s con el fin de economizar gastos dando nacimiento el 17 de abril de 1973 al sistema NAVigation Satellite Timing And Ranging -Global Po sitioning System, abreviadamente conocido como GPS [Bauer 1997, 151-3]. Muy esquemáticamente, su construcción puede resumirse en tres fases: Primera fase (1974-1979) : fase de comprobación. Se ll eva a cabo la fase de pruebas en la que se realizan diferentes ensayos experimentales sobre el funcionamiento de satélites, con cuya ayuda se comprueba el valor militar del sistema y la validez genera l del mismo. El primer saté lite sería lanzado el 27 de junio de 1977. - Segunda fase 0978-1985) : fase de desarrollo. Los principales ob jetivos fueron el de profundiz ar en el de sarro ll o técnico del si stema, y el l anza miento de nuevos prototipos de saté lites. -Tercera fase (1985-1995) : fase de construcción. Se completa progresivamente el sistema de saté lites , siendo funcional el primer bloque de satélites en febrero de 1989. El 17 de julio de 1995, es considerado el sistema plenamente operativo, '. .. el día de hoy la conste lac ión de satélites del Sistema de Posicionamiento Global ha satisfecho todos los requisitos de Capacidad Operativa Comp leta'. [Fuerzas Aéreas de los EEUU. Citado en Bauer 1997, 1531. La ut ilización militar de la secc1on espacial fue puesta a prueba durante la reciente guerra de l Golfo en 1990-1991, en la que durante l as últ imas fases de la guerra (además de otros sistemas de satélites) se emplearon de 15 a 16 satélites GPS [Pike-Stambl er 1992, 1 77). Como en ta nta s otras innovaciones tecnológicas militares su utilidad en el mundo civil fue rápidamente advertida. En este sen tido, el GPS se su ma a la larga lista de inno vaciones tecnológicas que si endo desarrolladas bajo los auspicios militares han sido tr ans ferid as al mundo civil como los ordenadores, el sona r, el radar, los aviones a reac - 88 UNA! ETXEBARRÍA c1on, los insecticidas, los transistores, la energía nuclear, el humilde bolígrafo, o el sistema Internet, entre los múltiples ejemplos que pue - den citarse4• En el caso del GPS, su paso al mundo civil tuvo entre otros motivos el derribo del vuelo 007 de las Lín e as Aéreas de Corea en septiembre de 1983 por los sistemas de defensa aérea de la extinta Unión Soviética, lo que m ot ivó que el pr es idente Reagan anun ciara en 1984 el ac ce so de una part e de las capacid ades de navegación pro porcionada por el GPS a la co munidad civ il , co n la finalidad de evitar futuros errores de navegación, como el que llevó al vuelo coreano a penetrar el espacio aéreo soviético [Lewis 1996, 487 )5. En particular, el GPS proporciona así dos serviciós diferentes. Por un l ado, el Servicio de Posicionamiento Pr ec iso (Precise Posi tioning Service, PPS) para uso militar y para determin adas agencias gubernamentales, y el Servicio de Posicionamiento Estándar (Standard Positio ning Service, SPS) d est i nado a la c omunidad civil. El PPS, prop orciona una exactitud de al menos 22 m en el plano horizontal, 27,7 m en el plano vertical, una exac titud de transferencia temporal UTC (Tiempo Universal Coordinado) de 200 nanosegundos , y una exactitud en la medición de la velocidad de 0,2 mi s. El acceso a es te se rvicio esta con trolado a través de dos sistemas criptográficos, denotados como Antispoofing (AS), mecanismo que frustra c ualquier intento por parte de un adversario de replic ar y transmitir diferentes datos con la finalidad de engañar al usuario, y Selective Availability (SA), que hace fluctuar el registro del reloj del sa télite corrompiendo así la exact itud del tiemp o de transmisión desde el satélite, y provo c ando además errores en el parámetro de dato s de navegación. Los usuarios del PPS eliminan l os efectos de SA mediante criptografía. Por contra, Ac erca de Ja transferencia de tecnología militar a la civ il , p uede n verse l os m1 bajos recogidos en la exce l ente obra de [M. R oe Smith (Ed), 19 87 1. 5 Claro está , la transferencia de tecnología militar al mundo civil, no bene ficia única mente a éste último, sino que en última ins tan cia re torna al mund o militar, y no so lo económicamente, sino t am bién en forma de productos reutilizables. De h ec ho, el déficit de equipami en to militar durante la guerr a del Golfo fue sa tisfecho mediante la com pra a empresas y la ut ili zación de equipam ie nt o civil estándar. Así, los menos de 2.000 r ecepto r es militar es disponibles a comienzos de la gu erra en agosto, se a umentaron entre 3.000 y 5.000 rece pt o re s comerciales a comienzos de enero de 1991, e igualmen te el gru eso de terminales de los satélites utilizados por las fuerzas terrestres no e ran militar es sino te léfonos que utilizan el sistema Inrnarsat (civil) para com unicarse; en total , un 30% de las comu nicaciones de la Armada du ra nt e la guerra fueron a través de siste mas comerciales civil es [Pike • Sta mbler 1992, 179]. DEL PROGRESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO . .. 89 el servicio SPS esta abierto sin restricciones a cualquier usuario, proveyendo de una exactit ud de 100 m en el plano horizontal, 156 m en el plano vertical, y 340 ns en el tiempo [Kaplan 1996, 4-5) . Tras largas gestiones y negociaciones, la delimitación y clarificación de la disponibilidad, así como del uso civil y militar del sistema, ha encontrado un provisional punto final en la publicación de la orde n presidencial de Clinton, fechada el 29 de marzo de 1996, sobre la uti - lización del sistema GPS. En ella se establecen los siguientes ob jetivos del sistema GPS: [Müller -Lechner 1997]: -Refuerzo y salvagua rda de la seguridad nacional de los EEUU. -Fomento de la aceptación y de la ulterior utilización del GPS con finalidades pacíficas mundiales -Estimulación de las inversiones del ámbito civil, o bien, de Ja utilización de la tecnología GPS de Jos EEUU. -Fomento de la seg uri dad y eficiencia en los tran sportes. Aumento de l as capacida d es científico-técnicas de Jo s EEUU. Asimismo especifica las funciones del Departa mento de Defensa, cuya obligación será, Financiar y gestionar el sistema GPS original (secciones espacial y de control). Garantizar un Servicio de Po s icionami ento Estándar (SPS) y un Servicio de Posicionamiento Preciso ( PPS). Controlar los efectos del GPS/DGPS en la seguridad nacional. -Desarrollar los procedimientos y tecnologías necesarios para impedir localmente una utilización hostil del GPS/DGPS. Y junto a todo ello, -Aseg ur ar se de que las Fuerzas Armadas de l os EEUU protegen las ventajas militares [del sistema sobre las civiles ]. Y, en vis ta de ello, ocuparse de que la utilización civil no sea perturbada más de lo debido. 90 UNAIETXEBARIÚA 2. PROCEDIMIENTOS DE SINCRONIZACIÓN. TIEMPO COORDINADO El tiempo GPS es el ejemplo más claro de tiempo coord inado . Un sistema de tiempo coordinado se define como un conjunto de relojes espacialmente distribuídos, sincronizados mediante el transporte lento (en compa ración con la velocidad de la lu z) de relojes o mediante señales electromagnéticas, con valores ajustados que posibilitan mant ener la sincronizac ión 6. Para obtener un sistema de tiempo coordinado se pro ce de del siguiente modo [Ashby-Allan 1979, 650. Ashby 1994, 512]: a) Imagínese un sistema de referencia inercial local (no en rota - ción) no afectado por el movimiento rotatorio de la Tierra , y con origen en el ce ntro de és ta. En este sistema de referencia, den ominado Eartb Centered lnertial Frame (ECI), se encuentra distribuído un conjunto de relojes estándar , sincronizados entre sí mediante señales electromagnéticas. b) Introdúzcase, a continuación, un conjunto de relojes estándar distribuídos aleatoriamente sobre la superficie de la Ti erra (u orbitando sobre ella). A cada uno de estos relojes se le aplica un conjunto de correcciones sistemáticas, tal que a cada instante, cada reloj en este sistema es sincróni co con los relojes estándar ficticios en rep oso del sistema ECI. Este conjunto de relojes estándar corregid os se mantendrán en tiem po coordinado. Esto es , el tiempo coo rdinado equivale al tiempo medido por relojes estándar en el sistema ECI. Ti empo propio Computación Po siciones, velocidades Tiempo coordinado Fig. J. Obtención de tiempo coordinado [Ashby -Allan 1979, 651 ). [Ashby-Allan 1979, 649). Esta es la referencia principal para el estudio de l os m étodos de sincronización y proce dimientos de cronometraje, con detallados análisis teóricos acerca de las implicacio ne s prácticas de los efectos re lativis ta s y numer osos ejemplos experimentales relevantes para la i mp lementaci ón de un sistema de ti emp o coo rdinado. DEL PROGRESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO ... 91 La posibilidad de realizar el conjunto de correcciones sobre los registros de tiempos propios que permiten crear el sistema de tiempo coordinado viene dada por la relatividad general. Así, el GPS es principalmente una aplicación de la teoría de la gravitación [Alley 1994, 129]. Establecer un sistema que reúna las características nece sarias, de modo que no existan discrepancias en los registros, o que las posibles discrepancias sean corregibles, requerirá por tanto tener en cuenta efectos relativistas debido s a la diferencia de potencial gravitatorio, pero también, efectos debidos a la velocidad de los relojes, tanto en los satélites como en Tierra, y a la velocidad de rotación de esta última. Es aquí en donde se hace necesario dar cuenta de los resultados que predicen la relatividad especial y general. Quizás por ello el físico Neil Ashby, uno de los principales experto s en el estudio de los efectos relativistas aplicados a sistemas de navegación , geodesia y metrología, ha afirmado que , ·El mejor ejemplo existente de un sistema de ingeniería en el cual la relatividad representa un papel esencial es el GPS·. [Ashby 1994, 5111. La relativid ad es, en consecuencia, además de una teoría física fundamental, un campo de investigación aplicada de primer orden en la actualidad, algo que el Departamento de Defensa norteamericano ya valoró a partir de finales de los años cincuenta apoyando la investigacion so bre la gravitación, con el punto de mira puesto en la construcción de sistemas de navegación antes citados, y que luego darían como re - sultado el GPS. Así, quien en 1956 se uniera al Laboratorio de Física General perteneciente a los Laboratorios de Investigación Aeronaútica, ]oshua N. Goldberg, escribió, ·E l Dr. Max Sc herberg, un matemático que era el invest igador principal en el ARL [Laboratorios de Investigación Aeronáutica] decidió iniciar el apoyo a la relatividad general en la Universidad de Indiana con Vaclav H'lavaty y en la Universidad de Siracusa co n Peter Bergmann. El teniente coronel que era comandante del ARL entonces, creyó que un gran esfuerzo de investigación dentro de la propia casa que sup ervisara un programa de apoyo externo era un importante medio para tener a las Fuerzas Aéreas al tanto de los nuevos desarrollos cien(úicos y en posición de explotar la nueva tecnología. Por lo tanto, animó a contratar a nueva ge nte para los 98 UNAJ ETXEBARRÍA siguiente moda8. C on sidér ense dos r elo jes A y B situados a una distancia en tre sí, L, med ible en principio me diante el tiempo qu e requiere un pulso de luz en completar el tr ayec to A~B~A multipli cado por c/ 2 (par a lo que resulta irrelevante la presencia del reloj B). A contiuación se envía una señal d es de el reloj A, en el tiemp o tA, tal que el tiempo requerido por esa señal en recorrer el trayecto de A a B resulta Uc . Enton ces se considera que el reloj B queda s in cro niz ado con el reloj A, si la señal llega en el t iempo tu, det er min ado por t6 = tA + Ve. Este procedimiento, co n oc ido co mo sincronizac ión de Einstein, y vá li do para relojes en reposo en todo sistema de refe rencia in ercial, le permitía así estable cer las relaci ones de simetría y tran s itividad entre relojes sincronizados. Ahora bien, en el caso de sistemas ace lerad os, y en G PS todo el sistema se encuentra en rotación, la in de penden cia en el sentido de sincronizaci ón que se da en el pr ocedimie nto de Einstein, esto es , de A a B o de B a A, no es autoconsiste nt e, y, sin emba rgo, la consist encia del si stema es un requisito básico. Es má s, si se sincroniza A con B y B con C, entonc es A no es tará necesa r iame n te s in cronizado co n C. Para el caso de sistemas de referencia en rotación , com o es el de la Tierra, el principio de la co nst ancia de la luz predice qu e la l uz, o cualquier se ñal electromagnétic a, necesitará un ti empo diferente en r ecorr er el mismo trayecto, bien qu e la seña l se propague en la misma direc ció n, o en la opues ta, al sentido de la ro t ación . Este efecto, fue pue sto de manifiesto en 1913 por el físico fran cés G. Sagnac, y co noci - do en co n sec uencia como efecto Sagnac9. El efe cto Sagnac es a demás la hase del funcionamiento de los giroscopios láser. El físico Georges M.M. Sagnac (1869-1928), estaba interesa do en la propa gac ión de la luz en sistemas en movimiento, y particularm en te en el efecto de Fi ze au, consideran do a partir de 1910 la posibilidad de utilizar un interferómetro rotatorio, objetivo qu e finalmente llevaría a cabo en 191 3. Básicamente, el sistema expe rimental utilizado p or Sagnac co nsistía en un interferómetro cu ya totalidad de componentes se en co ntraban fij ados sobre una mesa rotatoria de 50 cm de diámetro con c ua - tro espe j os distribuid os en su perímetro, de modo que do s ha ces co n direcciones opuestas, originados a partir de un único rayo de luz, reaB Aquí se ha consi de rad o un pr oced i mie nto equiva l ente al or igi nalmen te propuesto por Einstein, en el cual la emisi ón de las señ al es se rea li zab a de sde un punto equ idistante a ambos re lojes. 9 A ce r ca de l efecto Sagn ac , véase (P ost 1 9671. DEL PROGRESO ClENTiFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO ... 99 lizaban sendos trayectos poligonales, y cuyas franjas de interferencia, una vez reunidos , eran recogidas en una placa fotográfica. Una vez que todo el sistema es puesto en rotación a una velocidad angular w rad /s, el desplazamiento de las franjas, Df, co n r especto al desplazamiento en el caso del interferómetro en reposo viene dado por , siendo A el área limitada por el trayecto poligonal de l os haces. Mien - tras que el intervalo temporal, tanto en el sistema es tacionario como en el rotatorio, es, ó't = 4roA / c2• Sagnac interpretaba los resultados sobre la base de un posible ' viento de éter ' y concluía que los valores obtenidos estaban de acuerdo con la hipótesis de un éter inmovil relacionado con la existencia de un sistema en reposo absoluto . Simplificadamente puede considerarse una trayectoria circular. En este caso si no hay 'vie nt o de éter ' la velocidad relativa entre el interferómetro en rotación y los haces es de c±wr, en función de su sentido favorable o contrario a la rotación y el tiempo necesario para completar un trayecto comp leto será 21tr /(c±ror). De este modo el intervalo temporal en la llegada de ambos haces será, (para primer orden de wr/c), ót = 4m 2 / c2 = 4roA / c2, que es el resulta do obtenido por Sagnac, y para quien resultaba indiscutible que su experimento refutaba la relatividad especial. Sin embargo , el experimento de Sagnac es perfectamente explicable en términos relativistas. Para Langevin y Pauli, el fenómeno observado por Sagnac era de primer orden en u/e, y el desplazamiento era producto de la diferencia de las longitudes ópticas entre ambos haces; básicamente era el análogo óptico del péndulo de Foucault. En función del procedimiento e interpretación de los resultados de Sagnac parece clara la similitud existente con la comparación de tiempos en saté li tes geoestacionarios, si se obvian las diferencias instru- 100 UNAI ETXEBARRÍA mentales y técnicas utilizadas en este segundo caso . Por lo tanto si se necesita una precisión de nanosegundos, no puede asumirse que la Tierra sea un sistema in erc ial, tal y como se desprende de los resultados que obtuvieron Hafele y Keating en su conocido experimento de 1972. La posible diferencia observab le es la que rompe Ja transitividad del procedimiento de sincronización de Einstein, transitividad que es, sin emba rgo, absol utam ente necesaria en cua lquier sistema de alta precisión de tiempo coordinado, como es el GPS. Por consiguiente, si en un sistema de dos relojes distanciados entre sí sobre el ecuador terrestre [LandauLif shitz 1961, 281; Ashby 1994, 507] , se realiza el pro cedimiento de sincronizac ión de E in stein suces ivame nt e a lo largo del ec u ador (siendo por lo tanto la distancia en tre ambos de 2nR), la discrepancia entre ambos relojes en tiempo coordi - nado se rá, ro f 2roA ó:t = - r2 d<I> = ± ---- cz c2 cantidad que habra de sustraer se o suma r se al reloj, en función de su movimiento a favor o en co ntra al de la rotación terrestre. Aplicando al caso real de la Tierra (Wi nkler 1991, 1036), y con los valores, se obtiene , c = 2,9979245 x 108 mis 2ro /c2 = 1,6227 x 10-2 s/ m2 R - 6,378 x 106 m, 2ro~ ~t = ± --- -= ± - - - - "" ± 207,4 ns. c2 c2 Es decir, un reloj que cir cumnavegue la Tierra en dirección Este alrededor de l Ecuador registrará un a discrepancia de 207,4 ns, con respecto a un reloj ·fijo• en el origen. Cant idad que po r tanto habrá de añadirse al registro final1°. 1º Los patrones universales de sincronización con l as correcciones exactas a aplicar recomendadas po r el CCDS (Comité Consultivo para la Definición de l Segundo) y del CC IR (Comité Consultivo Internacional de Radio) son [Winkl er 1991, 1035-6]: DEL PROGRESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO ... 101 En el caso de la utilización de satélites, como es el caso del GPS, la corrección a realizar será por supuesto mayor ya q ue habrá de tenerse en cuenta la diferencia de potencial gravitatorio (.:iU(r)), pero el principal componente disturbador es provocado por la rotación de la Tierra, origen como hemos visto del efecto Sagnac. La confirmación experimental de este efecto, anticipada ya por Hafele y Keating, fue posteriomente reafirmada, para el caso específico de la comparación de registros de tiempo mediante satélites por Y. Saburi [Saburi et al. 1976], y por D.W.Allan, M.A.Weiss y N. Ashby [Allan-Weiss-Ashby 1985), mediante una variación del experimento de Hafele-Keating utilizando señales electromagnéticas, así como por D. W.Allan [Allan et al . 1985), al co mparar los registros GPS con los obtenidos mediante el uso de relojes portátiles entre diferentes estaciones en la superficie de la tierra. En resumen, si todas estas correcciones no se llevasen a cabo, los errores sistemáticos degradarían la totalidad del sistema. Por ejemplo, la combinación de los efectos relativistas producirían en los satélites un error acumulado en un día de 39.000 ns en tiempo o 12 km en la distancia; en definitiva, el sistema resultaría inservible a efectos reales. Un sistema de las características y los costes del programa GPS (12.000 millones de dó lares en 1994), y dadas su utilidad militar y civil, obligan a que su funcionamiento esté s ujeto a las predicciones aportadas por el conocimiento que la relatividad proporciona del mundo [Alley 1994, 129). 4. APLICACIONES DEL GPS: GEODESIA Frente a la utilización original del GPS como sis tema de posición para los submarinos, y en general para la navegación, uno de los sor - prendentes desarrollos tecnológicos que a partir de los años setenta se a) para el caso de relojes en movimiento, 2roA.¡. ~U(r) u2 At • -- + (1 - -- -- + --]ds c2 trayectoria c2 2c2 b) para el caso de si ncronización mediante señales electromagnéticas, 6! - +-- e f . trayectona dcr . 102 UNA! ETXEBARRÍA produjo dentro de Ja tecnología militar, aunque ya d esde los años cinc uenta existían técnicas en esta dirección t an to en los Estad os Unidos co mo en Ja ex tinta Unión Soviética, fue la ob tención de nuevas y más refinadas técnicas en la dirección y guía de bombas, misiles y proyectiles de ar tillería. El término utiliz ado de Precisión guided munitions descri be este tipo de a rm amen to , cap az de alca n zar sus ob je tivos con una alta precisión, siendo el GPS la tecnología más reciente a es te respecto ya que permite determinar con gran exac titud la posición de cualq uier vehí culo del que parta el proyectil, sea en tierra, mar o aire; pero a su vez tambi én posibilita la loca li zación del objetivo co n gran precisión, una vez que esta operació n se comp lementa co n la utilización de otros sistemas co mo se n so r es infrar ro jos, microondas o lá se r, por ejemplo, lo que a su vez permite la co rr ección en vuelo de los proyect il es co n trayectorias de vuelo prederminadas [Burt 1981, 48-50. Alfo rd 1981, 11 8]. Como ya se mencionó , la guerra del Go lfo fue Ja primera situación de aplicación militar real del GPS. Ha sido no obstante el mundo civil el que de forma más cont inua - da, variada y temprana ha aprovechado las opor tunidad es de es ta nue - va tecnología. Se ha dicho que el GPS es a la po sición lo que el rel oj fue al tiempo , y asi como estaba muy lej os de s er imaginado en el mo me n to de su invención cu alquier int en to por cuantificar o anticipar la total idad de usos y aplicacion es que el reloj ha llegado a tene r, o el impacto que la precisa medición del tiempo ha tenido en el mundo, la situación con el GPS resulta muy similar, de modo que al día de hoy única ment e pueden co njeturarse algunas de s us futuras apli cacio ne s [Lewis 1996, 487 ]. Esta afirmación se sustenta una vez que se tiene prese nt e la e xp l osión de ap licaciones que en ape nas quince años ha tenido esta tecnología en múltiples campos de la actividad h um an a. En particular, un cam po científico que ha enco ntrad o en el GPS una nueva herramienta de progr eso han sido las ciencias de la Tierra. De hecho, el impacto del GPS en estas disciplinas ha sido cali fi cado de ·revolucionario· [Mueller 1993, 1], convirtiéndose este sistema en la t éc nica de posicionam ien to dominant e para sus comunidades científicas. La geod es ia, disciplina en la que n os ce ntraremos a co ntinu ació n, es la ciencia de la medida y ca rto grafiado de la supe rficie terres tre , incluye ndo en la actualidad la determina ción de l campo gravitatorio externo y de l fondo marino; su í nd ole interdiscipli nar , en la qu e pr oblemas científicos, medios t éc nicos y necesidades sociales marchan juntos, ha forzado desde si emp re a esta comun idad científica a examina r DEL PROGRESO CIENTÍFICO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO ... 103 y valorar los efectos de la aplicación de nuevas tecnologías en la disciplina 11. Dentro de esta ciencia, la geodesia mediante satélites es el cam po que incluye las técnicas observacionales y computacional es que posibilit an la solución de problemas geodésicos mediante el uso de mediciones a, desde o en tre sa télites, y cuya historia disciplinar comienza propiamente con el lanzamiento del satéli te SPUTN IK-1 el 4 de octubre de 1957, si bien puede retrotraerse ha sta comienzos del siglo XIX, cuando en 1802 Laplace determinó a p artir del movimiento nodal lunar el achatamiento terrestre. Como tal, la geodesia mediante satélites es considerada una ciencia básica, si nos atenemos a que uno de sus objetivos es el de proporcionar conocimiento del movimiento de los satélites bajo la influencia de diferentes fuerzas, así como la descripción de las posiciones de los satélites y estaciones terrestres en siste - mas de referencia apropiados. Pero por otra parte, cuando las observaciones por satélite son utilizadas para solucionar diversos problemas, entonce s, la geodesia por satéli te s pertenece al dominio de las ciencias ap licadas. La geode s ia espacial, en la que se incluye como subárea la geodesia mediante satélites, se encuentra en cierto modo en una si tuación similar a la astrofísica, por cuanto se da una estrecha unión entre el desarrollo de nuevas tecnologías y la consecución de objetivos científicos en continua expansión. Esta rápida incorporación provoca que el abanico de problemas que la comunidad científica puede abor dar se expansione vertiginosamente, ya que permite incorporar cuestiones que poco tiempo atr ás se consideraban imposible s de abordar de un modo satisfactorio. Aunque esta característica sea especialmente señalable en la geodesia y la astrofísica, que duda cabe que puede considerarse una particularidad de la actividad científica actual, de la baut izada • gran ciencia•. Ya desde fases muy tempranas el GPS se ha sumado como instrumento científico en este campo, que debido a sus ventajas de mayor exactitud, válido para todas las condiciones atmo sf éricas, disponible continuamente, con funcionamiento en tiempo real, fácilmente transpor - table, muy económico y accesible, están sustituyendo de forma creciente los métodos convencionales. Estas característica s, po r con siguiente, son las que h an hecho de l GPS una herramienta muy ven tajosa y con ap licaciones prácticamente ilimitadas, no ya sólo para la geodesia sino para 11 Véas e, por ej emplo , [Ri nner 19711. 104 UNA! ETXEBARRíA un diverso número de campos como el control topográfico, ag rim ensura, na vegación, fotogrametría, etc., y para un número casi incalcu l able de casos especiales12• La incorporación del GPS en la geodesia, además de su valor como instrumento científico, ha tenido un impacto múltiple ya que entre sus efectos más gen erales, pueden destacarse los siguientes: Previamente a su ut ilización ge n eralizada se impulsaron nume - rosos experimentos con la finalidad de comprobar sus eficacia co mo instrumento científico. [Tor ge 1988]. Posteriormente ha servi do como ba se para la realización de múltiples proyectos de investigación [Ambrosius et al . 1998, 227-39 ,l Ha tenido efectos institucionales dentro de la propia comunidad científica con la creación de nuevas organizaciones [M uell er 19931. Estas do s últimas características de alcance global, por ejemplo mediante la creación del Servicio GPS Internacional para Geodinámica (IG S) compuesto por una red mundial de noven - ta puestos permanen t es distribuídos por todo el mun do, ha oblig ado a una intensa cooperación internacional [Mueller 199 3; Minster et al 1993; Ambrosius et al. 1998, 221-6]. Pero el uso del GPS, además de sus ventajas, también ha provo cado nuev os probl emas 13 . Uno de los primeros probl emas fue que las exigencias de exac - titud en las mediciones, d epend ientes entre ot r os factores de lo s receptores utilizados, no e ran alcanzables a comienzos de los oche nta, lo que imp ulsó un rápido proceso de innovación técnica en estos aparatos. Además, el enorme volumen de datos GPS ha provocado la ne - cesidad de desarrollar m étodos computacionales eficientes y económicos de analisis. [Zumberge et al . 1997). 12 En tomo a la aplicaciones y m er cados que se abr en al GPS , véanse [Seeber 1993, 325·352] y [Lewi s 1996]. 13 Al gunos problemas más específicos con los que se enco ntró la comunidad gcodética se enumeran en [T or ge 1988, 13]. DEL PROGRESO CJENT!FJCO AL DESARROLLO TECNOLÓGICO ... 105 Frente a estas cuestiones, lo s éxitos de la aplicación de GPS en geodes ia vi enen a se r en la actualidad innumerables, y un a visión medianamente completa queda fuera de la s pr etensiones de este artíc ulo . De la temprana inclusión de esta nue va t ecno logía da cuenta el siguie nt e ejemp lo, quizás menos especta cular que su aplicación a fenómenos geofísicos, pero que permite apreciar la rapidez de su aplicación, cuan do aun el GPS est aba en fase de desarrollo. Uno de las finalidades de la geodesia mediante satélites, en particular, es el trazado de redes locales para el control de proyectos de ingeniería. A él se cor r espon den entre otros, la construcción de túneles, puentes, carreteras, acueductos y oleoductos , y ace leradores de partículas. A este último caso nos acercaremos brevemente a contin ua - ción. Aunque l os análisis geodéticos, topográficos y cartográficos desempeñan un papel pequeño en proyectos de ingeniería de grandes dimensiones , son una parte indispensable, y que ha de preceder al trabajo de los ingenieros y técnicos. En el caso de la construcción e instalación de aceleradores se precisa la máxima pre cis ión , s iendo la finalidad última del control topográfico el ga rantizar que el haz de partícu - l as siga un trayecto lo más próximo p osib le al trayecto teórico calc ul ado, para lo que es necesario que la ubicación de los diferentes co mponentes , como l os dipolos, tetrapolos y detectores, principalmente, se en cuentren en perfecto alineamiento. Por ello, las exigencias en las mediciones geodéticas se estiman en milímetros. Por otro lado, el contin uado incremento en el tamaño de los aceleradores ha aume ntado las dificult ades técnicas y la complejidad de las mediciones geodéticas, en dos factores fundamentales: a) La influencia de la curvatura de la tierra, y, b) La desviación de la vertical. Ambos factores dificultan el requisito básico en el diseño de un aceler ador , como es que ha de estar en un plano horizontal real. En el pr im er caso, el problema responde al he cho de que al aumentar el radio del acelerador, la diferencia en Jo s planos horizontales entre el centro del acelerador y el túnel del ace lerador aumenta. Dado que habitualmente es un linac (acelerador lineal) el encargado de proyectar el haz de partículas en el acelerador circular, entonces la diferecia entre los 106 UNAI ETXEBARRÍA planos de l punto de inyección del haz y el plano de la trayectoria aumenta . En el segundo caso, el problema radica en las ondulaciones sob re la superficie de la Tierra que puede n ir de pocos centímetros a va rios metros diferencia. Estas ondu l aciones se manifiestan en la superficies equipote nciales del campo gravitatorio de la Tie rra , de modo que cualquier ondulación o divergencia entre estas superfic ies se evidenciará en una distorsión del plano realizado a partir de las alturas niveladas, y en un acelerador las partículas no siguen la superficie equipotencial sino que han de orbitar, como se ha dicho con ante rioridad , en un pl ano real. En los sucesivos acele rador es construídos en el CE R N, desde el Proton Sincrotrón de 28 GeV 0954 -59), cuyo diámetro era de 200 ro , hasta el gran colisionador electrón positrón (L EP, 1986-88), de 8,6 km de diámetro, estos problemas, entre otros, han obligado a que el grupo de geodesia aplicada del CERN haya incluído las técnicas e intrumental más avanzado en su trabajo, s iendo el GPS la última • gra n herramienta• que se ha sumad o al instrumental científico. En particular, la prime ra aplicación de l GPS dentro del CERN fue realizada durante la construcción del LEP a mediados de los años ochen - ta, cuando aún el sistema no se encontraba en pleno funcionamiento. La aplicación fundamental del GPS fue durante la instalaci ón de la r ed de control geodét ica del aceler ado r de 27 kilómetros de perímetro, y en el que habían de ser instalados un total de 4500 compo nentes entre dipolos, tertrapolos, etc., siendo los resultados obten id os mediante la utilización de esta nueva tecnología comparados con los res ultado s obtenidos me - diante técnicas convencionales con la finalidad de comprobar las venta jas e inconveniencias del uso práctico de es ta nueva técnica. 1- --· 8,6 Km - --t Fig. 3. Red geodética de co ntrol del LEP [T urner (Ed.) 1987, 105]. DEL PROGRESO C TE N1ÍF JCO AL DESARROLLO TECNO LÓGI CO ... 107 La instalación de la red (figura 3) realizada en diciembre de 1984 co nsistió en seis puntos de control, más un punto cen tral fijo (re pre - sen t ado mediante un círcul o) siendo medido cada uno mediante dos detectores en dos ses iones, dando como resultado unas diferenci as t ípicas de 1 mm en la latitud, 2 mm en la longitud y 4 mm en la alt ura. Para det erminar el grado de exactitud de estas mediciones, los resulta - dos obtenidos fueron comparados con lo s registrados en una campaña realizada al año siuguiente en la que se utilizaron métodos convencionales [Turner (Ed.) 1987, 1301. Las mediciones GPS han posibilitado que pese al incremento de las dificultades respecto de anteriores acelera dores de menor tamaño, los procesos de m edición se definan mediante una mayor exactitud, mayor fiabilid ad y un coste económico inferior, si bien , la solución mediante el uso del GPS de los problemas señalados, no ha supuesto un abandono de las técnicas convencionales, en algunos casos insustituibles (al menos en el pre se nte), como son las mediciones en el interior del acelerador una vez construído. 5. PROGRESO CIENÚFICO, EVALUACIÓN DE TECNOLOGIAS Y PLURALIDAD AXIOLÓGICA La primera consideración a te ner en cuenta es el caracter restrictivo que ha dominado Ja reflexión filosófica en torno al con cepto de progreso científico, lo que ha ocasionado que éste se haya contemplado a la luz de un ún ico valor como el de verdad o verosimilitud. De este modo , el progreso científico ha sido considerado de forma generalizada en términos de l as te orías y, muy especialmente de t eo rías físicas, ignorando la experimentación, y reduciendo el valor de los experimentos únicamente a su función de contrastación, y, por consiguiente, cualquiera que fuese el origen y función original de éstos, referidos en genera l como corroboraciones o refutaciones de una consecuencia teórica en particular. Es to es, por sus •virtudes· hacia la teoría. Un segundo elemento de menor atención aún en fil osofía de la ciencia ha sido el de Ja instrumentación e innovaciones tecnológicas, y sin embargo, el progreso científico ha estado constreñido siempre, más aún en la actualidad, a determinada disponibilidad instrumental. Así, el físico y químico Philip H. Abelson, editor de la revista Science entre 1962 y 1984, ha escrito al respecto, 114 UNA IETXEBARRÍA Landau, L. - Lif s hi tz, E .: 196!3 [1951], Tbe classical tbeory of fields. Addis onWesley Pub . 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