1º BACH - LECTURA COSMOVISIONES CIENTÍFICAS (BUJARÍN)

 

LAS COSMOVISIONES CIENTÍFICAS (DESDE LOS GRIEGOS HASTA LA ACTUALIDAD)

 

            Para el pensamiento premoderno (el pensamiento metafísico de los griegos que la teología cristiana adoptó e hizo suya), existen tres tipos de seres: las cosas corpóreas (el Mundo, el universo físico), las cosas incorpóreas (las Almas e Inteligencias) y el ser perfecto (Dios).

 

            Desde el Renacimiento, la Física (que se convirtió en aquel momento en una ciencia experimental) ha ido acaparando todo el discurso acerca del Mundo y sustituyendo a la metafísica como ciencia de la realidad corpórea, material, física (a la metafísica ya sólo le quedarían como objeto de estudio el alma y Dios). En ese cambio, la Física decidió que su distinta manera de comprender la realidad consiste en que no busca saber qué son las cosas sino en que se limita a explicar cómo funcionan las cosas.

 

            ¿Por qué este privilegio de la Física (frente a otras ciencias como la química, la biología, etc.) como el sustituto en el mundo moderno de la metafísica a la hora de explicar qué es la realidad material? Porque las demás ciencias hablan de parcelas del Mundo. En cambio, la Física sí toma el mundo físico en su “totalidad” como objeto de estudio. Lo hace desde dos perspectivas:

            1º intenta explicar el origen del cosmos (el origen de todo lo que existe).

2º intenta explicar cuál es la estructura última de la realidad (desentrañar cuáles son los componentes últimos y más elementales del Universo: partículas, campos, fuerzas, leyes, etc.).

 

La Física es por ello la ciencia (cc.) fundamental. Todas las demás la presuponen. Esta presuposición no quiere decir que las demás cc. Puedan ser reducidas a la Física sino  simplemente que sobre la base de las leyes físicas han emergido las realidades que pretende explicar la química, la biología, la geología, etc.

 

Tres grandes cosmovisiones ha aportado la Física:

1)      la antigua griega: sustancialista, finalista y geocéntrica.

2)      la moderna: mecanicista y determinista.

3)      la actual: cuántica y relativista.

 

La Física de los antiguos

 

            La primera gran cosmovisión científica es la elaborada por Aristóteles en el siglo IV a.C. La Física de Aristóteles era una “física del sentido común”, de la experiencia ordinaria y la vida cotidiana, pues no hace otra cosa que describir (más que explicar) el mundo tal como nos lo encontramos a nuestro alrededor: el mundo está compuesto de cosas (de diferentes sustancias) que tienen ciertas propiedades (calor/frío, humedad/sequedad, color, olor, etc.); el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas, se mueven en torno a la Tierra; el cielo está arriba y el suelo abajo; el agua y la tierra tienden a ir hacia abajo y el aire y el fuego hacia arriba; hay cuerpos que se ponen en movimiento por sí mismos; un cuerpo en movimiento requiere de un motor que lo mueva o por el contario dejará de moverse y pasará a estar en reposo). Pues bien, la Física de Aristóteles se articula en torno a los tres siguientes grandes presupuestos:

 

1º el mundo es el conjunto de todas las realidades independientes que existen (esta roca, este árbol, este caballo, este astro, etc.). Cada realidad individual independiente y completa la denominó substancia. Que las cosas individuales concretas sean substancias significa que son la realidad más originaria y fundamental (como veremos más adelante, la cc. moderna no está de acuerdo con esta afirmación de Aristóteles ya que concibe el universo como un gran mecano con componentes o piezas últimas que se constituyen como la realidad más primaria y fundamental: las partículas elementales de la materia).

 

2º Todas las substancias individuales forman parte de una clase natural: de una especie y de un género. Así por ejemplo, los árboles del patio pertenecen a la especie roble y al género de los árboles y mi mascota “Félix” a la especie de los gatos y al género de los felinos. A las distintas clases naturales, Aristóteles las denomina “formas substanciales” (o “formas” a secas; también se la denomina “esencia” o “naturaleza”). Todos los miembros de una misma clase natural comparten una serie de propiedades y características comunes que definen en qué consiste la esencia o naturaleza de los individuos de dicha especie. Gracias a ello, podemos diferenciar a los gatos no sólo de los perros sino también de otros felinos como los tigres o las panteras; por ejemplo, los gatos sólo maúllan mientras que las panteras también rugen).

 

3º Lo más importante de la naturaleza de un ser  no son sólo las características y propiedades morfológicas sino sobre todo el conjunto de actividades que le son propias como por ejemplo,  el florecer y fructificar en el caso de los árboles. Pues bien, para Aristóteles, todas las substancias en virtud de su esencia o naturaleza, es decir, de la clase natural a la que pertenecen, poseen un principio interno que es la causa de las actividades y procesos que le son propios. Por ejemplo, la naturaleza del agua es el principio interno que explica la capacidad del agua de disolver una roca de sal y la naturaleza de las golondrinas explica la capacidad de reproducirse poniendo huevos o de volar recorriendo grandes distancias (como veremos más adelante, la cc. moderna tampoco estará de acuerdo con esta idea de “naturaleza” como principio interno que explica la actividad propia de los seres de una clase natural específica).

 

4º Ninguna clase natural es el resultado de la combinación de elementos o partículas más simples. Aristóteles aceptaba la existencia de los compuestos, de lo que él denominaba “substancias mixtas” (una mixtura de algunos de los cuatro elementos simples: tierra, agua, aire y fuego) pero que cumplía sólo con la función de soporte material de la substancia ya que la forma de ésta era propia de cada una de ellas, no resultado de la combinación de substancias más elementales. Ello implicaba que era imposible que las distintas clases naturales pudiesen por combinación proceder unas de otras (al contrario de lo que pensamos hoy en día ya que consideramos que lo que sea el agua es el resultado de la combinación  del hidrógeno y del oxígeno en determinadas cantidades; dos átomos de hidrógeno por cada uno de oxígeno).

 

5º El punto de vista anterior es correlativo a la negación de la posibilidad de aparición de seres nuevos en la realidad, esto es, de que pueda llegar a existir cualquier clase de evolución en el universo (ni física ni biológica). Para Aristóteles, todas las clases naturales existen desde siempre, son eternas. Es imposible que las clases naturales hayan sido creadas (como defendían los teólogos cristianos) y menos aún que sean el resultado de la evolución de formas o clases naturales más simples (tal como defiende el evolucionismo moderno). Por todo ello, la concepción de Aristóteles que niega la posibilidad de la aparición de clases naturales nuevas en el tiempo recibe el nombre de fijismo (o fixismo).

 

6º La estructura del cosmos: la cosmología.

En el Universo hay dos regiones claramente diferenciadas:

a)      la Tierra o mundo sublunar.

b)      los Cielos o mundo supralunar.

 

a)      la característica principal de la Tierra es que en ella los individuos pertenecientes a las distintas clases naturales están continuamente cambiando y sobre todo nacen y mueren (se generan y destruyen los individuos), no son eternos. La Tierra inmóvil ocupa además el centro del Universo (geocentrismo y geoestatismo) y en ella el movimiento natural es rectilíneo hacia arriba o hacia abajo (las piedras caen y los gases ascienden) siendo los restantes movimientos violentos (como el lanzamiento de un proyectil).

b)      los Cielos consisten en un conjunto de esferas concéntricas (son 8: una para cada uno de los 5 planetas visibles a simple vista, 2 para la Luna y el Sol y una última, que es el confín del Universo físico, para las 1022 estrellas). Las esferas son de éter (una substancia similar al cristal) y en cada una de ellas está incrustada un astro. Las esferas giran eternamente en torno a la Tierra con un movimiento uniforme y circular perfecto. Lo que diferencia a los Cielos de la Tierra es que allí todo es eterno por lo que en él nada nace ni nada perece. En el Universo no existe el vacío. El movimiento más perfecto es el circular propio de los astros (pues es el que más se aproxima a la inmovilidad). Finalmente, el Universo es finito y cerrado (su confín es la esfera de las fijas). Pero, ¿Quién mueve los Cielos? Las esferas celestes no se mueven por sí mismas sino quien las mueve es Dios, un ser perfecto que está más allá del cosmos físico en otro plano de realidad, una realidad suprafísica. Dios es también una substancia eterna pero su inmutabilidad es absoluta. ¡Cómo mueve el Universo físico? No por tracción sino por atracción.

 

En síntesis, la cosmología antigua se caracteriza por ser una cosmovisión:

 

1º SUSTANCIALISTA: las realidades básicas son las substancias, las cosas individuales (todo lo que hay son las substancias y las propiedades de las substancias).

 

2º ESENCIALISTA: todas las substancias individuales se incluyen en alguna clase natural en virtud de su naturaleza o esencia específica.

 

3º TELEOLÓGICA (o finalística; de telos=fin): Aristóteles se pregunta cuál es la causa del movimiento y la actividad de los seres y responde que lo es su naturaleza. ¿Y por qué las substancias actúan? Porque a través de las actividades que despliegan logran desarrollar, desenvolver, realizar su naturaleza. Ejemplo: ¿por qué los árboles florecen y fructifican? Porque así se despliega y realiza la naturaleza de los árboles: al alcanzar su plena madurez, los árboles son capaces en sus frutos de producir las semillas que hará posible que se reproduzcan y que, aunque el árbol individual muera, la especie perdure eternamente.

 

4º ORGANICISTA: el Universo, cada substancia individual y el Universo entero, es concebido como un organismo, como un ser vivo, dotado de sensibilidad e incluso de conciencia y pensamiento (el mundo es considerado como un todo orgánico dirigido por un espíritu universal; el mundo está constituido de forma jerárquica y todas las cosas están animadas: no sólo los hombres, los animales y las plantas sino también los cielos e incluso los minerales tienen un alma, parte del alma universal lo que hace que todas las cosas estén unidas entre sí manteniendo relaciones de simpatía y antipatía).

 

5º CUALITATIVA: no cuantitativa (matemática) como la de la cc. moderna. Implicará que las matemáticas no son la clave para la comprensión de la realidad y que el Universo no es homogéneo: cada substancia tiene unas propiedades cualitativamente distintas a las demás substancias (esta distinción será sobre todo fundamental para diferenciar las substancias celestes de las terrestres).

 

La Física moderna

 

La cosmología aristotélica entró definitivamente en crisis cuando en 1543 Copérnico publica “Sobre las revoluciones del orbe celeste”. En dicha obra, se defiende el heliocentrismo que afirma dos cosas:

            1º el Sol ocupa el centro del Universo

            2º la Tierra está en movimiento (traslación, rotación y trepidación)

La afirmación más revolucionaria sería esta última, el movimiento de la Tierra. ¿Por qué? Si la Tierra está en movimiento, toda la Física de los antiguos es falsa. Por ello, todos los seguidores de Copérnico, los copernicanos, los más destacados de los cuales fueron el astrónomo alemán Johannes Kepler y el mecánico y matemático italiano Galileo Galilei, se dispusieron a crear una nueva Física, la Física moderna. El proceso que ellos iniciaron (y que denominamos “la Revolución científica”) en el primer tercio del siglo XVII fue culminado a finales del mismo siglo (tras las aportaciones de Huygens, Boyle, Pascal y Torricelli) por la obra de Isaac Newton, autor con el que queda definido definitivamente el paradigma que conocemos con el nombre de “mecánica clásica o newtoniana”.

 

            ¿Cómo concibe la realidad la mecánica clásica? ¿Cuáles son sus presupuestos? Son dos: uno físico y otro epistemológico.

1º Presupuestos físicos (referido a cómo es la realidad):

-          la realidad consiste en partículas extensas en movimiento (los cuerpos son sólo eso).

-          los cuerpos se mueven en el espacio euclediano e interactúan entre sí.

-          las partículas o corpúsculos de materia (por efecto de sus choques e interacciones) se combinan entre sí dando lugar a todos los seres existentes.

-          las únicas propiedades de los cuerpos que son objetivas son las magnitudes. Por ello, la realidad puede ser descrita en términos matemáticos.

-          En conclusión: el mundo físico es un complejo mecanismo hecho de múltiples piezas en el que los fenómenos pueden ser explicados a partir de sus causas eficientes y de las leyes que los rigen.

 

2º Presupuesto epistemológicos (referido a cómo funciona el entendimiento): para Aristóteles y todo el pensamiento antiguo y medieval, el entendimiento es la facultad que nos permite conocer los “universales” (la esencia o naturaleza de las cosas, su “forma substancial”). Pero tras la crítica de nominalismo (corriente filosófica del siglo XIV cuyo principal representante fue Guillermo de Ockham y que defendía que los “universales” no son más que nombres, “nomina” y de ahí que se les denominase “nominalistas”) fue necesario encontrar la universalidad en otra parte. ¿Dónde? En la misma mente humana, en el entendimiento. ¿Por qué? Porque el entendimiento es concebido no como aquella facultad que nos permite abstraer la esencia de las cosas sino como la facultad capaz de generar espontáneamente construcciones de carácter matemático que luego podemos utilizar como hipótesis para explicar el funcionamiento de la realidad. Esta nueva concepción del entendimiento la propuso Descartes (y por ello, con él nacerá la filosofía moderna) pero está implícita en Galileo.

 

            ¿Qué imagen del mundo postula la mecánica clásica?

 

1º la materia es pensada en términos estrictamente corporales (para Aristóteles, la materia más que “cuerpo” era el soporte de la forma substancial y el principio que individualizaba dicha forma substancial en los distintos individuos): cuerpo es aquello que es extenso (que tiene un volumen y ocupa un lugar en el espacio). [Descartes afirmará que extensión y espacio son lo mismo y por lo tanto 1º los cuerpos no ocupan tanto un lugar en un marco espacial previo sino que son el espacio, y 2º que no hay vacío (no hay espacio vacío de cuerpos)].

 

2º ¿Cómo es el marco espacial y temporal? El espacio (y el tiempo), es el marco, el escenario en el que se encuentran los cuerpos materiales. ¿Cómo es ese espacio? Para Aristóteles con su teoría de los “lugares naturales” no hay un marco espacial en el que estén las cosas (el “lugar” es una propiedad de las substancias y como hay substancias con distinta naturaleza, en el Cosmos también habrá “lugares” y regiones diferenciadas: en el centro del Cosmos estarán todas aquellas substancias compuestas por el elemento “tierra”, el m elemento más pesado. Como es propio de la naturaleza de estas substancias ocupar el centro, delimitan un “lugar natural” que es el centro del Cosmos. Por encima de ella, está el “lugar” de las substancias acuosas o esfera del agua y seguidamente la esfera del aire y del fuego. Por encima de la esfera flamígera se encuentran las esferas celestes, 8 en total, que están hechas de éter. Pues bien, para Galileo:

1º el espacio no tiene propiedades locales: es homogéneo (rechazo de la doctrina de los “lugares naturales” de la astronomía antigua).

2º el espacio es infinito ya que si tuviese límites tendría zonas con características peculiares: su centro y su periferia, el límite del espacio.

3º la geometría de Euclides es apta para describir su estructura.

EN CONCLUSIÓN, la actividad que desarrollan los cuerpos a través de sus movimientos e interacciones se lleva a cabo en un escenario constituido por:

A)    un espacio uniforme e infinito de tipo euclediano.

B)    Un tiempo absoluto que fluye uniformemente.

 

3º El movimiento es entendido exclusivamente como el desplazamiento de los cuerpos en el espacio. Espontáneamente los cuerpos tienden a permanecer en reposo o movimiento rectilíneo de velocidad uniforme (principio de inercia). Por ello, tan natural es el reposo como el movimiento uniforme. Lo único que tiene que ser explicado es la variación del movimiento (su aceleración o cambio de dirección), no el movimiento mismo. Todos los cambios (la generación y destrucción de los seres, el crecimiento, los cambios de cualidad) pueden ser explicados como la agregación y separación de partículas materiales. Por ello, todos los cambios pueden ser explicados en términos de cambio local (frente a lo defendido por Aristóteles). Además, el movimiento puede ser descrito matemáticamente, reducido a fórmulas cuantitativas. ¿Cómo? 1º todo movimiento es cambio local. 2º el movimiento es velocidad que es definida como la cantidad de espacio que recorre un cuerpo en una unidad de tiempo. 3º la aceleración no es más que la variación constante de velocidad. Ejemplos:

a)      movimiento uniforme e=v.t

b)      movimiento uniformemente acelerado e= ½ a.t²

c)      movimiento de los proyectiles e= √ x²+y² (x  es el espacio horizontal recorrido por el proyectil; y es el espacio vertical; Galileo considera que el movimiento final del proyectil es el resultado de la composición de dos movimientos: el movimiento inercial horizontal de lanzamiento “x” + el movimiento vertical de caída “y”).

 

4º El problema de la posición de los cuerpos: al haber quedado eliminada la teoría aristotélica de los “lugares naturales” se plantea el problema de cómo determinar la posición de los cuerpos (para así calcular distancias, velocidades, etc.). Galileo compendió que si no hay lugares naturales, no hay un “sistema de referencia absoluto” (todas las mediciones se realizan desde un sistema de coordenadas relativo. La Tierra, el movimiento de un barco, etc.) No se puede afirmar que hay algo en reposo o en movimiento de un modo absoluto pues depende del sistema de coordenadas desde donde se mide. Ejemplo: la velocidad a la que se mueve una persona X que anda a 6 km/hora por la cubierta de un barco no es la misma si la mide un observador A desde el barco a si la mide un observador B desde tierra firme (6 Km/h +30 Km/h a la que se mueve el barco=36 km/h.).  

Sin embargo, se puede trasladar la velocidad de un móvil y su posición desde un sistema de coordenadas  a otro (esto es posible entre sistemas inerciales, aquellos sistemas de coordenadas que se mueven uniformemente uno respecto al otro como por ejemplo el barco en movimiento y la tierra firme del ejemplo anterior, mediante las leyes de transformación de Galileo). Aplicadas estas leyes de transformación se descubre que en los distintos sistemas inerciales:

            1º el tiempo no varía (fluye del mismo modo)

            2º tampoco varía la longitud de los cuerpos

3º una ley que es válida en un sistema (por ej., “F= m.a” o “v=e/t”) lo es también en sus infinitos sistemas inerciales.

 

5º Los cuerpos mantienen entre sí interacciones que provocan las variaciones de la “cantidad de movimiento” (provocan aceleraciones y cambios de dirección). A estas interacciones se las denominará fuerzas. Las fuerzas operan siempre en línea recta y con una intensidad inversamente proporcional a la distancia. Las fuerzas básicas son la atracción gravitatoria y la atracción/repulsión electromagnética.

¿Qué son las fuerzas? El agente externo (la causa eficiente) que provoca un cambio de velocidad o de dirección de un cuerpo. Son interacciones y por ello la fuerza actúa en sentido contrario sobre los dos cuerpos. Sin embargo, la variación de velocidad no es la misma porque esos cuerpos tienen una masa (masa inercial) distinta. La masa inercial, la inercia, es la resistencia que ofrecen los cuerpos a cambiar su estado de reposo o movimiento y viene expresado por la fórmula F=m.a

m inercial = F/a

El mayor logro de Newton fue descubrir que tanto la caída de los graves como el movimiento de los planetas es efecto de una única fuerza, la atracción gravitatoria. Su fórmula es F=G. m1.m2/d²

 

La fuerza gravitatoria explica el peso de los cuerpos sin necesidad de recurrir a la teoría de los lugares naturales de Aristóteles. A tal fuerza o peso se la denomina masa gravitatoria (la masa gravitatoria e inercial de un cuerpo siempre es la misma).

 

Más tarde, el físico francés Coulomb consiguió explicar de un modo semejante la atracción y repulsión eléctrica: F= K. q1.q2/r² “dos cuerpos cargados eléctricamente se atraen o repelen con una fuerza directamente proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia”.

 

6º Las interacciones entre los cuerpos no llegaban a explicar totalmente el dinamismo de la materia. Por eso, en el siglo XVIII fue necesario acuñar un nuevo concepto, el de energía. ¿Qué es la energía? La energía es una propiedad de la materia. ¿Cómo se manifiesta? La energía se presenta de múltiples formas: cinética, potencial, calorífica, etc. Estas distintas formas pueden transformarse las unas en las otras.

 

Materia y energía constituyen el sustrato último de la realidad. Por esa razón, la cantidad total de materia y energía (en un sistema cerrado) tiene que permanecer constante (o de lo contrario habría que admitir que surge realidad de la nada o que la realidad puede diluirse en la nada). A la cantidad de materia de un cuerpo se la denomina masa.

 

 

 

El resquebrajamiento de la física clásica

 

            La mecánica clásica intentó explicar a partir de sus principios el fenómeno de la luz (también del calor, la electricidad y el magnetismo). Para explicar los fenómenos ópticos, se propusieron dos explicaciones alternativas:

 

1º la teoría corpuscular: fue propuesta por Newton. La fuente de luz emite partículas mínimas (corpúsculos) que se mueven en línea recta (tal como establece la mecánica clásica). Al impactar contra nuestra retina, estimulan las terminaciones nerviosas de nuestros ojos provocando la sensación de la luz y los colores. A través de esta teoría, Newton explicó los fenómenos de la reflexión y la refracción de la luz.

 

2º La teoría ondulatoria: fue propuesta también en el siglo XVII por el físico holandés Cristhian Huygens. La luz es un fenómeno ondulatorio. La luz se propaga por medio de ondas. ¿Qué es una onda? La propagación de un estado de perturbación de la materia pero no de las partículas materiales que permanecen en su sitio. Las ondas tienen distinta velocidad de propagación, frecuencia y longitud. Hay dos tipos de ondas: longitudinales y transversales (las ondas longitudinales son aquellas en las que las partículas del medio se mueven en paralelo a la dirección de la onda, mientras que en las transversales lo hace transversalmente, perpendicularmente; las ondas electromagnéticas son transversales). 

 

Hasta mediados del siglo XIX, no se pudo demostrar cuál era la correcta. Finalmente, la demostración de que la luz puede bordear un obstáculo hizo que se impusiera la teoría ondulatoria (una partícula rebota, no bordea un obstáculo).

 

 

Había además otros problemas pendientes en la mecánica clásica:

 

1º Respecto a las interacciones gravitatorias y electromagnéticas:

a)      ¿Cómo es posible que los cuerpos ejerzan una acción a distancia?

b)      ¿Cómo es posible que se establezca una acción instantánea?

 

2º Un físico norteamericano llamado Rowland realizó a finales del siglo XIX un experimento por medio del cual puso en cuestión tres principios fundamentales de la mecánica clásica:

1.      Hay una interacción entre fenómenos eléctricos y magnéticos.

2.      La fuerza de la interacción (atraer o repeler) puede operar perpendicularmente, no sólo en línea recta.

3.      La fuerza varía en relación a la velocidad, no sólo a la masa/carga y a la distancia.

 

Todos estos problemas hicieron necesario el desarrollo de uno de los conceptos más importantes del pensamiento científico: la noción de campo de fuerzas (campo gravitatorio, electromagnético), una noción que había sido inventada unas décadas antes por el físico británico Faraday y que había sido perfectamente matematizada por Maxwell quien introdujo una serie de ecuaciones que describen matemáticamente la estructura del campo.

 

¿Qué es un campo? Una zona supuestamente vacía del espacio pero que adquiere ciertas propiedades porque cerca de ella hay cuerpos con masa o carga eléctrica/magnética. Por ejemplo, un cuerpo con masa crea un campo gravitatorio a su alrededor en el que las fuerzas se ejercen en la dirección que va al centro de dicho cuerpo. En un campo magnético creado por una corriente eléctrica, las líneas de fuerza son concéntricas a la línea que sigue la corriente eléctrica (lo cual explica el experimento de Rowland). Conclusiones:

1º la electricidad y el magnetismo son dos fenómenos que se dan siempre juntos. El campo electromagnético se propaga como una onda transversal.

2º a velocidad de las ondas electromagnéticas es igual a la de la luz. De aquí se infiere que la luz es una perturbación electromagnética en forma de ondas.

La noción de campo solventa el problema de la acción a distancia (de un modo similar a como podemos mover un corcho que flota en una piscina, así actúa un campo). El campo (en el ejemplo, el agua de la piscina) tiene la propiedad de transmitir energía (en forma de perturbaciones en su superficie, en el ejemplo del agua).

 

El problema es que para que haya ondas tiene que haber perturbación de un medio. En el ejemplo anterior, del agua. En el caso de las ondas sonoras, del aire. Pero, ¿qué medio se perturba en el caso de las ondas electromagnéticas? La respuesta fue “el éter” (una vieja noción de la astronomía aristotélica). En 1882, dos físicos norteamericanos, Michelson y Morley, realizaron un complejísimo experimento para demostrar experimentalmente la existencia del éter. Pero recubrieron lo contrario, que el éter es indetectable. Para poder explicar esto, un físico holandés llamado Lorentz propuso una hipótesis según la cual a los cuerpos en movimiento, por efecto del viento de éter que provocan, les ocurren tres cosas:

1º se encogen de tamaño de un modo proporcional al aumento de velocidad.

2º conforme aumenta su velocidad aumenta proporcionalmente su masa.

3º el tiempo se ralentiza también.

Lorentz desarrollo la fórmula que permite calcular la disminución de longitud de los cuerpos en movimiento, la ralentización del tiempo y el aumento de la masa en movimiento:

-          longitud en estado de reposo . √ (1 - v²) . c²

-          tiempo en estado de reposo . √(1 - v²) . c²

-          masa en reposo . 1/√ (1 - v²) . c²

Estas fórmulas son las famosas transformaciones de Lorentz

La teoría de la relatividad de Einstein

A)    La teoría especial de la relatividad (T.E.R.)

 

En una serie de escritos publicados en 1905 (su “annus mirabilis” en el que publica en los “Anallen der Physik” tres artículos sobre el movimiento browniano, el efecto fotoeléctrico y la relatividad especial), Einstein sentaba las bases de una nueva física en la que 1º se explicaba el fracaso del experimento Michelson-Morley y 2º adquirían un nuevo sentido las “transformaciones de Lorentz”.

 

1º si el éter es indetectable es porque no existe. La consecuencia es que no existe ningún sistema de referencia absoluto. Esto era una recuperación del principio de relatividad de Galileo que:

a)               había sido cuestionado por Newton quien defendía la existencia no sólo de un tiempo absoluto sino también de un espacio absoluto (en realidad lo que hacía era afirmar que era compatible el principio de relatividad de Galileo con la postulación de un sistema de coordenadas fijo y absoluto).

b)               va a ser aplicado no solo al movimiento sino va a ser extendido al tiempo, la longitud de los cuerpos y a la masa de los cuerpos. Por todo ello, no sólo la velocidad sino también el tiempo, la longitud y la masa de los cuerpos varía de un sistema inercial a otro (en la proporción indicada en las ecuaciones de Lorentz).

 

2º la velocidad de la luz (c) en el vacío es constante. Si en un sistema inercial que se mueve a 3.000 km/s proyectamos un haz de luz, este no se mueve a 303.00 km/s, la suma de las dos velocidades. La velocidad de la luz no se puede rebasar nunca. Este principio contradice el principio de relatividad de Galileo y ha sido confirmado experimentalmente de múltiples formas.

 

3º La velocidad de la luz es el límite máximo al que puede viajar cualquier tipo de información (la información sobre el mundo se transmite a través de la luz).

 

De estos tres puntos, se derivan las siguientes cuatro consecuencias:

 

1º Perdida relativista de la simultaneidad: sucesos que han sucedido simultáneamente en un sistema inercial dado, observados desde otro sistema pueden tener lugar en momentos distintos.

 

2º Dilatación relativista del tiempo: la duración de un suceso en un sistema inercial puede parecer mayor si lo observamos desde otro sistema. Se calcula utilizando la fórmula de Lorentz. T = t0. √ 1-v²/c²

3º Contracción relativista de la longitud: la longitud de un cuerpo es menor si se mide desde otro sistema inercial. L = L0. √ 1-v²/c²

 

4º La relatividad de la masa: la masa de un cuerpo en movimiento es mayor que la que posee en reposo. Según la fórmula de la mecánica clásica F=m.a, si aplicásemos una gran fuerza a un cuerpo de masa x, llegaría un momento en que la aceleración superaría la velocidad de la luz. Pero eso es imposible según la física relativista. ¿Qué sucede? La masa de un cuerpo aumenta en relación con la velocidad siguiendo la fórmula

m = m0. 1/√ 1-v²/c²

Si la velocidad del cuerpo es la de la luz, su masa adquiere un valor infinito (que es lo mismo que decir que alcanzar la velocidad de la luz es inlcanzable para cualquier cuerpo con masa).

 

La mecánica clásica había definido ya la “energía cinética” como la que posee un cuerpo por estar en movimiento (si aumenta la velocidad de un cuerpo, aumentará la energía cinética). Pues bien, ahora sabemos que también la masa aumenta con la velocidad. En conclusión: masa y energía cinética discurren paralelamente. Einstein lleva este paralelismo hasta sus últimas consecuencias: masa y energía son intercambiables. Tal intercambio se produce según la fórmula Ec = m.c² que significa que los cambios de masa que se producen en un cuerpo se traducen en la creación o destrucción de energía cinética y viceversa. Los principios de conservación de la energía y de la masa pueden reducirse a un solo principio: el “principio de conservación de la masa-energía” total del Universo.

 

 

B)    La teoría general de la relatividad

 

La Teoría General de la Relatividad (T.G.R.) incluye todas las leyes descubiertas para los sistemas inerciales (1º constancia de la velocidad de la luz; 2º ralentización del tiempo; 3º acortamiento del espacio; 4º aumento de la masa con la velocidad; 4º Ec = m.c²; etc.) y las hace extensivas a los sistemas no inerciales (aquellos que se mueven relativamente a otro con movimiento acelerado como por ejemplo la Tierra respecto del Sol).

 

Pero la TGR desarrolla también una nueva concepción 1º de la gravedad y 2º de la naturaleza geométrica del espacio.

 

1º el punto central de la TGR es el decubrimiento de que inercia (masa inercial) y gravedad (masa gravitatoria) son lo mismo (atención: no que ambas sean magnitudes equivalentes sino que son la misma magnitud):

- ¿Qué es la inercia? ¿Qué es la masa inercial? La resistencia que ofrecen los cuerpos a cambiar su estado de movimiento m = F/a

- ¿Qué es la gravedad? ¿Qué es la masa gravitatoria? La resultante de la fuerza de atracción entre los cuerpos (la fuerza de atracción gravitatoria que es el peso, es la masa gravitatoria también F= G. m1.m2/d²).

Pues bien, la masa gravitatoria y la masa inercial tienen siempre el mismo valor. Pero para la mecánica clásica esa coincidencia es inexplicable. Para la mecánica relativista, la explicación es muy sencilla: gravedad y aceleración son dos nombres para un mismo fenómeno.

Conclusión: la aceleración produce gravedad (como ocurre en una nave espacial que se mueve rotando sobre su eje) porque la aceleración es gravedad.

 

2º La cuestión que queda por explicar es ¿por qué los cuerpos adquieren un movimiento acelerado? (¿por qué la Tierra no sigue el principio de inercia moviéndose en línea recta con velocidad uniforme y por el contrario se mueve aceleradamente trazando elipses en torno al Sol?). La mecánica clásica lo explicaba diciendo que es atraída por el Sol (la famosa atracción instantánea y a distancia gravitatoria). La explicación relativista es más sencilla pero también más desconcertante: la Tierra se mueve en torno al Sol porque de hecho se está moviendo en línea recta. ¿Cómo es esto posible? Porque nuestra concepción del espacio está equivocada. Nosotros, la mecánica clásica, pensaba que la estructura del espacio quedaba descrita por la geometría euclediana. Pero Einstein demostró que eso era un craso error (Riemann descubrió junto con Lovachenski a mediados del siglo XIX las geometrías no eucledianas del espacio curvo; en dichas geometrías, las afirmaciones de la geometría de Euclides, geometría del espacio plano, no tienen validez; además, problematiza la noción misma de espacio: el espacio no es un mero receptáculo vacío ya que hay una interacción entre el espacio y los cuerpos que lo ocupan). Einstein abandona la geometría tridimensional de tipo euclediano y la sustituye por una geometría de espacio curvo-convexo (como una esfera) que tiene no tres sino cuatro dimensiones: el espacio-tiempo, siendo el tiempo la cuarta dimensión. Einstein además afirma que este espacio-tiempo se deforma allí donde hay una gran concentración de materia (por ejemplo, en torno al Sol). En este espacio-tiempo deformado, la distancia más corta entre dos puntos (la línea recta) es una línea geodésica. De este modo, obedeciendo al principio de inercia (que lleva a que los cuerpos en movimiento uniforme en línea recta continúen en movimiento si ninguna fuerza externa les obliga a cambiar), la Tierra sigue una línea geodésica en torno al Sol.

 

¿Qué conclusiones saca de todo ello Einstein?

1º gravedad y aceleración son lo mismo

 

2º la aceleración es consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo en torno a las concentraciones de materia (por lo tanto, la gravedad es una propiedad del espacio-tiempo).

 

3º la gravedad y la inercia también son lo mismo (implica que la inercia también es una propiedad del espacio-tiempo y por tanto, en general, que la masa es una propiedad del espacio-tiempo).

 

4º se pueden describir las propiedades de este espacio-tiempo deformado a partir de las leyes de campo de Maxwell.

 

5º la idea de un espacio-tiempo de cuatro dimensiones nos obliga a pensar la realidad en términos de sucesos y campos. La materia crea deformaciones espacio-temporales con características de un campo gravitatorio. Pues bien, en este campo gravitatorio hay más sucesos que cosas. ¿Por qué? Una cosa es algo que puede ser localizado por su posición en un sistema de coordenadas. Pero para la mecánica relativista sucede que 1º una diferencia de tiempo desde un sistema es observada como una diferencia de espacio desde otro sistema, 2º mientras que dos sucesos que ocurren simultáneamente en dos sitios distintos serán percibidos por un mismo observador como ocurriendo en tiempos diferentes. Pues bien, si queremos dar una descripción objetiva de un fenómeno (no limitarnos a presentarlo desde un determinado punto de vista) tendremos que situarlo en un eje de coordenadas donde aparezca el espacio y el tiempo. Por ello, debemos hablar más de sucesos (situados en un escenario espacio-temporal) que de cosas extensas.

 

 La mecánica cuántica

 

A)    La teoría cuántica de la luz

 

En 1900, el físico alemán Max Planck hizo el descubrimiento que es el disparo de salida de la mecánica cuántica: la luz no se comporta (en su aumento y transmisión) como una onda sino como una partícula.

 

            La luz se transmite en forma de ondas, ondas de diversas frecuencias y longitudes. Hay cuerpos que absorben luz de cualquier frecuencia (y que no reflejan ninguna): son los cuerpos negros. ¿Qué ocurre si se calientan? Sería de esperar que emitiesen luz de todas las frecuencias (pues han absorbido la luz de todo el espectro visible). Pero no ocurre así: comienza emitiendo luz roja (la que tiene una frecuencia más baja), luego naranja, luego amarilla, etc. ¿Por qué ocurre tal cosa? Según Planck, porque la “energía luminosa” (la luz es energía luminosa) no aumenta de una forma continua (como corresponde a una onda) sino que lo hace de un modo discreto, en base a unas ciertas cantidades mínimas (a estas cantidades mínimas, las denomino quanta, cuantos) y múltiplos de esas cantidades. El problema es que  eso es una característica de las partículas. ¿Qué concluyó Planck) La energía luminosa se transmite en forma de onda porque tiene frecuencia. Pero aumenta en base a cantidades mínimas como si la energía fuese en “paquetes”, al igual que si fuese una partícula indivisible (fue Einstein quien descubrió que la energía de la luz está cuantizada en pequeños paquetes a los que llamó fotones en su primer artículo de 1905 sobre el efecto fotoeléctrico).

 

B)    La teoría cuántica del átomo (de la materia)

 

El atomismo tiene su origen en una doctrina filosófica defendida por Demócrito y Leucipo que establece que la naturaleza esta compuesta de átomos (átomo significa “indivisible” en griego), de elementos atómicos que al combinarse unos con otros constituyen las cosas complejas que forman el cosmos.

 

Con el nacimiento de la ciencia moderna, se volvió a recuperar la idea de que la materia está compuesta de partículas mínimas. En el siglo XVII se postuló la teoría corpuscular por Robert Boyle y ya en el siglo XIX la primera teoría atómica (formulada por Dalton en 1803). En 1876, Goldstein descubrió el electrón que fue considerado como la carga elemental (la unidad básica) de electricidad. Como la mayoría de los cuerpos son neutros, Thomson supuso que tenía que existir una carga positiva que anulase la negativa. Propuso por ello el primer modelo complejo de átomo: se la imaginó como una esfera sólida de carga positiva que lleva incrustados en su interior los electrones (como si fuese un pastel con pasas). En 1909, Rutherford bombardeó una fina lámina de oro con iones de helio cargados positivamente. Observó que la mayoría de las partículas atravesaban el cuerpo como si no existiese, que algunas partículas eran desviadas de su trayectoria y que otras (un porcentaje mínimo de partículas) parecían rebotar. Para explicar este fenómeno propuso un modelo de átomo como si de un sistema solar en miniatura se tratase: la masa y la carga + estaba concentrada en el núcleo (protones/neutrones) y en torno a él girarán los átomos. Pero este modelo planteaba algunas objeciones:

 

1º si los electrones estaban sometidos constantemente a una aceleración, deberían emitir energía (en forma de ondas electromagnéticas), cosa que no hacen.

 

2º si los electrones emitiesen energía, perderían energía y se precipitarían sobre el núcleo, con lo cual el átomo sería inestable.

 

Fue entonces cuando el físico danés Niels Bohr propuso su modelo de átomo de concepción cuántica:

 

1º un electrón sólo puede girar en unas órbitas determinadas (las “órbitas estacionarias”) y mientras se encuentra en ellas no emite ni absorbe energía.

 

2º cuanto más alejadas están del núcleo, más energía poseen.

 

3º cuando el electrón salta de una órbita más extensa a una más interna, emite energía en forma de radiación (y a la inversa, la absorbe).

 

Dado que sólo existen unas órbitas determinadas (K, L, M, N, etc.), la emisión o absorción de energía sólo puede darse en unas cantidades determinadas (las órbitas posibles K, L, M, …, vienen determinadas por los valores de un número entero (n) llamado número cuántico principal. K=1; L=2; M=3; etc.

 

Pues bien, como sabemos, Planck y Einstein llegaron a la conclusión de que la energía y la luz aunque se transmite en forma de ondas tienen comportamientos propios de las partículas. La pregunta que algunos físicos se hicieron fue ésta. ¿Puede suceder también que las partículas tengan comportamientos de ondas? En 1924, Louis deBroglie propone que el comportamiento dual onda-partícula debe ser también aplicable también a la materia y no sólo a las radiaciones (en 1927 se demostró que los electrones tienen un comportamiento propio de las ondas).

 

En 1927, el físico alemán Werner Heisenberg enunció el principio de indeterminación (o de incertidumbre) conforme al cual es imposible determinar exactamente la posición y la velocidad (momento) de un objeto. ¿A qué es debida esta incertidumbre? A que para poder observar un objeto tenemos que actuar, bombardeándolo con fotones de luz que hacen que cambie su cantidad de movimiento.

 

            La teoría de la dualidad onda-partícula y el principio de indeterminación de Heisenberg llevaron a Bohr a desarrollar el “principio de complementariedad”. Dicho principio sostiene que el mundo subatómico en su totalidad sólo puede ser explicado si no nos empeñamos en explicarlo desde una sola perspectiva. Por ejemplo, la difracción (la capacidad de la luz de bordear un obstáculo) sólo puede ser explicado desde la teoría ondulatoria, pero la radiación del cuerpo negro o el efecto fotoeléctrico sólo desde la teoría que supone que la luz tome caracteres de partículas (fotones). El mismo principio de complementariedad nos explica el principio de indeterminación, el por qué podemos conocer la posición o el momento de una partícula pero no podemos explicar ambos a la vez.

 

De todo ello, los físicos cuánticos extrajeron la consecuencia de que es imposible conocer con precisión el comportamiento de la realidad subatómica (de las partículas o de las ondas). En el mundo subatómico no se puede tener el conocimiento preciso de las cosas individuales (parece como si se desubstancializase la realidad). El físico abandona la pretensión de alcanzar ese conocimiento preciso de las cosas individuales  y los substituye por la descripción del comportamiento colectivo de una multitud de partículas-ondas. Por ello, sus leyes funcionan como leyes estadísticas, como leyes que describen probabilidades.

 

Muchas de las conclusiones de la mecánica cuántica no fueron aceptadas en su momento por algunos físicos. Entre todos ellos destaca Einstein que no aceptaba que las leyes que rigen los fenómenos cuánticos sean meramente estadísticas (probabilísticas; es el famoso “Dios no juega a los dados”) así como el principio de indeterminación. Pese a todo ello, la validez de la mecánica cuántica se ha ido confirmando una y otra vez desde entonces.

 

La mecánica cuántica deja sin embargo muchos problemas abiertos. ¿Cuáles? Tiene consecuencias que desafían y chocan contra el sentido común (tiene consecuencias absurdas). El caso más famoso es la “paradoja del gato de Schrödinger”, un experimento mental ideado por un físico austriaco del mismo nombre. ¿Qué ocurriría si encerrásemos un gato en una caja sellada? Dentro de la caja hay un artilugio compuesto por 1º material radiactivo 2º una botella de gas venenoso y 3º un martillo. El material radiactivo al desintegrarse libera una partícula α que hace que el martillo caiga sobre el gas venenoso y que este mate al gato. Así funcionarían las cosas según la mecánica clásica. Pero resulta que en la mecánica cuántica no se pueden conocer circunstancias individuales, sólo probabilidades. La probabilidad de que se libere la partícula α es del 50%. Luego el gato debería estar muerto al 50% y vivo al 50%, todo lo cual es absurdo.

 

El problema que nos permite plantear este experimento es que hay una brecha entre el mundo macroscópico y el cuántico: el gato, la caja y el artilugio pertenecen al primero, aquel en el que las cosas tienen un comportamiento definido. Pero tal mundo macroscópico está compuesto de fenómenos cuánticos. ¿El problema es cómo podemos relacionar uno con el otro sin incurrir en absurdos como el del gato de Schrödinger?

 

 

La cosmología actual: el Big Bang

            La física no sólo pretende explicar la estructura de la realidad material sino también su origen.

 

            La teoría sobre el origen del cosmos recibe el nombre de teoría del Big Bang y fue propuesta por el astrónomo americano Edwin Hubble. Según esta teoría, nuestro Universo (no el Universo) se originó hace 15.000 millones de años. ¿Qué había en el principio? No había ni partículas ni interacciones. Toda la materia se encontraba bajo una forma infinitamente condensada y caliente. Ese estado es conocido como “singularidad original”.

 

            A partir de esta “singularidad inicial” se produjo una explosión (el Big Bang) y el Universo comenzó a 1º expandirse y 2º enfriarse (situación que continúa en la actualidad) creándose la materia y las cuatro fuerzas que rigen el Universo: gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil.

 

            El Universo ha pasado por cinco eras:

 

1º ERA CUÁNTICA: duraría desde t=0 s. hasta t= 10 -43 s. Ese instante es imposible de describir con las teorías actuales. Se supone que toda la materia se encontraba en forma de energía y las 4 fuerzas se encontraban agrupadas en una: la fuerza electronuclear gravitatoria.

 

2º ERA HADRÓNICA: duró hasta t=10-5 s. Se separan las 4 fuerzas elementales y se originan los hadrones (partículas pesadas constituidas por quarks):

a)     a las 10-12 s., la temperatura había descendido a los 1015 grados Kelvin. El Universo era una bola de gas de materia (quarks) y antimateria (antiquarks) que interaccionaban entre sí y con la radiación (los fotones). La materia y la antimateria interaccionaba entre sí aniquilándose mutuamente. Pero en esa interacción se formo una pequeña cantidad más de materia que de antimateria (por cada 1.000 millones de antiquarks se forman 1.001 millones de quarks). Esa pequeña proporción sobrante es la que constituye la materia actual del Universo.

b)     A las 10-5 s., el Universo se había enfriado lo suficiente para que actuase la fuerza nuclear fuerte sobre los quarks, dándose lugar a los hadrones (protones, neutrones, etc.) y sus correspondientes antipartículas.

 

3º ERA LEPTÓNICA: duró hasta t=10 s. Los fotones se transformaron en partículas sin masa, los leptones [2 fotones = 1 leptón (electrón) + 1 antileptón (positrón)], hasta que la temperatura descendió tanto que dejo de ocurrir.

La energía radiante (la radiación) actual del Universo (los electrones) procede de ese momento.

 

4º ERA RADIACTIVA: duró hasta t=1 millón de años.

a)                            entre los 3 minutos y los 30 minutos ocurre la denominada “nucleosis original”. La temperatura desciende para que protones y neutrones se asocien formando los núcleos del hidrógeno. También se produce la fusión nuclear de éstos dando lugar a los núcleos de helio.

b)                           En el año 300.000, la temperatura descendió a 3.000 grados kelvin. En ese momento empezó a actuar la fuerza electromagnética que posibilitó la asociación de núcleos y electrones apareciendo los primeros átomos (los átomos de hidrógeno y helio).

 

Mientras los electrones estaban libres, la radiación (los fotones) interaccionaba con la materia y no podía escapar (el Universo era una especie de niebla cósmica). Pero en el momento en el que los electrones se asociaron a los núcleos, los fotones pudieron pasar a través de la materia sin chocar (interactuar) con ella. Esta radiación aún puede captarse en la actualidad. Es la famosa “radiación cósmica de fondo” detectada por Robert Wilson y Arzo Penzias en 1965 y que fue la primera gran prueba empírica de la validez de la hipótesis del Big Bang.

 

5º ERA ESTELAR: dura hasta la actualidad. Se formaron inmensas nebulosas de hidrógeno y helio. Comenzó a actuar la fuerza de la gravedad formándose las estrellas. Por efecto de la condensación del hidrógeno y el helio: 1º se forma una protoestrella; 2º el aumento de la densidad hará que choquen y colisionen los átomos aumentando la temperatura hasta que la estrella se encienda; 3º en el interior de la estrella, por fusión termonuclear, se van formando todos los elementos químicos más pesados, es decir, todos los componentes químicos del Universo actual.

 

            Esta teoría plantea muchos problemas:

1º ¿se crea el tiempo con el Universo? ¿Qué había antes? ¿Tiene sentido preguntarse por un “antes”?

 

2º ¿es nuestro Universo el único que existe? ¿Hay otros Universos coexistiendo con éste?

 

3º ¿Ha nacido de un Universo previo?

 

4º ¿Por qué ha explotado la singularidad inicial? ¿Tiene algús sentido científico hablar de singularidades cuando la ciencia se caracteriza por descubrir regularidades, leyes?

 

Conclusión: la imagen cuántico-relativista del Universo

 

1º La Física moderna nace con la pretensión de reducir todo fenómeno a lenguaje matemático. La Física relativista y cuántica no hace sino continuar ese proceso eliminando de la física todo lo que todavía quedaba de intuitivo, de apelación al sentido común (la concepción euclediana del espacio, pensar la realidad como cuerpos, etc.).

 

2º Esta matematización conduce a que todo debe ser medible. Pero para ello es necesario enviar y recibir señales. Dado que toda señal viaja a una velocidad limitada, la percepción de la realidad será diferente para observadores situados en sistemas de coordenadas distintos.

 

3º El principio de relatividad se extiende al tiempo, la longitud y la masa de los cuerpos.

 

4º No todo se explica a partir de los cuerpos materiales: hay otras realidades como los campos de energía. El concepto de campo implica que por primera vez se admite que hay realidades que no son realidades substanciales pero con propiedades específicas y que pueden interaccionar entre ellas. El concepto de substancia como sinónimo de realidad entra en crisis. Debemos admitir que el mundo puede ser pensado en términos no corporeístas, no substancialistas.

 

5º La realidad es discontinua. Cualquier forma de acción opera a partir de cantidades mínimas (cuantos) y de múltiplos de esas cantidades.

 

6º Estos cuantos pueden observarse como partículas o como ondas en función del instrumento de observación. La observación modifica el fenómeno observado. No es posible acceder a la realidad en-sí.

 

7º No obstante, esta realidad microscópica puede ser descrita con precisión a partir de leyes estadísticas.