¿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.

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

Génesis (I): El Big Bang

Inicio una breve serie de artículos sobre el origen del Universo y de la vida, desde el punto de vista de este blog: la Ciencia pero también la Filosofía. La idea general es mostrar como en el origen de la materia y de la vida encontramos conceptos y procesos similares: energía, combinaciones al azar y leyes de combinación que regulan las combinaciones.

Big ... Bang!

En el principio nada existía (existir ... del latín existere: aparecer, emerger, ser, que a su vez se forma de ex + sistere: hacia afuera + tomar posición), pero debemos precisar que había "algo" no manifestado (manifestar viene del latín manifestus: patente, palpable), supondremos que ese algo era energía primordial (energía viene del griego enérgeia: fuerza o capacidad de acción, primordial viene de primordialis: relativo a lo originario, al principio fundamental) en cantidades ingentes; así pues, había una capacidad latente de expresarse, que "de repente", se expresó:

"El universo que conocemos se originó en una inmensa explosión de energía pura desde un punto de dimensión cero y densidad infinita

Claro, en este punto  se abren muchos interrogantes, algunos de los cuales son:

http://www.physicsoftheuniverse.com

• ¿Que es esa "energía primordial"? Pudiera ser una fuerza creativa fundamental, tal como la que busca la denominada Teoría de la gran unificación, que intenta demostrar que, en las condiciones extremas del Universo primitivo, todas las fuerzas de la Naturaleza, electromagnetismo, gravedad, fuerzas nucleares, no estaban manifestadas por separado sino unificadas en una única fuerza primordial de la que posteriormente emanarían las fuerzas que ahora conocemos.
• ¿Cómo puede existir o ser concebido un punto de dimensión cero? Por la teoría de la relatividad sabemos que la realidad que nos rodea es un espacio-tiempo curvo con una curvatura que depende de la masa que hay en los alrededores, como más masa, más retorcido sobre sí mismo es el espacio-tiempo; en un agujero negro la enorme cantidad de masa retuerce tanto el espacio-tiempo que se pliega sobre si mismo de forma que nos queda un punto sin dimensiones ni espaciales ni temporales. De forma semejante, el punto primordial se comporta así: no está manifestado como espacio y tiempo, es solo energía potencial, hay una capacidad infinita sin utilizar.

Por razones desconocidas que quizá quedan fuera del alcance de la ciencia esa energía no manifestada primordial "decidió" manifestarse en forma explosiva (del latín explosio: echar hacia afuera una gran cantidad de energía); aquí, el "afuera" era el espacio-tiempo, que se creó en la misma explosión. No sabemos que había antes de esa explosión, de hecho la misma pregunta no tiene sentido pues no existía un "antes" al no existir el tiempo. Tampoco sabemos qué la produjo, quizá es apropiado decir que "fue una explosión espontánea", o que la energía estaba en un estado inestable y por eso explosionó, pero no hay nada definitivo; por eso también queda abierta la posibilidad (no científica) de un "ente creador" que "pusiera" esa energía y la impulsara a expansionarse.

Mucho más que una explosión: Leyes del Universo primitivo

Se cree que sólo habían transcurrido 10⁻⁴³ segundos y la energía primordial ya empezó a diferenciarse, creando las fuerzas gravitatoria y electro-nuclear; un instante después, 10⁻³⁶ segundos después del big-bang, la fuerza electro-nuclear se diferenció en electromagnética y nuclear. ¿Qué significa este hecho? Sabemos que esas fuerzas tienen expresiones matemáticas muy bien definidas: la gravedad fue descrita por Newton, y más tarde por Einstein, mientras que las fuerzas electromagnéticas fueron descritas por Maxwell, y en cuanto a la nucleares, por diversos físicos.

Ecuación de Einstein, relacionando energía y curvatura del espacio-tiempo

El punto importante aquí es que ... ¡en solo 10⁻³⁶ segundos! se generó toda esa complejidad de campos de fuerzas, las cuales guiaron el posterior desarrollo del Universo primitivo; hay que señalar que de hecho los campos en esos instantes eran cuánticos, de forma que aún hoy en dia no hemos conseguido hallar sus ecuaciones exactas, especialmente en el caso de la gravedad cuántica. Por tanto, la "explosión" fue mucho más que un simple despliegue de energía, fue también un despliegue de complejas leyes físicas que perduran hoy en dia, 15.000 millones de años después.

Para mí, si ya es difícil de entender que pueda haber una cantidad virtualmente infinita de energía en un punto sin dimensiones, todavía es más difícil entender cómo se generaron tales leyes complicadas y exactas, ¿o bien hemos de suponer que no se generaron, sino que ya existían en el punto adimensional original? Pero las leyes son información, más aún, son conocimiento: información altamente estructurada, preparada para ser usada ¿cómo se almacena el conocimiento en un punto adimensional, o cómo se genera desde él? De hecho, esta es una pregunta que hace tiempo me hago: una partícula fundamental, aislada, es decir, un cuanto de un cierto campo, ¿cómo sabe cómo tiene que comportarse? ¿dónde se almacena esa información, ese conocimiento?

Pragmatismo científico y el principio antrópico 

Stephen W. Hawking

La ciencia está renunciando a hacerse estas preguntas, limitándose a contestar lo que cree que realmente pertenece a su ámbito de conocimiento: observar la Naturaleza, descubrir regularidades de comportamiento, intentar describir esas regularidades con un lenguaje exacto. Por ejemplo, la respuesta de Stephen Hawking a la pregunta "¿porqué las leyes del Universo primitivo fueron esas y no otras?, pues cualquiera pequeña variación en ellas, aunque fuera sólo de una centésima parte del 1%, hubiera hecho imposible la existencia del Universo y de la vida tal como los conocemos", es simplemente: «vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos», es una aplicación del llamado "principìo antrópico". Para mí, esta "explicación" no es más que una huida, una ignorancia, pero además una ignorancia que intenta dejar sin sentido a nuestra pregunta, una ignorancia disfrazada de sabiduría, que quiere hacer pasar el afán de saber por ignorancia, pues te dice: "tu pregunta simplemente no tiene sentido, no es una pregunta adecuada". Creo que las preguntas siempre son adecuadas, y lo más honesto es reconocer que no tienes las respuestas, en vez de negar la validez de las preguntas.

Sistemas cibernéticos, regulación y evolución

Un sistema cibernético es auto-regulado, para ello se retro-alimenta, afectando al medio externo y luego adaptándose a él. La Cibernética estudia la regulación y control de todo tipo de sistemas dinámicos y de sus procesos.  Podemos aplicarla al estudio del Universo primitivo, considerándolo como un sistema auto-regulado? En principio no, pues la Cibernética no considera sistemas aislados (aquellos que no intercambian materia ni energía con su entorno), y por definición el Universo es un sistema aislado, pues contiene todo lo existente.

La pregunta es: ¿tenemos conocimiento de algún otro sistema aislado auto-regulado que no sea el Universo? Pues no, al menos hasta mi conocimiento; todo sistema aislado es de hecho una idealización, pues el aislamiento absoluto no existe.

Evolución de un sistema cerrado: energía y entropía

Pensemos en el siguiente sistema cerrado idealizado: en un espacio cerrado dejamos algunas figuras idénticas en movimiento al azar, que obedecen a la siguiente regla:

los choques entre figuras son elásticos, excepto si, al chocar dos figuras, coinciden dos de sus lados en al menos un 50% de su longitud, entonces el choque será inelástico y las dos figuras quedaran unidas.

Podemos imaginar que los lados de las figuras son adhesivos, de forma que si chocan adecuadamente se pegan entre sí. Demos posiciones y velocidades iniciales a las figuras, por ejemplo, la instantánea inicial podría ser:

Figuras moviéndose al azar en un entorno cerrado

Es de esperar que al cabo de cierto tiempo algunas figuras se hayan unido, por ejemplo:

La ley del choque entre figuras produce uniones

Esperando todavía más tiempo más figuras se habrán unido al azar:

Las uniones se hacen más numerosas y complejas

A la larga esperamos que todas las figuras queden unidas en una sola figura, es como si actuara una gravedad en ellas. Este sencillo "Universo" no cumple con la ley de conservación de la energía, pues como es sabido los choques inelásticos disipan energía cinética; en el Universo real la energía cinética se transforma en térmica, pero como en nuestro sistema no hemos definido tal concepto, se va disipando la energía; de hecho, como la temperatura está relacionada con la energía cinética, nuestro simple Universo se enfriará irreversiblemente hasta llegar al estado de equilibrio en el que todas las figuras están juntas. También podemos decir que la entropía en nuestro sistema, que podemos tomar como una medida del desorden del sistema, se reduce progresivamente, violando con ello el segundo principio de la termodinámica. Así pues, no es tan sencillo imaginar un sistema cerrado que no vulnere las leyes de la Física: hay que pensar un poco más.

En nuestra segunda versión de sistema cerrado haremos que la energía perdida en los choques inelásticos se emita en forma de un tipo de radiación para la cual no damos más detalles; esa radiación, una vez emitida, no interactúa con nada, es energía libre. Por tanto el sistema cumple ahora con el principio de conservación de la energía: en el estado final de equilibrio todas las figuras estarán unidas y circulará por el espacio una radiación que contendrá toda la energía cinética perdida. ¿Que pasará con la entropía? A pesar de que las figuras están más ordenadas en el estado final, dado que la energía radiante no puede recuperarse, deberá haber un aumento global de la entropía, y se cumplirá el segundo principio, que de hecho tiene que ver con la irreversibilidad: la energía total se conserva, pero se convierte en otra forma tal que no puede recuperarse el estado inicial de figuras separadas.

Pensemos en una tercera versión del sistema, en la cual la energía radiante pueda ser reabsorbida por las figuras, con el efecto de un aumento de la energía cinética. La energía total sigue conservándose; ¿cuál será el estado final de este sistema? Como la absorción de energía no separa las figuras, sólo las acelera, el estado final será el mismo: una única figura, unión de todas las iniciales, con una velocidad determinada por la conservación de la energía total. ¿Que pasa con la entropía? Que vuelve a disminuir, no hay pérdida de energía cinética total, y hay un aumento del orden del sistema: volvemos a violar la segunda ley. En el Universo real no hay la posibilidad de reabsorción total de la energía perdida, hay una degradación que conduce al aumento de entropía.

Así pues vemos que el Universo primitivo, generado a partir de la "nada", fue muy especial: llevaba intrínsecamente unas leyes estrictas y exactas que cumplió desde el mismo momento de su génesis.

¿De donde surge toda la complejidad?

Incluso en el sistema tan simple que hemos usado como ejemplo, para que evolucione hay que poner unos objetos, unas reglas, unas condiciones iniciales, y un tiempo para que el azar realice combinaciones siguiendo las reglas. En cambio parece ser que el Universo no tuvo "objetos" iniciales sino sólo energía, y tuvo reglas iniciales, ¿pero "quien" y "como" las impuso? Supongamos que la energía primordial ya contiene algunas reglas simples iniciales, las cuales pueden combinarse entre sí para formar reglas más complejas; es un proceso parecido al de la unión de figuras pero con reglas. Imaginemos pues un sistema inicial de reglas y de meta-reglas que permiten combinar reglas para generar nuevas reglas, codificado de alguna forma en la misma energía primordial:

Energía en expansión -> espacio-tiempo
Energía + espacio-tiempo -> campos de fuerzas y partículas elementales
Energía + espacio-tiempo + partículas elementales -> átomos
etc. etc.

La jerarquía creciente de reglas generaría todo el Universo, de hecho todo son reglas, o leyes, incluso la materia es energía que se comporta según reglas. Y todas las reglas serían combinaciones de una única fuente: la energía primordial. Esta energía primordial incluiría potencialidad y reglas de creación. En esta visión del Universo, el Big-bang no fue una explosión inicial, sino un despliegue de energía inteligente, auto-controlada por su propio sistema jerárquico de reglas, que a su vez es auto-generado, y todo lo que existe es expresión directa de esa energía manifestándose mediante lo que llamamos leyes de la Naturaleza.

Dios juega a los dados...

Aunque esta famosa afirmación surgió en el contexto de la Física Cuántica, creo que es de aplicación aquí, pues en el modelo que hemos expuesto, al igual que en el sistema simple de figuras, se deja al azar la combinación y formación de reglas más y más complejas. Ahora bien, sabemos seguro que se formaran tales reglas, solo es preciso darle tiempo al sistema. Así que es un azar relativo, pues los resultados sabemos cuales serán, aunque no este determinado el camino exacto de evolución. 

La pregunta es: ¿cuantas reglas iniciales se crearon en el big-bang? O dicho de otro modo, ¿Cuál es la mínima complejidad inicial que tuvo que crearse para que evolucionara hasta generar el complejo Universo actual? Quizá el lector se habrá dado cuenta de que estoy trazando un paralelismo con la aparición de la vida y su posterior evolución: mi tesis es que la evolución del Universo, desde la explosión inicial hasta ahora, y la evolución de la vida, desde los virus hasta los organismos complejos, siguen patrones parecidos: una materia prima más un conjunto inicial de reglas de formación, que aleatoriamente van generando la complejidad que vemos actualmente, y de la que somos parte. En el siguiente post trataré del origen de la vida.

¿Existe un límite para el conocimiento intelectual?

Los logros del intelecto parecen no tener límite alguno, ya se habla de la era del conocimiento como la sucesora de la actual era de la información, la cual a su vez sucede a la era industrial. ¿Llegaremos a tener las respuestas de todas las preguntas? Quien sabe ... pero en mi modesta opinión, el mero conocimiento intelectual tiene sus límites, y de hecho ya los hemos alcanzado. Me explico.

Conocimiento intelectual
¿Que es el conocimiento intelectual? Bien, este es un tema que se adentra en el campo de la Filosofía del conocimiento, pero esta incursión no será ningún problema, ya que este bloc siempre se ha movido cómodamente en los terrenos científico y filosófico por igual, especialmente en el "limbo" situado entre Ciencia y Filosofía. Para los efectos de este post me conformo con dar una definición escueta, de otro modo una discusión completa del conocimiento intelectual nos llevaria a llenar no sólo este post, sino una larga serie de ellos. Diremos simplemente que:

El conocimiento intelectual es objetivo, se basa en la creación y uso de objetos (mentales) inteligibles.  El intelecto tiene la capacidad cognoscitiva: el sujeto intelectual genera una abstracción del objeto exterior, llamada imagen cognoscitiva. Además, la capacidad racional del intelecto es capaz de relacionar objetos de conocimiento, descubriendo causas y efectos entre ellos, lo que le lleva a generar nuevo conocimiento de forma independiente del mundo exterior.

Como ejemplo de esta definición, tenemos el conocimiento científico, en el que a partir de datos empíricos, objetivos y comprobables, se generan conceptos tales como leyes de la Naturaleza, ecuaciones, etc. Relacionando estas leyes, la capacidad racional científica produce nuevo conocimiento teórico, el cual posteriormente se intenta verificar experimentalmente.

¿Hay otro conocimiento que no sea intelectual?
Antes de plantear los límites del conocimiento intelectual, de forma natural surge la pregunta de si realmente hay otro tipo de conocimiento, una pregunta difícil de responder ... desde una perspectiva intelectual. Bien. Pongamos nuestra atención sobre una semilla, una semilla cualquiera. Una semilla es una planta en potencia; el proceso de germinación se pone en marcha automáticamente cuando se dan las circunstancias apropiadas para ello; y es un proceso complejo, de creación de células altamente especializadas y altamente organizadas, que cooperaran para mantener viva la planta. Sabemos que ese complejo proceso está programado, codificado en el ADN de la planta; o sea que la semilla contiene un programa de desarrollo, contiene información compleja, estructurada, contiene el conocimiento exacto de cómo crear una planta a partir de la tierra, el aire y la radiación solar. Este conocimiento, existente en la semilla, no es intelectual, no se ha generado mediante la aplicación de ninguna capacidad racional, se ha generado en el curso de la evolución de la vida, y se generó antes de que existiera en nuestro planeta ningún ser racional. Otra cosa es que el científico, usando su capacidad racional, entienda el proceso de germinación, adquiriendo conocimiento intelectual sobre el proceso. Pero el proceso en sí, no necesita el intelecto para nada.

Ciencias de la Naturaleza y tecnología
Vemos pues que la Naturaleza nos da un ejemplo claro de conocimiento no intelectual, pues de hecho toda la creación que nos rodea, no sólo la germinación de una semilla, contiene ingentes cantidades de conocimiento no intelectual. Nuestro propio cuerpo es otro ejemplo complejo; la ciencia médica lo estudia, racionalizando sus procesos, una empresa aún no terminada, pues siguen habiendo muchas preguntas abiertas. El Universo tiene sus propias leyes, hay ahí un conocimiento por descubrir. Como el lector ya habrá notado, una de las tesis que mantengo aquí es que:

el intelecto no crea conocimiento científico, lo que hace realmente es convertir un conocimiento natural no intelectual a una forma racional, descubre conocimiento "ahí afuera", y se esfuerza por racionalizarlo, por darle una forma racional con la que poder trabajar.

Descubrimos leyes de la Naturaleza y les damos una forma racional, no creamos leyes de la Naturaleza.

Por supuesto, estoy hablando del conocimiento científico, pues en la técnica sí existe creación intelectual de conocimiento: cuando, por ejemplo, Antonio Meucci inventó el teléfono, no descubrió nada que existiera previamente, sino que aplicando su capacidad racional creó un nuevo concepto y un nuevo avance tecnológico.

¿En el límite del conocimiento intelectual?
Ya a principios del siglo XX la ciencia física, en su exploración de los límites de la materia y la energía, empezó a descubrir leyes naturales ininteligibles, esto es, hechos que desbordan la capacidad cognoscitiva del intelecto. Hasta entonces esto nunca había ocurrido: todos los descubrimientos se racionalizaban y se entendían, no habían leyes de la Naturaleza que no pudieran comprenderse racionalmente.  Pero en los últimos cien años el avance de los descubrimientos y de la racionalización, matemática en el caso de la Física, de hechos incomprensibles para el intelecto ha sido imparable. Actualmente, un físico profesional, no digamos ya una persona no especialista en Física, no entiende realmente muchas de las leyes descubiertas, simplemente las acepta como instrumento de trabajo, de forma absolutamente pragmática.

¿Quién entiende, realmente, que el tiempo, de por sí, no existe? Sólo existe como contraparte de la realidad física conocida por el nombre de espacio-tiempo. De hecho, tampoco el espacio-tiempo tiene una existencia independiente, sino que está relacionada con la presencia de materia y con la más misteriosa de las fuerzas de la Naturaleza, la gravedad. Tenemos ecuaciones que describen todo esto, producto de la racionalización de las observaciones empíricas, y del descubrimiento, racional también, de relaciones teóricas entre ecuaciones. Pero hemos perdido por el camino, por así decirlo, la comprensión intelectual.

¿Quién entiende, realmente, la mecánica cuántica? Como dijo el premio Nobel de Física Richard Feynman, "Si usted piensa que entiende la mecánica cuántica... entonces usted no entiende la mecánica cuántica". Estamos en lo mismo: tenemos ecuaciones, hemos racionalizado un comportamiento realmente barroco de la materia y la energía a muy pequeña escala, lo cual es en sí un logro impresionante del intelecto, pero a cambio hemos tenido que renunciar a entenderla.

Es por este motivo que me atrevo a decir que hemos llegado a un punto límite, en el cual la capacidad racional está generando un conocimiento que ya no es comprensible, ni siquiera para los expertos en la materia. ¿En qué sentido no es comprensible? Si consideramos el entendimiento como la capacidad racional de relacionar los contenidos subjetivos de la mente con la realidad exterior percibida, e integrarlos en una estructura con significado, entonces la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica no se comprenden, pues no podemos relacionar el conocimiento de nuestra realidad cercana con los extraños conceptos de esas teorías; más aún, sus afirmaciones chocan frontalmente con nuestra experiencia empírica del día a día. Para nosotros el tiempo y el espacio existen como entidades separadas.

En cierto modo es lógico que así sea, pues con el intelecto estamos explorando áreas de conocimiento que están mucho más allá del ámbito original al que está destinado: el mundo cercano de los objetos que nos rodean. No tenemos la capacidad de imaginar realmente cómo debe de ser un agujero negro del espacio, una región del Universo donde el espacio-tiempo colapsa, porque es un concepto muy extraño a nuestro entorno habitual. Este hecho nos lleva, a mi entender, a formular dos preguntas importantes por sus consecuencias:

1. ¿Es posible que nuestro intelecto, o nuestro cerebro, o ambos, evolucionen en un futuro de forma que seamos capaces de realmente entender los aspectos de la realidad física que ahora están más allá de nuestra comprensión?
2. Si por el contrario no es posible llegar a entender los nuevos descubrimientos, entonces esta limitación llegará en un futuro a ser determinante, y nos impedirá avanzar más en el conocimiento de la realidad?

En cuanto a la primera pregunta ya escribí algo al respecto en un post anterior en este mismo bloc: ¿Puede la Física moderna hacer evolucionar nuestro cerebro? En él simplemente resumo una idea formulada por el renombrado físico Leonard Susskind. El cerebro, y la mente también, son sumamente adaptables, así que la idea puede tener un buen fundamento.

La segunda pregunta es la que origina este post; de hecho como ya hemos comentado llevamos cien años realizando nuevos descubrimientos en campos que no son inteligibles, en el sentido que se ha expuesto. Parece pues que no es necesario entender la Naturaleza para seguir descubriendo sus leyes. El método científico, racional, es capaz de crear teorías que representan muy bien el comportamiento del Universo incluso sin entenderlo realmente. No obstante, la "rareza" conceptual de las teorías actuales parece alejarlas del ciudadano culto medio, que a lo sumo sólo tiene algún atisbo de ellas en alguna película de ciencia ficción, las cuales frecuentemente no son buenos referentes. No olvidemos los libros de divulgación científica, como los best-sellers de Stephen Hawking ... si los han leído, ¿realmente los entendieron?

¿Porqué es tan complicado?

Aparte de la "rareza" de las teorías físicas, hay otro aspecto que llama mi atención, y que presento aquí: ¿porqué es tan complicada de entender la Naturaleza?  Y ahora ya no estamos hablando sólo del campo de aplicación de  la Física, sino de la ciencia en general. Incluso los sucesos más triviales, cuando quieren entenderse totalmente de forma racional, se vuelven tan complicados que necesitamos estudiar una carrera y hacernos especialistas en ese tema, e incluso así frecuentemente nos encontraremos con dificultades. Algunos ejemplos:

•  Quitamos el tapón de un depósito de agua; se forma un remolino alrededor del desagüe: un vórtice. Los detalles exactos de ese remolino, diámetro, duración, velocidad del agua en él, etc.  son complicados. Se pueden tratar razonablemente bien ciertos casos especiales, pero en general es un problema abierto, del cual incluso de realizan congresos y simposios (ver por ejemplo: International Conference on Vortex Flows and Vortex Models).
• Observamos como germina una semilla; a grandes rasgos es un fenómeno comprendido, al menos de forma superficial, desde la antigüedad, pero para saber los detalles exactos necesitamos conocimientos avanzados de genética y bioquímica.
• Vemos un amanecer, el Sol vuelve a iluminar un nuevo día; pero realmente, ¿cómo produce luz el Sol? De nuevo, hay que tener conocimientos avanzados de física nuclear y astrofísica para responder. 

Esta complejidad de la realidad, al menos desde el punto de vista racional, me plantea también algunas preguntas sobre el intelecto:

• La complejidad que vemos, ¿es inherente, intrínseca, o bien sólo aparente? Quizás nuestro intelecto no está preparado para entender de forma exacta todas las cuestiones, sino que es un instrumento de poca precisión; debido a ello, necesitamos años de entrenamiento en una escuela superior dedicados a aprender unos conocimientos limitados a un campo de especialización que han tardado milenios en producirse. Por tanto, la complejidad que vemos sería producida por la inadecuación del instrumento utilizado.



Ecuaciones del electromagnetismo en presencia de gravedad, utilizan magnitudes tensoriales, y son ecuaciones diferenciales en derivadas parciales.

• ¿Hay otros posibles caminos de obtener conocimiento que sean más asequibles, menos costosos,  para nuestra comprensión? 

Dejo abiertas a consideración estas dos últimas cuestiones. Para terminar, un último ejemplo de complejidad técnica para describir la electricidad y el magnetismo en presencia de gravedad:

Utilidad del concepto de Ser para la ciencia

Causas y efectos en la filosofía de la ciencia

Hume fue el primero en distinguir  las impresiones, derivadas de las sensaciones recogidas por los sentidos, y las ideas, conjuradas por la mente. Una impresión sería la producida por la percepción del canto de un pájaro, mientras que una idea sería la imagen de un pájaro conjurada por la mente. Los elementos de una idea compleja, en última instancia, son o bien impresiones sensoriales o bien otras ideas más simples.

La filosofía cartesiana considera a la conexión causa-efecto como necesaria. En cambio Hume fue el primero en refutar este concepto, señalando que la causalidad no puede descubrirse entre las propiedades de los distintos objetos o eventos:

No existe ningún objeto que implique la existencia de otro cuando consideramos a ambos objetos en sí mismos, sin mirar más allá de las ideas que nos formamos de ellos.

La relación causa-efecto en Hume depende enteramente de las ideas del observador; él define la causa como: 

 

Un objeto precedente y contiguo a otro, y unido a él en la imaginación de tal manera que la idea de uno determina en la mente la formación de la idea del otro, y la impresión de uno la formación de una idea más viva del otro.

Regularidad de los fenómenos observados: empirismo

Si consideramos que A es la causa de B, nuestra expectativa de ver B al percibir A se basa en las experiencias repetidas de la secuencia A precede a B. O sea que el conjunto de esas experiencias es la causa de nuestra expectativa. Aplicando de nuevo el pensamiento de Hume a esta causa, vemos que las experiencias preceden a la expectativa, son su causa, pero su conexión es sólo mental, es una construcción del observador, y por tanto por lógica podría no repetirse.

Por ejemplo, la Estadística usa el principio de la regularidad para dar consistencia empírica a la probabilidad: dado un experimento aleatorio, como puede ser el lanzamiento de una moneda, no podemos predecir su resultado, pero siempre que repitamos el experimento un número elevado de veces, observaremos que las frecuencias relativas de los posibles resultados, esto es, el número de veces que se presenta cada posibles resultado dividido por el número total de pruebas realizadas, siempre se estabilizan tendiendo a un límite que es la probabilidad empírica del resultado. En la siguiente tabla vemos la evolución de las frecuencias relativas para un número N de ensayos del lanzamiento de una moneda; en el límite las frecuencias de los dos resultados se igualan a 0,5, o 50%.

N	10¹	10²	10³	10⁴
caras	0,60	0,57	0,49	0,50
cruces	0,40	0,43	0,51	0,50

Este principio de regularidad da solidez a todo el aparato matemático de la probabilidad que nos permite calcular probabilidades sin recurrir a simulaciones. Pero ¿cuál es la causa de este principio? Si no la conocemos, ¿cómo podemos estar seguros de su validez universal?

Principio de inducción

En Ciencia el principio de inducción se usa para generalizar resultados particulares. En el caso del lanzamiento de la moneda, una vez observados un gran número de veces los resultados empíricos, generalizamos diciendo que las frecuencias siempre se acercan a 0,5 cuando N es grande. El rechazo del principio de la inducción es quizá la parte central del razonamiento de Hume. Para ser lógicamente aceptable, el principio de la inducción debe poderse derivar de otro principio independiente.

Según Bertrand Russell:

Lo que los argumentos (de Hume) prueban —y yo pienso que la prueba no es refutable— es que la inducción es un principio lógico independiente, incapaz de ser inferido ya sea de la experiencia o de otro principio lógico, pero que sin la inducción la ciencia es imposible.

Ciencia y realidad

Como consecuencia de esta línea de razonamiento parece inevitable que enunciemos que la realidad no podrá ser nunca totalmente conocida por la ciencia, ya que está limitada por el uso habitual del principio de inducción. El cual no tiene un fundamento sólido. En efecto, para algunos filósofos y también para muchos científicos la ciencia es incapaz de explicar toda la realidad, y se limita únicamente a describir el funcionamiento de las cosas, dentro de sus posibilidades.

Pero por otro lado, sabemos que la Física ha cambiado nuestro conocimiento de la realidad, dándonos una imagen muy distinta de la que nunca nos habríamos podido imaginar guiándonos sólo por nuestra experiencia cotidiana. Esto es así debido en parte a los avances en Física experimental: ahora podemos diseñar experimentos con una precisión realmente difícil de entender por el no iniciado. Los detectores del CERN, por poner un ejemplo, recopilan los datos de millones de colisiones de partículas por segundo, y son capaces de diferenciar eventos separados sólo por 0,000000001 segundos. Esta precisión eleva al empirismo a otra dimensión, por así decirlo, y quizá no llega totalmente a la realidad, pero permite acercarnos mucho a ella. Por otra parte, la Física matemática ha seguido los pasos de la experimental, y nos proporciona modelos cada vez más precisos. Así pues, el argumento de Hume lógicamente es irrefutable, pero parece que la ciencia se acerca progresivamente más y más a la realidad, en lo que vendría a ser un proceso de paso al límite: nunca llegaremos, pero nos acercamos progresivamente, somos cada vez más precisos.

Utilidad del concepto de Ser

De hecho, si pudiéramos fundamentar el principio de inducción de algún modo, la ciencia quedaría completa desde el punto de vista filosófico. Según Bernard d'Espagnat la idea de una realidad independiente y altamente estructurada, que llamaremos simplemente “Ser”, puede explicar las regularidades observadas. Esta realidad no tiene porque ser cognoscible con certeza (como algunas extrapolaciones del teorema de Gödel y la misma Física Cuántica indican).

El trabajo científico se ocupa, pues, de encontrar correspondencias entre la realidad y los conceptos mentales. La Física nos muestra que el Ser escapa a nuestras categorías mentales habituales; por ejemplo nuestro rígido concepto del tiempo absoluto no coincide para nada con la definición dada en Física relativista. Lo mismo podemos decir del concepto de espacio, que en relatividad depende de las velocidades de los observadores y del campo gravitatorio. Incluso la división natural que hacemos entre sujeto y objeto, se diluye en Física cuántica.

Entonces afirmar que existe el Ser, una realidad más allá del espacio y del tiempo, y anterior a la escisión sujeto-objeto, lejana en el sentido de que difiere de nuestra experiencia cotidiana, que es la fuente de los fenómenos observados, no tiene porque ser un ejercicio de metafísica, al contrario, puede fundamentar la ciencia sobre una base que explique el principio de inducción. Además, puede establecer puentes entre la visión científica y el misticismo, que no es otra cosa que una vía alternativa para alcanzar el Ser. 

Bibliografía

Bernard d'Espagnat: En busca de lo real. Alianza Universidad.

 

La ciencia, ¿describe o explica?

Hay teorías científicas que usan modelos cercanos a  nuestra percepción inmediata, son más sencillas de entender, y se conocen por teorías descriptivas; las teorías que penetran más profundamente en las construcciones mentales, son más abstractas y suelen incluir a las anteriores como casos particulares o como aproximaciones, se llaman teorías explicativas o causales. Pero la diferencia entre los dos tipos es relativa, y además cambia de acuerdo con los progresos de la ciencia.

Explicación y descripción

En el razonamiento científico es importante distinguir entre explicación y descripción: hay teorías que que describen fenómenos, denominadas fenomenológicas o descriptivas, y otras que los explican usando la relación causa-efecto, llamadas causales. Esta división es parecida a la que separa las ciencias exactas y las correlacionales (ver por ejemplo el artículo al respecto en este blog).

Modelo de orbitales	Modelo de enlaces de valencia

Por ejemplo la teoría de los enlaces químicos de valencia la podemos considerar descriptiva, pues intentar verla como explicativa significaría que estamos dispuestos a creer que realmente hay una especie de puentes rígidos entre átomos que los unen. Los enlaces de valencia son una simplificación útil de  la teoría de los orbitales atómicos, que sería la teoría explicativa.

Esta distinción no puede ser absoluta sino meramente de conveniencia: en el ejemplo del enlace químico, inicialmente la teoría del enlace de valencia sirvió para explicar cómo los átomos se combinaban entre sí  para formar moléculas, era explicativa porque no teníamos nada más. Con la aparición del modelo de orbitales cambiamos las categorías: los enlaces de valencia son aproximaciones descriptivas del modelo explicativo de los orbitales.

Siendo la explicación una explicación más detallada que la descripción, se deduce que la explicación nunca puede ser definitiva, que siempre podremos ser más precisos.

La explicación pasa a ser descripción
Consideremos la gravitación: según Aristóteles los cuerpos caen porque "buscan" su lugar natural; Galileo postuló y demostró que los objetos caen con aceleración constante, Newton generalizó la teoría de Galileo enunciando la ley de la gravitación universal (todo par de partículas se atraen con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de su distancia) , que posteriormente volvió a ampliarse por Einstein que vinculó la gravedad a la métrica del espacio, y de momento aquí hemos llegado. De estas teorías, ¿cuáles explican y cuáles describen?

Podemos decir que la teoría más moderna, de la cual podemos deducir todas las demás, es la explicativa, y las demás actualmente son descriptivas. O bien podemos decir que ninguna explica, sino que todas son descripciones cada vez mejores, ya que todavía no tenemos una teoría de la gravitación cuántica.

También lo podemos plantear en términos de verdad: ¿cual de las teorías es cierta? Todas no pueden serlo, ya que no coinciden en los detalles. Tenemos diversos grados de validez, siendo actualmente la Relatividad General la más cierta, de momento. La verdad científica no es un concepto estático, sino dinámico.


Sistemas, propiedades y estados
La ciencia usa en sus descripciones y explicaciones sistemas físicos, que tienen propiedades y estados. Un objeto posee propiedades como forma, color, velocidad, etc. A todo concepto que posea propiedades observables le llamaremos sistema físico. Así, los objetos externos, una mesa, un edificio, una nube, ... son ejemplos de sistemas. También lo son los campos electromagnéticos y las partículas fundamentales.

Las propiedades son conceptos relacionados con nuestras percepciones; ¿cuantas propiedades tiene un objeto ordinario? Por ejemplo un árbol: cuando lo exploramos analíticamente vamos descubriendo sus propiedades, hay muchas, de hecho su número total no está bien definido: tendremos las categorías de aspecto exterior, estructura interior, ubicación, família a la que pertenece, ...
¿Son todas necesarias para definir el objeto? Depende de nuestras necesidades de información, que no serán las mismas si somos un turista o un biólogo. Pero fijémonos en el conjunto de propiedades mínimas necesarias para identificar al objeto como un árbol; algunas de ellas cambiaran con el tiempo (como el tamaño), son las que definen el estado del sistema.

Las propiedades interesantes para la ciencia son las mensurables, a las que se les pueden asignar números. Sólo las propiedades tienen medidas, el árbol en sí no las tiene, sino que es poseedor de propiedades mensurables: altura, diámetro, peso, etc.  Así, la ciencia atribuye propiedades mensurables a sistemas intrínsecamente inmensurables. Por ejemplo un átomo posee propiedades mensurables, a pesar de que en sí mismo no lo sea.

Observables
Visto desde otro punto de vista, el árbol queda investido de un observable llamado altura, diámetro, etc. No tiene una altura definida en todo instante, sino solo cuando lo miramos. En la Física clásica no es necesario distinguir entre observables y propiedades, pero en Física cuántica tal distinción es obligatoria. Un electrón puede comportarse como una partícula, con una posición y velocidad, o como una onda des-localizada, dependiendo del tipo de experimento que ideemos. Entonces no siempre podemos conocer algunas de las propiedades de una partícula cuántica; por ejemplo en el caso de la posición se ha convertido en un observable latente, que tomará un valor sólo cuando la observemos, ya no es una propiedad de la partícula.


Descripciones científicas
Resumiendo, la ciencia define sus sistemas, elige observables para los sistemas, y define sus estados como conjuntos significativos de tales observables. Así, la economía definirá sus sistemas macro y micro-económicos, la medicina definirá los sistemas circulatorios, nerviosos, linfáticos, etc.  Este proceso está bien definido, pues los observables son conceptos comunes, como la masa o la posición, y tienen valores definidos en cada instante de tiempo. En la Física clásica esto es así, pero la Física cuántica ha de tratar con observables latentes, sin valores definidos en cada instante. De hecho, los observables sólo poseen probabilidades de tener valores determinados, de forma que a cada observable se le asigna una función de probabilidad.  El cómo procede la mecánica cuántica para dar descripciones y explicaciones basadas en observables latentes es uno de los grandes logros de la ciencia del siglo XX, que dejaremos para otro artículo.

Bibliografía
Henry Margenau: La naturaleza de la realidad física. Ed. Tecnos.

Conocimiento científico y realidad

Metodología científica y predicciones

Simplificando, la metodología científica la podemos sintetizar en un diagrama en el cual C son construcciones mentales (modelos) y P son percepciones dadas por la experiencia. Partimos de una percepción P1 que relacionamos con un concepto, el cual a su vez se relaciona con otros conceptos, de forma que seguimos una cadena conceptual, hasta que llegamos a enunciar una predicción relacionada con una percepción P2. 

 Por ejemplo, comenzamos con la percepción de un objeto que cae que será P1. Lo relacionamos con el concepto “aceleración”, que a su vez conecta con el concepto “aceleración de la gravedad”. Tomamos la aceleración de la gravedad como constante debido que la altura inicial del objeto es pequeña. Usando las ecuaciones de la dinámica de Newton calculamos su velocidad final y el hacemos la predicción del tiempo que tardará en llegar al suelo, que se relaciona con la percepción de la realidad P2. La construcción C simboliza todos los conceptos que hemos usado.

Algunos conceptos de C están totalmente incluidos en él, mientras que otros los están parcialmente; es el caso de considerar constante la aceleración de la gravedad cuando realmente es variable y depende de la distancia a la Tierra. También hay algunos conceptos que quedan totalmente fuera en esta construcción C, como puede ser la gravitación de la teoría de la relatividad general.

Para realizar predicciones científicas necesitamos pues los datos empíricos proporcionados por P1 y el conocimiento racional dado por las construcciones mentales.

Metodología científica y validación de teorías

El mismo esquema nos sirve para mostrar el proceso de validación de una teoría científica: la aceptamos provisionalmente y se comprueba que la predicción P2 se ajusta a los datos observados, confirmando o refutado la teoría.

El conocimiento científico se forma validando teorías. La pregunta que nos hacemos ahora es: ¿cuantas comprobaciones son necesarias para aceptar una teoría? Pues la verdad es que en general los científicos no suelen ser muy estrictos en éste punto en concreto, frecuentemente unas cuantas observaciones cruciales son suficientes. Esto es así debido a que hay otro elemento a considerar, que es las relaciones establecidas entre los elementos de una teoría, su coherencia lógica, e incluso otras consideraciones más metafísicas como la “elegancia” o la “belleza” de la teoría. 

Un ejemplo bien conocido es la verificación de la teoría de la relatividad general: la teoría predecía una desviación de los rayos de luz en presencia de campos gravitatorios, que fue confirmada midiendo el desplazamiento aparente de una estrella en un eclipse solar. Sólo esta única comprobación se tomó como confirmación, siendo esto así en buena parte porque esta teoría se reconoce como una de las más bellas de la historia de la ciencia. Evidentemente de forma posterior se realizaron muchas otras verificaciones.

La realidad según la ciencia

La ciencia define una realidad dinámica, que crece y se modifica según nuestro conocimiento. Hemos establecido que los elementos que maneja son:

• datos o percepciones
• reglas de correspondencia entre datos y modelos
• modelos

Las reglas de correspondencia relacionan datos y modelos. Los modelos han de ser validados empíricamente, y ser consistentes lógicamente; también se pide que cumplan ciertos requisitos “metafísicos”. Entonces la ciencia va encajando nuevos modelos en los ya existentes. Nos preguntamos ahora, ¿son reales los modelos?, ¿o solo podemos considerar como reales los datos? ¿Y que podemos decir de las reglas de correspondencia?

Realidad de datos y modelos

Es difícil separar los datos de los modelos, ya que se complementan. Para verlo, consideremos el modelo atómico de la materia.

Tal como fue imaginado por Demócrito, no se apoyaba en ningún dato sino más bien en argumentos filosóficos.

En cambio el modelo del átomo de Rutherford se enunció para explicar los datos experimentales de la época, los cuales indicaban que había una concentración de carga positiva en una pequeña área esférica (el núcleo) mientras que la carga negativa estaba dispersa a su alrededor. Este modelo fue una buena representación de la realidad durante un tiempo.

Cuando los experimentos se perfeccionaron tuvimos datos más precisos, y el modelo de Rutherford dejó de ser útil (en el esquema veríamos que la predicción para P2 deja de coincidir con el valor de P2). El siguiente modelo fue el átomo de Bohr en el que los electrones describían órbitas alrededor del núcleo,

Posteriores mediciones más precisas llevaron a revisar el modelo de nuevo para llegar al modelo actual de orbitales del átomo, que ahora mismo es lo más cercano a la realidad que tenemos, pero ¿será definitivo? ¿Hasta que punto podemos considerarlo "real"?

Podríamos pensar que las entidades físicas, permanentes, son independientes de la teorías, que van cambiando. Pero vemos que en la ciencia los datos tienen una precisión determinada, y esa precisión condiciona los modelos explicativos. Y también sucede que los modelos proporcionan predicciones de datos más precisos, o incluso de datos que pueden ser difícilmente verificables, como por ejemplo las ondas gravitatorias. ¿Son reales esos datos no verificados predichos por teorías confirmadas? No parece ser muy consistente decir que los datos son más reales que los modelos. Entonces podemos decir que nuestro conocimiento de las entidades físicas, las entidades mismas y los modelos de las entidades están entrelazados.

Por otro lado los idealistas de la ciencia creen que todos los modelos van evolucionando hacia unos modelos definitivos que expresaran la auténtica realidad, de forma que ya no serán necesarias posteriores revisiones; esto es indemostrable, y de todos modos no es importante para el desarrollo científico.

Realidad y reglas de correspondencia

¿Son reales los números, o son abstracciones mentales sin existencia real? Un número es una propiedad observable de una clase de objetos. El símbolo numérico (denominado numeral) es el objeto abstracto que se corresponde con una propiedad real de un objeto. Por ejemplo, una caja contiene tres lápices; el objeto caja tiene como propiedad observable el contener ese número de objetos, que relacionamos con el numeral “3”.

¿Podemos decir entonces que los números son reales siempre que estén en correspondencia con una propiedad de un objeto real? Como la estimación del número de partículas del universo es del 10⁸⁰, los números superiores a ese valor no serian reales; en particular los infinitos manejados en matemáticas serían sólo construcciones mentales.

De igual modo podemos razonar respecto a otras construcciones matemáticas. Los grupos de simetría matemáticos parecen ser entidades abstractas, pero las estructuras cristalinas de la naturaleza siguen esos grupos, así que hay una correspondencia, y podemos considerarlos reales en el sentido antes discutido.

Resumen

La epistemología es la doctrina de los fundamentos y métodos del conocimiento científico: analiza los criterios por los cuales se justifica el conocimiento. En este artículo hemos hablado de epistemología sin mencionarla explícitamente: la ciencia realiza predicciones que pueden usarse para fines prácticos y también para validar teorías científicas, en las cuales también valoramos su belleza, simplicidad, y otras cualidades “inmateriales”. Vemos como se forma el conocimiento científico validando teorías, produciendo predicciones, obteniendo nuevos datos más precisos y revisando de nuevo las teorías. Por último, vemos qué podemos considerar “real” en términos científicos.

La ciencia va escasa de lógica

Modelos científicos basados en datos

La ciencia relaciona las observaciones de la realidad con modelos interpretativos, los cuales se van adaptando conforme los datos no quedan suficientemente explicados por el modelo. Un ejemplo paradigmático lo encontramos en la mecánica celeste. Antiguamente se creia que la Tierra estaba en el centro del Universo, y los astros giraban alrededor de ella, y ésta creencia realmente se ajustaba a las observaciones de la época. Posteriormente Ptolomeo refinó el sistema para que encajara con las nuevas observaciones, más precisas, de los movimientos de los astros. Conforme se recogian más observaciones el modelo fallaba en explicarlas, hasta que Copérnico postuló que los planetas giraban alrededor del Sol; pero incluso esta teoria no podia explicar los detalles de los movimientos, hizo falta un Newton primero, con la teoria de la gravitación universal, y un Einstein después, con la relatividad general, para explicar con total precisión la mecánica celeste.

Modelos científicos basados en principios sutiles

Así pues, puede parecer que históricamente nos vamos acercando a la verdad científica guiados exclusivamente por los datos. Pero realmente no es así: la consisténcia interna de los modelos, la simplicidad y la elegáncia de formulación, e incluso la intuición también participan en la creación de modelos. De hecho la teoria de la relatividad general se concebió claramente a partir de estos principios; posteriormente pudo verificarse al explicar con alto grado de precisión las pequeñas desviaciones de la órbita del planeta Mercurio (denominada la precesión del perihelio), imposibles de justificar con la teoria Newtoniana. Hay muchos otros ejemplos de teorias predominantemente fundadas en principios más sutiles que los datos proporcionados por las observaciones.

Ciencia Platónica y ciencia positivista

Vemos pues que el método científico proporciona y transmite datos de observaciones, los hace corresponder con modelos que interpretan la realidad, los cuales se forman con ayuda de ciertos principios “inspiradores” que no dependen de los datos. Esquemáticamente:

Como los principios són independientes de los datos, de hecho són independientes de la realidad observable, así que les podemos adjudicar propiedades metafísicas, por decirlo así, en el sentido de los mundos de Platón, que formuló una división entre el mundo sensible y mundo inteligible. En el esquema platónico hay tres mundos relacionados:

Comparando con el esquema anterior podemos identificar los datos con el mundo material, los modelos con la mente y los principios inspiradores con el mundo de las ideas platónico.

Siguiendo este argumento, hay científicos que se declaran platónicos; lo más curioso es que abundan más en las matemáticas, que siendo la ciencia exacta por definición, puede parecer al no experto que deberia ser la ciencia menos propensa a prestarse a devaneos metafísicos. En el otro extremo, el positivismo defiende que la ciencia sólo debe basarse en datos, y suelen ser sus convencidos defensores los biólogos.

Los modelos han de ser lógicos para ser útiles

Parece muy evidente la exigencia de que los modelos científicos deban seguir las leyes de la lógica, ésto es, que puedan servir para enunciar proposiciones que han de poder ser ciertas o falsas, y que puedan combinarse, contradecirse o implicarse entre ellas. Por ejemplo, la proposición “un objeto dejado caer desde una altura de 100 metros llegará a la superfície terrestre en aproximadamente 4,5 segundos” ha de poderse verificar (lo haríamos con la teoria de la gravitación de Newton o de Einstein, dependiendo de la precisión requerida) y resultará ser o cierta o falsa. Posteriormente podríamos comprobarlo realizando el experimento, pero ésto no es necesario para establecer la coherencia lógica de una teoria. Por tanto el que un modelo sea tratable con la lógica es uno de los principios inspiradores que hemos mencionado, independientemente de los datos.

Lógica, sí , pero ¿cual lógica?

Desde Aristóteles hasta prácticamente la actualidad la ciencia se ha apoyado en la denominada lógica bivalente, en la cual una proposición sólo puede ser verdadera o falsa. Pero modernamente se han formulado otros paradigmas lógicos que se han revelado útiles en distintos campos del conocimiento. Citaremos la lógica trivalente, con tres posibles clasificaciones en la que una proposición puede ser verdadera, falsa o indefinida, la lógica polivalente, con "n" posibles clasificaciones, o la lógica difusa, con sólo dos valores pero dependientes entre sí. Ésta última lógica se aplica con éxito en inteligencia artificial, y la encontramos en dispositivos tan mundanos como son los sistemas de foco automático en cámaras fotográficas o en electrodomésticos.

Las matemáticas no se pueden reducir a lógica

Hablando en términos generales, la ciencia está enlazada con la lógica a través de las matemáticas, y éstas estan fuertemente orientadas a la lógica bivalente. En particular, la metodologia de demostración de teoremas denominada “de reducción al absurdo”, profusamente utilizada, se basa en la bivalencia. Ahora bien, a principios del siglo XX algunos de los más brillantes matemáticos (Russel, Whitehead, Cantor, …) intentaron ajustar a la lógica bivalente todos los fundamentos de las matemáticas, ¡y el resultado fue el fracaso! Una amena descripción la proporciona el cómic Logicomix del cual hay una reseña en este blog. Y todo parece indicar que no será posible conseguirlo nunca (ver por ejemplo los teoremas  de incompletitud de Gödel). Claro que hay ramas de la matemática que estan usando lógicas alternativas, como la matemática borrosa y sus aplicaciones a la economía, pero todo el aparato matemático clásico (álgebra, geometria, cálculo diferencial,...) es bivalente.

Estamos por tanto ante una situación un tanto paradójica:

• Exigimos a la ciencia que tenga una fundamentación lógica como premisa
• En general, introducimos la lógica en los modelos científicos usando matemáticas
• Pero la mayor parte de las matemáticas no tiene un fundamento lógico bien definido, al menos con la lógica clásica bivalente

¿Quizá la solución sea incorporar en el futuro en toda la matemática las lógicas modernas?