¿Podemos entender la Naturaleza sin complicadas Matemáticas?

La Matemática está presente en todas las ciencias y técnicas, desde la Física hasta la Biología, incluso en ciencias sociales tiene un aporte importante, como en Economía o en Sociología. No obstante, se considera una de las materias más difíciles de los planes de estudio. Además, la complejidad del tratamiento matemático llega a ser muy alta incluso en casos aparentemente simples, dos ejemplos tomados de la Física:

Ejemplo 1: Cuerpos en interacción gravitatoria: La ley de Newton para la fuerza gravitatoria establece que dos cuerpos de masas m y M se atraen con una fuerza proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional a la distancia que los separa, y se expresa con una ecuación simple:

F = m·M / d²

Con la ayuda de las ecuaciones de la mecánica, se plantea el problema del movimiento de dos cuerpos aislados (si no están aislados el problema se complica más) que interactúan entre sí gravitatóriamente (conocido como "problema de los dos cuerpos"), que resulta ser no trivial, ya que su solución analítica conduce a una familia de órbitas, que son curvas planas de segundo orden (cónicas), sólo con dos cuerpos ya tenemos un problema a nivel de primer ciclo de carrera universitaria.
En general, dos cuerpos en movimiento sujetos a su fuerza mutua gravitatoria describen órbitas que son cónicas: circunferencias, elipses, parábolas o hipérbolas.

Ahora bien, si introducimos un tercer cuerpo (problema de los tres cuerpos), aislados para hacerlo más simple, ¡el problema se convierte en irresoluble!, y sólo podemos realizar simulaciones aproximadas por ordenador. 
Al tratar con el movimiento de tres cuerpos sometidos a interacción gravitatoria, nos encontramos con que es irresoluble matemáticamente, no podemos calcular sus trayectorias.

Ejemplo 2: Péndulo plano: si en un péndulo simple como el de la figura, esto es, con movimiento plano, con una cuerda inextensible con masa despreciable, y pequeña amplitud de oscilación,  aumentamos la amplitud, el péndulo deja de ser "simple" matemáticamente hablando, y para describir el ángulo que forma la cuerda con la vertical necesitamos usar funciones elípticas., que son funciones definidas a través de una integral (de tipo elíptico) demasiado complicada para resolverla analíticamente. Estamos de nuevo a nivel Universitario, a pesar de que el péndulo es, en apariencia, muy simple.

Simple Pendulum Oscillator.gif
Péndulo simple, Fuente: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5316727






















¿Hay alguna razón profunda que explique esta complejidad de la Naturaleza, que vemos incluso en casos muy simples? ¿Es acaso cierta la hipótesis neoplatónica, al afirmar que hay un "mundo de ideas" gobernando este "mundo de sombras"? Un mundo de ideas que sería muy matemático, muy complejo y muy exacto, si de él ha de emanar toda la complejidad que vemos. Veamos dos propuestas al respecto, que yo sepa, son propias, así que no puedo dar ninguna fuente bibliográfica para ellas.

Propuesta 1: la información incompleta necesita una matemática complicada

Personalmente creo que la Naturaleza es óptima, no desperdicia recursos, no hace las cosas complicadas porque sí; una posible explicación sería decir la complejidad que vemos la vemos debido a que nuestra mirada sólo ve parte del total, no es completa, y por tanto tiene que inferir desde la parte observada el comportamiento global. Esta explicación bebe de las fuentes de la Inferencia Estadística; en efecto, si queremos hacernos una idea, por ejemplo, de la intención de voto en una población de 100.000 habitantes, tomaremos una muestra, de por ejemplo 500 ciudadanos, y con sus datos inferiremos, más o menos, la intención de la población. El hecho de no tener toda la información complica las cosas: incluso para escoger cuales de los 100.000 habitantes van a ser encuestados tendremos que usar técnicas de muestreo estadístico, y después para estimar la intención de voto general necesitaremos las técnicas de Estadística Inferencial.

Estadística inferencial: técnicas matemáticas para poder escoger una muestra pequeña  que sea representativa de toda una población grande, y usarla para obtener conclusiones válidas de toda la población en estudio.


Está claro que, si encuestamos a todos los 100.000 habitantes, la complejidad se reduce a cero, pues tenemos todos los datos, no nos hace falta todo ese instrumental estadístico, aunque el coste puede ser inasumible en la práctica. En la ciencia en general ¿podemos encontrarnos en una situación parecida? Los datos experimentales no nos darían toda la información real disponible, por lo que para inferir regularidades, leyes, etc, necesitamos un aparato matemático potente.

 

Propuesta 2: Las leyes naturales son simples, nuestro enfoque es el complicado

Nuestra mente lo quiere controlar todo para que actúe en nuestro provecho; así, no nos basta con saber que el aire, pese a ser tan tenue, al moverse a gran velocidad puede generar una gran fuerza, queremos saber los detalles para ser capaces de fabricar molinos eólicos, alas de aviones, etc. Tampoco nos basta con saber que hay una fuerza natural intangible llamada electricidad que se manifiesta en las tormentas eléctricas, queremos controlarla hasta el punto de saber almacenarla, producirla y aprovecharla en motores eléctricos, en iluminación, etc.

Este control preciso requiere situarlo todo en unas coordenadas de espacio y de tiempo, así como conocer las leyes que, dadas unas causas, producen posteriormente unos efectos. La Naturaleza, de por sí, no calcula nada, no hay ningún "reloj cósmico" que va marcando unos tiempos a un "ordenador cósmico" el cual va produciendo efectos  a partir de las causas preexistentes. Hay unas leyes naturales, eso seguro, pero no tienen una expresión matemática (recordemos que estamos en la propuesta 2, no estoy afirmando, sino proponiendo); es cuando queremos colocar esas leyes en el marco de nuestro familiar espacio y tiempo cuando obtenemos complicadas leyes matemáticas. Nosotros hemos inventado el pensamiento matemático, la Naturaleza no lo necesita para nada, pues no hay ninguna mente racional dirigiendo los sucesos, simplemente suceden. Este enfoque está muy relacionado con el que expuse anteriormente en mi serie de artículos sobre el génesis y la evolución, especialmente en el último artículo, Génesis (III): ¿evolución o creación?.

Ciencia divulgativa

Quizás debido a esta complejidad matemática, hay mucha gente que ha renunciado a entender el mundo que le rodea, tanto el natural como el artificial; ¿cómo y por qué brilla el Sol, llueve, hierve el agua, vuelan los pájaros, etc? ¿cómo es posible que un tren de alta velocidad, de muchas toneladas de peso, se mueva impulsado por una "corriente" invisible? ¿cómo funciona la iluminación LED? etc, etc, etc. Es por esto que considero que deberíamos disponer de más ciencia y técnica divulgativa, explicando las cosas con rigor pero sin aparato matemático complicado, usando modelos simples. Los modelos son construcciones mentales que nos ayudan a entender un ente real; hay modelos que incorporan mucha matemática, otros en cambio son muy visuales y apelan a la lógica y a la imaginación. Creo que nos falta una buena producción divulgativa usando un mínimo de complejidad y un máximo de claridad; incluso me atrevo a decir que podrían usarse con éxito tales obras en entornos académicos, ya que suele pasar que se le dan al estudiante modelos muy matemáticos, de forma que se pierde en los detalles sin llegar a entender realmente el todo (la famosa frase de los árboles que impiden ver el bosque).

Recientemente he conocido el caso de un estudiante de una nueva modalidad de bachillerato (denominado internacional) que se suponía iba a ser innovador en el terreno pedagógico, pero a la hora de la verdad ha resultado ser más de lo mismo: pesados libros de texto y explicaciones del profesor en la pizarra; la novedad que he visto estriba en la complejidad: el estudiante de primer curso ha de enfrentarse, en la asignatura de Física, a la Relatividad Restringida, cosa que si se hiciera de modo divulgativo estaría muy bien, pero es que trabajan con transformaciones de Lorentz, algunas con demostraciones matemáticas incluidas, e incluso con diagramas de Minkowsi del espacio-tiempo; en vez de intentar hacer entender los fundamentos, se introduce más aparato matemático en el temario, más complejidad. Creo firmemente que este no es el camino correcto. Puede aprenderse mucha Física (o ciencia en general) sin complicaciones técnicas matemáticas, que pueden dejarse para los especialistas interesados en los detalles.

Ejemplo: el movimiento de fluidos por conductos es una rama de la Física y de la Ingeniería que produce ecuaciones realmente complicadas, teniendo un buen número de casos sin resolver, que se han de tratar con simulación por ordenador. Incluso casos simples como el flujo de un líquido por una tubería ancha, paralela al suelo, a baja velocidad, ya necesita usar ecuaciones que quedan fuera del entendimiento del lector no especialista (ecuaciones de Navier-Stokes).
Modelo para el flujo de fluidos. Pero esto no quiere decir que no seamos capaces de entender el detalle de lo que sucede en ese flujo, siempre que no queramos predecir exactamente, en el espacio y en el tiempo, las medidas de presión, velocidad, etc del fluido. Podemos usar un modelo simple: el imaginar que el líquido está compuesto por unas pequeñas esferas, invisibles a simple vista; tales esferas son muy fuertes, son casi incompresibles, no ceden bajo presión, pero pueden rodar y deslizar, entre ellas y con las paredes del recipiente; al hacerlo, se producen unos rozamientos, unas pérdidas de energía, debido a la viscosidad del líquido.

Un líquido en movimiento en una tubería recta, según el modelo de esferas; hay una presión P que mueve el fluido a la derecha, y unas resistencias Fr debido al roce del fluido con las paredes y Fv debido al roce entre las esferas (viscosidad del fluido), éste último es mucho menor que Fr, por lo que las velocidades de las esferas no son las mismas: son mayores en el centro de la tubería, y menores cerca de las paredes
En la figura anterior vemos un esquema de lo que sucede al aplicar una presión a un fluido usando el modelo de esferas; las velocidades de éstas no son todas iguales pues los rozamientos son mayores en las paredes que entre esferas, por lo que las velocidades varían de forma continua entre un máximo en el centro de la tubería y un mínimo cerca de las paredes.
Una presión perpendicular a la superficie del líquido no produce ningún cambio en él, ya que estamos presionando las esferas intentando aplastarlas, en cambio una presión tangencial desplaza las esferas, las hace rodar, y así el fluido en conjunto se mueve.

Izquierda: una fuerza tangencial, si no hay paredes que lo impidan, hace que las esferas rueden entre sí: el líquido se desplaza. Derecha: una fuerza perpendicular a la superficie de un líquido confinado no produce ningún movimiento, las esferas no pueden rodar libremente
Las esferas pueden rodar una contra las otras, o deslizar; en el primer caso, rodamiento, la pérdida por fricción no existe o es casi cero, en el caso de deslizamiento sí tenemos fricción apreciable, relacionada con la viscosidad del fluido. Cuando un fluido no puede moverse por estar confinado en un recipiente, ejercerá una presión sobre sus paredes.
La fuerza F sobre una esfera se transmite a las esferas próximas perpendicularmente a las superficies de separación entre ellas. Las esferas que tocan las paredes del recipiente transmiten esas fuerzas a las paredes, las cuales han de ejercer una fuerza resultante R sobre el líquido para mantenerlo confinado, si esa fuerza R es demasiado grande para el material del recipiente, éste se deformará y/o romperá debido a la presión excesiva del líquido.
Usando el modelo de esferas es fácil entender el principio de Pascal, tratado en todos los textos pre-universitarios de forma enunciativa, "la presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido", se añaden fórmulas matemáticas, y se hacen problemas para ayudar a "entender" el principio, pero de hecho no suele explicarse por qué sucede.
Principio de Pascal: las esferas confinadas se transmiten la fuerza F, aplicada por un émbolo a la izquierda, entre sí y a las paredes del recipiente, el cual ha de responder con fuerzas opuestas para mantener el liquido confinado; al haber más esferas en la parte derecha, cada una ejerce la misma fuerza transmitida, y la fuerza total sobre el émbolo es mayor (en la figura, el doble) que la de la izquierda. No hay ninguna "magia en este aumento de fuerza aplicada, pues es el propio recipiente el que la realiza (suma de todas las contribuciones de las paredes).

Estoy convencido de que exponer la ciencia de forma comprensiva pero rigurosa, con ayuda de ilustraciones y animaciones, complementada con prácticas de laboratorio, y eludiendo en lo posible el uso de matemáticas, tendría un resultado positivo en la comprensión del estudiante e incluso podría aumentar el número de aspirantes a científicos, pues a todo el mundo le gusta entender de verdad el mundo que nos rodea.

Como último ejemplo, mencionaré el recurso didáctico del cómic: una forma amena, sencilla y no obstante rigurosa para estudiar historia, economía, ciencias, etc; en la ilustración vemos una página del cómic sobre economía Economix (fuente: http://economixcomix.com/), he de decir que me ayudó a entender la Economía mundial de forma sencilla y a la vez con un detalle que no había conseguido leyendo decenas de blogs y algún que otro libro de texto.

Economix: un (excelente) cómic sobre Economía






Comentarios

  1. Super interesante. Yo estudié ciencias empresariales, las conclusiones que quité y que se utilizaban era estadística para medir y algebra para calcular resultados... Aunque la matemática sea lo más practico que hay las explicaciones son super teóricas... Y mucha gente se pregunta ¿para qué sirven??... Seguro que lo más interesante, para un matemático, sea la descripción matemática de la naturaleza, pero yo creo que esto aún no está conseguido, sino casi conseguido a través de fractales por ejemplo, o en vías a través del numero aureo...

    De todas formas ver este proceso que llevará siglos resulta muy interesante...

    La verdad es posible que todo se pueda calcular o medir, aunque estas palabras son muy toscas, pues los aparatos de medida y la ciencia de medida geométrica como la trigonometría son toscas de más y muy poco sensibles... pero tiempo al tiempo!!!...

    Por otra parte aparte de que hace falta una supersensibilidad la aritmética es muy bruta, muy tosca, por ejemplo me imagino calcular el estampado de una tela, a través de la medida, de la aritmética yo creo que sería posible a través de fractales, que es lo ultimo!!

    Cuando dicen que la matemática posee una belleza fría y austera como la de una escultura, creo que hay reside su problema de definición de lo natural, que es de lo más sensible a diferencia de las susodichas matemáticas, que son toscas y aparatosas...

    El reto que veo ahí es representar la matemática con funciones, quizás aquí este el kit de la cuestión, porque todo debe de ser definición, que es una función mismo...

    Pero, a fin de cuentas yo creo que se sabe muy poco sobre los números, y su alcance, asimismo son limitados; solo son unidades, lo que se puede contar, pero no cuentan con características propias de ningún tipo, o aun no está estudiado!!...

    Me resulto muy interesante el artículo, felicitaciones!!

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  2. Yo tras reflexionar creo como los matemáticos árabes y de al andaluz que la mejor forma de llegar al conocimiento de la naturaleza es a través de los instrumentos de medida como la óptica y la imagen y también a través de la medicina en búsqueda de una súper inteligencia o mejoramiento del cuerpo humano en base a la investigación. En cuanto a la matemática racional, alemana, China, francesa yo creo que la solución está en la geometría y sobre esto leo sobre matemática rusa pues todo es geometría o bien rectas y curvas. Para mi que no soy ningún genio la solución está en la observación directa de la naturaleza...

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    1. Gracias por comentar petalolimon, son interesantes tus reflexiones. Mi intuición es que cada vez queremos conocer (y controlar) la Naturaleza en más y más detalle, desde el Cosmos hasta la estructura misma de la materia-energía, y eso implica una complejidad enorme.

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  3. Yo creo que a veces uno entiende mejor en "estado de gracia" cuando nace y es simple e inocente y no después de memorizar tanto, a mi me pasa... lo tengo pensado las intuiciones son más puras y la conciencia más clara, creo que saber demasiado en algunas personas puede ser incluso una "maldita" maldición!! dejo por aquí este enlace...: https://www.youtube.com/watch?v=Rk_sAHh9s08

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