La realidad cuántica

"Procura, pues, desviar tu corazón de lo visible y traspasarlo a lo invisible..."

Imitación de Cristo

Tomás de Kempis (siglo XV)

En la serie de posts "Entendiendo la mecánica cuántica" (partes I, II, III y IV) hemos repasado los hechos básicos de la teoría cuántica. En este post pretendo tratar, brevemente, las implicaciones filosóficas de la teoría, fundamentalmente respecto a la noción científica de realidad.

Realismo físico y objetividad

La postura respecto a la realidad de la mayoría de científicos consiste en postular que la naturaleza posee una realidad objetiva independiente de nuestras percepciones o de nuestros instrumentos, de modo que el objeto de la ciencia es describir esa realidad objetiva. Por otra parte las teorías platónicas sostienen que la realidad nunca podrá entenderse por ninguna teoría basada en la experiencia.

La postura científica expuesta usa el concepto de objetividad: es objetiva toda afirmación que sea válida para cualquier observador. Esta definición tiene alguna ambigüedad, ya que recurre a un observador, en principio un ser humano, para poder definir la realidad objetiva; esto pone al observador en una posición privilegiada como el validador de la realidad, y además obliga a distinguir entre observadores válidos y no válidos, por ejemplo exigiendo que tengan sentido común para entender lo observado. Por ello llamaremos objetividad débil a esta definición.

El principio de objetividad fuerte postula que toda afirmación respecto a la naturaleza debería ser independiente de los observadores, en el sentido de que no hará ninguna referencia a ellos, no los necesita. Ésta es la postura mayoritaria en la ciencia: las leyes de la ciencia describen la naturaleza en términos de objetividad fuerte.

La realidad fragmentada de la ciencia clásica

Es también habitual en la ciencia tener la visión analítica del Universo en la cual éste se descompone en un número inmenso de elementos simples, que pueden estudiarse por separado. Cada elemento ocupa en cada instante de tiempo un lugar definido en el espacio, y puede interactuar con los otros elementos de forma predecible. Es una visión atomista que llamaré postulado de la fragmentabilidad. Por ejemplo la teoría de campos electromagnéticos de Maxwell postula que un campo tiene unos valores en el tiempo y en el espacio que pueden cambiarse "aquí y ahora" sin afectar a los valores del campo en posiciones suficientemente lejanas, y por tanto sostiene la fragmentabilidad de la realidad.

Es interesante señalar que la fragmentación que propone la ciencia analítica probablemente esté relacionada con el funcionamiento básico de nuestra mente, que trabaja fundamentalmente así, descomponiendo la realidad en objetos independientes. Escribí sobre esto en un post anterior: ¿La mente está orientada a objetos?

Entonces, podríamos aventurar que la ciencia ha sido como es, con una visión fragmentada de la realidad, debido a que nuestra mente trabaja de forma natural de esa forma; esto es importante, pues la realidad en sí no tiene porqué ser fragmentable, con lo cual la ciencia nos estaría ofreciendo una visión distorsionada de la realidad. Probablemente es esto lo que sucedió hasta el descubrimiento de la Física cuántica, que nos forzó a revisar nuestro concepto, firmemente establecido hasta ese momento, de un Universo compuesto por fragmentos relativamente independientes.

Los límites de la fragmentación de la materia: Leibniz y Kant
El razonamiento filosófico ya hace milenios que trabajaba con el concepto de fragmentación de la realidad, de sus posibilidades y límites. Por razonamientos puramente filosóficos, Demócrito ya postuló los atomos, que consideró indivisibles e indestructibles, como componentes básicos de la materia, y desde el siglo XIX que sabemos que estuvo acertado en general, ¡2300 años más tarde! El proceso por el que llegó a tal conclusión en parte seguro que fue empírico, en el sentido de que observó las incesantes transformaciones de la materia, y como se formaban nuevas sustancias a partir de combinaciones de otras, en un proceso contínuo. Una forma eficaz de explicarlo era postulando los átomos como constituyentes de todo, y toda materia estaría formada por las virtualmente infinitas combinaciones posibles de esos átomos.

Claro que, con los átomos, también persistía un problema filosófico: ¿qué los hacía indestructibles? ¿Por qué tenían que serlo? ¿De qué estaban constituidos para ser eternos e indestructibles?

En la teoría filosófica conocida por la monadología de Leibniz (para ver el razonamiento completo teneis por ejemplo el post substancias simples y compuestas) se postula que todo es compuesto o simple (indivisible), y por un razonamiento lógico se infiere que "toda substancia simple ha de se inmaterial y por tanto espiritual". En cambio Kant usando el mismo postulado  concluye que incluso las partes simples también deben ocupar un espacio, y siendo el espacio siempre divisible,  lo simple será divisible, y por reducción al absurdo, concluye que no existen las sustancias simples indivisibles.

La función de onda cuántica, ¿podría ser la "substancia simple" filosófica?
A principios de siglo XX lo indivisible creíamos que era el átomo, pero posteriormente los aceleradores de partículas han sido capaces de romper cualquier elemento constituyente de la materia, átomos, núcleos, partículas, todo. Así que parecía que era Kant quien tenía razón: no hay substancias simples indivisibles.  ¿Queda algo indivisible? Lo que nos queda como indivisible es algo sutil, como no  podía ser de otra manera: las funciones de onda cuánticas (ver si es necesario Entendiendo la mecánica cuántica III), que son a mi parecer los candidatos actuales a "substancias" simples, no materiales, indivisibles, espirituales según Leibnitz. Por combinación de funciones de onda  se forman estados compuestos, los cuales a su vez se combinan infinidad de veces para formar los objetos de nuestro mundo macroscópico habitual.

Además, las funciones de onda invalidan  la argumentación de Kant, según el cual las partes simples deben ocupar un espacio y por tanto serán divisibles, pero con las funciones de onda cuánticas es justamente al contrario: su caracter es no-local, ocupa todo el espacio, y por ello no puede ser dividido.  En cambio los estados compuestos por superposición de ondas, como más complejos son, más localizados en el espacio están; en el límite macroscópico estan muy localizados.

Se puede objetar que la función de onda es meramente un instrumento matemático sin existencia real y por tanto no puede ser considerada como el componente básico de la materia. Ésta es una confusión típica: la función de onda efectivamente tiene una expresión matemática que usamos para los cálculos, pero a la vez es la conceptualización de algo real que está allí, con lo que se puede interactuar en el laboratorio, y de hecho el nacimiento de toda la teoría cuántica fue experimental, no teórico ni filosófico. Se encontró que la naturaleza del mundo subatómico era no fragmentada.

Los límites de nuestro conocimiento de la realidad

Tenemos que toda la ciencia, excepto la Física cuántica, usa el postulado de la fragmentabilidad, y supone tambien cierto el principio de objetividad fuerte. El mundo cuántico no respeta ninguno de estos postulados: la no localidad implica la no fragmentabilidad, y además pierde sentido la noción de observador independiente de lo observado, pues la función de onda cuántica del objeto se superpone con la del observador, son no separables. Es por estas razones que se suele decir que no podemos entender realmente la Física cuántica. La forma "estándar" de afrontar esta "extrañeza" del mundo subatómico es la conocida por interpretación de Copenhague que nos dice que renunciemos a tener más conocimiento de la realidad más allá de la probabilidades que permite calcular la matemática de la mecánica cuántica. Han habido numerosas objeciones y contrapropuestas a esta concepción, entre las cuales destacaré la de David Bohm (en este blog he tratado de su teoría en diversas ocasiones).

Realismo no físico y teoría cuántica de campos

Recapitulando, tenemos que la ciencia ha conseguido analizar y dividir la materia hasta un grado impresionante (recordemos que un átomo tiene un tamaño típico de 10⁻⁸ cm, y que su núcleo es 10.000 veces menor), pero en ese proceso de división y análisis de los fragmentos resultantes, ¡ha llegado a perder los fragmentos! En efecto, las partículas muestran propiedades ondulatorias, lo cual implica que estan dispersadas por el espacio, ilocalizables, y lo que es peor, con posibilidad de interactuar instantáneamente desde lugares arbitrariamente alejados, algo más bien inconcebible según la ciencia clásica.

En un campo cuántico localmente se producen partículas, más o menos estables, que interactúan con la radiación y con elpropio campo.¿Qué son estas partículas realmente? Recordemos que son los constituyentes de toda la materia que nos rodea (y que nos forma). Pero por otro lado tenemos que, cuando estan aisladas, se deslocalizan, y sólo adquieren una posición cuando interactuamos con ellas en el proceso llamado medición. Dicho sea de paso, también hay teorías que relacionan este proceso de localización con la conciencia del sujeto que realiza la medición. La medición proporciona magnitudes, pero debido al principio de indeterminación, no podemos obtener el conocimiento simultáneo de ciertos pares de magnitudes, como la posición y la velocidad. Entonces cuando interactuamos con la partícula, sólo podemos obtener un conocimiento limitado de ella, de forma que para el experimentador tal partícula se reduce a algunas magnitudes denominadas observables, que estan relacionadas con propiedades, pero ¿propiedades de qué?

Campo cuántico: partículas = modos locales

En los anteriores posts hemos hablado de la mecánica cuántica a un nivel básico; modernamente se ha desarrollado la teoría, y se han formulado variantes especializadas. La más general es la teoría cuántica de campos. En esta teoría, bien fundamentada en la actualidad, una partícula no es más que una propiedad de una realidad inmaterial, un modo de vibración de un "algo" subyacente, informe e ilimitado, que matemáticamente representamos con un campo: una regla de correspondencia que asigna unos valores a cada punto del espacio-tiempo. Vemos así que la investigación, lejos de resolver la pérdida de la objetividad y la localidad, al contrario, disuelve aún más los componentes de la materia considerándolos meramente propiedades observables de una realidad inmaterial que se extiende por todo el espacio. El gran reto de la Física del siglo XXI consiste en conseguir que esta teoría abarque a la gravedad y la relatividad general; es opinión generalizada que la gravedad debe ser cuantizada, y por tanto también el espacio-tiempo.

Ser

Recreación artística del ser ocupando todo

La física a partir del siglo XX nos ha mostrado que el objeto no es el ser. Ya se había filosofado sobre este tema ampliamente en la antigüedad; lo que no podían prever los filosófos es que finalmente se solucionaría la cuestión (metafísica) del ser y su materialidad o inmaterialidad de la mano de una ciencia experimental. Por esta razón creo (siguiendo a Bernard d'Espagnat) que hoy en día no se puede pensar sobre el mundo y su realidad para formarse una idea no superficial sin un conocimiento de la Física. Además el ser es no-separable y ocupa todo el espacio. Es curioso constatar en este punto la semejanza con ciertas concepciones místicas y de las filosofías orientales, que desde la antigüedad postulan que sólo hay un único ser; alguna cosa al respecto he escrito en el post Mística y ciencia. Quizá estas conclusiones no sean del agrado de ciertas mentes analíticas, en las que está instalado el materialismo, pero es lo que hay, o quizá mejor será decir es lo que és.



Bibliografía

• Bernard d'Espagnat: En busca de lo real. Alianza Universidad.
• Henry Margenau: La naturaleza de la realidad física. Tecnos.

La probabilidad en la Física

La probabilidad es un tema muy extenso y tiene diversos enfoques; aquí no trataremos los aspectos técnicos, sino que nuestro objetivo será comprender sus fundamentos y su significado en todo aquello que sea aplicable a las ciencias físicas.

El científico hace un uso muy bien definido de las probabilidades; cuando un físico dice que la probabilidad de desintegración  por unidad de tiempo de un núcleo de carbono-14 es de 3,6113594·10⁻⁴ por segundo, su afirmación tiene un carácter muy específico, mientras que en cambio si le preguntamos por la probabilidad de que la teoría de cuerdas sea correcta quizá se encogerá de hombros, ¡y esa actitud también tiene un significado bien definido!

Razonamiento inductivo y razonamiento deductivo

El denominado razonamiento inductivo se caracteriza por establecer conclusiones que no son totalmente seguras a partir de unos datos. Por ejemplo, en la inferencia estadística, un tipo de razonamiento inductivo, se formulan conclusiones sobre toda una población basándose en una muestra; sería el caso de afirmar que la intención de voto al partido "XYZ" es del 30% de la población cuando sólo se ha encuestado a una cienmilésima parte de la población. Trabaja pues con elementos de juicio incompletos en los cuales no es aplicable la exactitud. Es un modo de trabajo habitual en las ciencias correlacionales, como la Psicología o la Economía. Por otro lado el razonamiento deductivo establece conclusiones que se siguen necesariamente de los datos. Es el método habitual en las ciencias exactas.

Evidentemente no podemos ser rígidos en esta clasificación, y debemos aceptar que las ciencias no exactas pueden usar razonamientos deductivos, y que también las ciencias exactas son usuarias del razonamiento deductivo; un ejemplo paradigmático de éste último caso es la investigación experimental de las partículas fundamentales en aceleradores de partículas, para ser más concretos citaremos el posible descubrimiento del bosón de Higgs en el 2012, que de producirse no será anunciado con total certeza, sino con una probabilidad muy elevada, cercana pero no igual al 100%. Para más detalles sobre probabilidades en Física experimental podéis visitar este artículo del blog de la mula Francis. Dicho esto, podemos afirmar que las ciencias exactas son predominantemente deductivas, y que las ciencias correlacionales son inductivas; además, estas últimas se esfuerzan por convertirse en exactas en la medida de sus posibilidades.

Ciencia deductiva y probabilidad

Así, cuando las ciencias deductivas utilizan probabilidades, no las considera como una forma de expresar el grado de seguridad de una afirmación, sino como una magnitud mensurable, en igualdad con otras magnitudes como las longitudes, velocidades, aceleraciones, etc.
Como ejemplo, consideremos de nuevo la probabilidad de desintegración de un núcleo radiactivo de carbono-14. Dada una cantidad inicial N(0) de material radiactivo, al cabo de cierto tiempo t la cantidad que quedará viene dada por la ley de la desintegración radiactiva

N(t) = N(0)·e^-Pt 

donde P es la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo; entonces vemos que P = (1/t)·Ln (N(0) / N(t)) es un valor constante, determinado, que  de hecho es una propiedad del material: podemos establecer su valor en el laboratorio midiendo la cantidad de material residual con diferentes valores del tiempo t. Por tanto la probabilidad P se determina midiendo, es una magnitud mensurable.

La probabilidad mensurable y los errores experimentales

Podemos objetar que la medición de cualquier magnitud física conlleva la probabilidad de cometer errores, de modo que al definir la probabilidad deductiva como mensurable caemos en un círculo vicioso. Aclaremos este punto.

Es cierto que en el laboratorio siempre se toman diversas medidas de una magnitud y después se promedian, con el propósito de minimizar el error cometido. En este procedimiento no hay necesidad de probabilidades, excepto para estudiar la distribución de los errores experimentales. Si consideramos ahora la determinación de la probabilidad como magnitud veremos que hay que proceder del mismo modo que para cualquier otra magnitud: tomaremos medidas repetidas de la probabilidad (pensemos por ejemplo en el carbono-14) y las promediaremos para obtener el valor físico aproximado, dentro de la precisión requerida. Admitido esto, no hay nada incoherente en la definición dada de la probabilidad como magnitud física.

Definiciones clásicas de la probabilidad

La conocida regla de Laplace considera que la probabilidad de un suceso es el cociente entre el número de casos favorables al suceso y el número total de casos posibles, siempre que estos sean igualmente probables. Un ejemplo típico es determinar la probabilidad de obtener un número par en el lanzamiento de un dado:

P(número par) = card({2,4,6} / card({1,2,3,4,5,6}) = 3/6 = 1/2,

Un dado físicamente es un cubo simétrico, y por tanto podemos considerar que al lanzarlo la probabilidad de que cualquier cara quede en la parte superior es igual para todas ellas.

donde "card" indica el operador que nos da el número de elementos de un conjunto. Esta definición nos permite calcular probabilidades antes de realizar cualquier medición, siempre que conozcamos el número de casos. Es una fórmula exacta, sin errores.

Otra definición es la frecuencial: afirma que la probabilidad de un suceso es el cociente entre la frecuencia con la que se presenta el suceso y el número total de repeticiones del experimento, suponiendo que este último es muy grande;  a este cociente se le denomina frecuencia relativa, de forma que la probabilidad es la frecuencia relativa cuando el número  de repeticiones es grande.   Es una definición empírica, pues el valor obtenido depende del experimento.

Experimentalmente se ha comprobado que las dos definiciones, la de Laplace y la frecuencia, coinciden cuando el número de repeticiones n del experimento se hace arbitrariamente grande (ley de regularidad estadística).  La definición frecuencial de la probabilidad usa el concepto de límite: la probabilidad de obtener un cierto resultado de un experimento aleatorio es la frecuencia  relativa obtenida al repetir el experimento infinitas veces.

En la siguiente figura, en la parte superior, se muestran en el eje vertical las frecuencias relativas obtenidas en la simulación del lanzamiento de una moneda 400 veces, anotando las caras obtenidas, y en eje horizontal el número de lanzamientos (la escala es logarítmica). Vemos que las frecuencias oscilan con amplitud decreciente, estabilizándose progresivamente cerca del valor 0.5, que  tomaríamos como probabilidad en el sentido frecuencial. Este valor coincide con el obtenido mediante la regla de Laplace: P(salga cara) = card {"cara"} / {"cara", "cruz"} = 1/2.

Comparación de los límites de la frecuencia relativa con el de una suma infinita; el primero se acerca al límite de forma lenta e irregular, el segundo rápida y regularmente.

En la gráfica inferior se muestra la evolución de la suma infinita (1/2)·[(1/2) + (1/2)²+(1/2)³ + ... ] que tiene como valor límite 1/2. Vemos que esta suma se acerca a su límite mucho más rápido y de forma menos errática que la  probabilidad. Ademas, en el caso de la probabilidad siempre podemos encontrar una desviación amplia del valor 1/2 para cualesquiera valores de n; cuando n es grande sucede raramente, pero no es imposible, mientras que en el caso del límite matemático "habitual" las desviaciones arbitrarias no se producen. Así pues, el concepto de límite de la probabilidad frecuencial presenta diferencias respecto a los límites de funciones tal como se definen en los textos de cálculo.

Probabilidad de conjuntos infinitos

La definición frecuencial nos proporciona un concepto útil para interpretar la probabilidad (la frecuencia relativa teórica que esperamos encontrar en un experimento ideal con infinitas repeticiones, pero no es nada práctica. La fórmula de Laplace en cambio nos proporciona un método de cálculo. Es un hecho notable que los valores numéricos proporcionados por ambas definiciones coincidan. Utilizadas conjuntamente nos permiten resolver un gran número de problemas. 

Una limitación importante aparece cuando el conjunto de posibles resultados es infinito; por ejemplo, estamos interesados en saber cuál es la probabilidad de encontrar una molécula en una región del espacio. Siendo la posición una variable continua, el número de posiciones posibles dentro de cualquier intervalo será infinito, por lo que la regla de Laplace no está bien definida.

Se han propuesto definiciones más generales de la probabilidad que permiten enfrentarse a estos casos con infinitas posibilidades: los conjuntos denominados conjuntos de Borel (o borelianos) y  la medida de Lebesgue. Con estas herramientas podemos incluso calcular probabilidades asociadas a conjuntos "rebuscados".

Por ejemplo, ¿cual es la probabilidad de que, al escoger al azar un punto x cualquiera del  intervalo [0, 1], el punto escogido sea un número racional? Hay infinitos racionales en cualquier intervalo, e infinitos números en el intervalo [0, 1], con lo que la regla de Laplace resultaría en un infinito / infinito que es un valor indeterminado.

La definición frecuencial también se pone en apuros con problemas de este tipo, pues los generadores de números aleatorios realmente no son del todo aleatorios, ya que usan algoritmos deterministas, y además que yo sepa no suelen generar números irracionales. Los nuevos ordenadores cuánticos podrían quizá resolver este problema, ver por ejemplo el artículo Evidencias de que los procesos cuánticos generan números aleatorios verdaderos.

Hay conjuntos más complicados,  como por ejemplo el conjunto de Cantor, que se construye de modo recursivo.

Construcción del conjunto de Cantor. Seguimos los siguientes pasos:

• Tomamos el intervalo [0, 1].
• Le quitamos un tercio de intervalo, concretamente el intervalo abierto (1/3; 2/3). Nos quedan los intervalos [0, 1/3] y [2/3, 1]
• Quitamos a los dos segmentos restantes sus respectivos tercios interiores, es decir los intervalos abiertos (1/3²; 2/3²) y (7/3²; 8/3²).
• Los pasos siguientes son idénticos: quitar el tercio de todos los intervalos que quedan. El proceso no tiene fin.

El conjunto de Cantor C tiene infinitos puntos; de hecho se da la paradoja de que contiene tantos puntos como todo el intervalo [0, 1]. que contiene a C. Por la regla de Laplace la probabilidad de escoger un punto de C sería card(C) / card([0,1]) = 1, que es absurdo, ya que  una probabilidad de un suceso igual a 1  significa que el suceso se presenta siempre, es decir que x siempre pertenecerá a C. En cambio usando la teoría de Lebesgue, la medida de C resulta ser cero, y  por consiguiente la probabilidad de que al escoger un punto al azar del intervalo [0, 1] el punto pertenezca a C es cero. Una excelente descripción de los conjuntos de Cantor y sus curiosas propiedades, así como su teoría de los números trans-infinitos la ofrece este blog.

Mecánica estadística

Volvamos a la Física, concretamente a la Física a escala molecular. A estas escalas debemos aplicar los principios de la mecánica cuántica, que establece que la energía de cada molécula sólo puede tomar unos valores discretos., está cuantizada. Para simplificar, pensemos en un gas; una molécula libre de gas moviéndose en un recipiente tendrá un estado, variable, definido por tres  números cuánticos, uno para cada dimensión del espacio, y cada estado permitido define un nivel de energía. Conociendo la distribución de las partículas entre los estados permitidos de energía del gas, se pueden predecir sus propiedades macroscópicas de interés (denominadas observables), como la temperatura, la presión, la densidad, etc.

Moléculas de un gas en un recipiente, cada molécula rebota con las paredes y con otras moléculas, cambiando su velocidad continuamente. La velocidad media a temperatura ambiente es del orden de cientos de metros por segundo.

Dado el enorme número de moléculas existentes, del orden de 10¹⁸ por cada cm³, la determinación de sus energías se ha de realizar usando técnicas estadísticas. Así, no determinamos energías, sino probabilidades de tener ciertas energías.

Distribución de probabilidades de velocidades de Maxwell-Boltzmann para los gases nobles, en el eje horizontal se muestran las velocidades de las moléculas, en el vertical las probabilidades.

Se han formulado diversas técnicas de cálculo de probabilidades ajustadas a cada tipo de moléculas; por ejemplo, si todas las partículas son iguales (más precisamente: indistinguibles), y cada estado de energía puede ser ocupado por todas las moléculas sin restricciones, las probabilidades viene dadas por la denominada distribución de probabilidad de Bose-Einstein. Si las partículas son distinguibles, entonces se aplica la distribución de Maxwell-Boltzmann. Estas probabilidades pueden aplicarse a sistemas generales de muchas partículas cuánticas, como por ejemplo los fotones.

Tal como decíamos al principio, las probabilidades calculadas en Física Estadística son magnitudes medibles, y su concepto es distinto del de las probabilidades más comunes, como la de sacar un número par cuando lanzamos un dado. Por ejemplo, la temperatura de un cuerpo, un observable, está directamente relacionada con el valor medio de las velocidades de sus moléculas, que a su vez está determinada por su distribución de probabilidades.

Bibliografía

• Sobre mecánica Estadística: F.W. Sears: Termodinámica, teoría cinética y termodinámica estadística. Ed. Reverté.
• Sobre la probabilidad en las ciencias exactas: H. Margenau: La naturaleza de la realidad física. Ed. Tecnos.
• Sobre conjuntos de Borel y medida Lebesgue: T. Apostol: Análisis Matemático. Ed. Reverté.
• Sobre aplicación de las medidas Lebesgeu en la probabilidad: E. Elizalde: Métodos matemáticos algebraicos, tomo III. Universidad de Barcelona.

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.