Surgimiento de las teorías físicas
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Surgimiento de las teorías físicas. Conocerán cómo se crean, comprueban y desarrollan las teorías físicas, aquello que queda fuera de los límites de los manuales escolares y que, por falta de tiempo, los maestros no logran de exponerles.
Así como también, conocer la física hasta el punto que les permita decidir si quieren dedicarse a ella toda su vida.
Sumario
- 1 Introducción
- 2 Observación, teoría, experiencia…
- 3 Piedras angulares
- 3.1 Principio de causalidad
- 3.2 Principio de observabilidad
- 3.3 Las paradojas contribuyen al progreso de la ciencia
- 3.4 Belleza de la ciencia
- 3.5 Simetría del espacio
- 3.6 Homogeneidad y reversibilidad del tiempo
- 3.7 Simetría especular
- 3.8 La simetría y las leyes de conservación
- 3.9 Alteración de la simetría especular
- 3.10 Simetría especular de la carga
- 3.11 Alteración espontánea de la simetría
- 3.12 La indistinguibilidad de las partículas iguales
- 4 Búsqueda de la unidad
- 5 Fuentes
Introducción
La física cuenta con su propia forma en la aplicación del método científico general, sus propios principios del conocimiento.
La ciencia sobre la naturaleza es la física que descubre la esencia y la base del mundo material, que nos conduce por el camino nada fácil y severo hacia la verdad. La curiosidad y la capacidad de asombrarse empujan al hombre por ese camino, obligándole a que siga sus estudios todo el largo y eterno camino. Por todo eso la naturaleza le otorga un gran bien: el conocimiento.
El desarrollo de la ciencia posee sus leyes. De la contemplación de lo que nos rodea, surgió la palabra [[teoría] que tiene su origen en el vocablo de origen griego theorein (“observar”), surge la hipótesis sobre la naturaleza y los enlaces entre procesos y fenómenos: de los hechos y de las hipótesis verosímiles se estructura la teoría; ésta se comprueba mediante el experimento, y una vez confirmada, sigue desarrollándose, de nuevo se comprueba en una multitud infinita de veces… Semejante marcha del desarrollo es lo que conforma el método científico; éste permite distinguir el equívoco de la verdad científica, verificar la hipótesis, evitar los errores.
Observación, teoría, experiencia…
Conoceremos lo que es el método científico: la base de cualquier ciencia, qué representa la creatividad científica, tocaremos los secretos del oficio de un físico teórico.
El gran poeta, filósofo y naturalista alemán Johann Wolfgang Goethe dijo:
De la observación surge la teoría, de ésta pasa al experimento, y de nuevo todo se repite, así es la espiral del desarrollo. Así resuelve sus problemas la física.
El camino del conocimiento
El problema de la cognoscibilidad del mundo y de la autenticidad de los conocimientos se alzaba terrible ante el camino delas ciencias experimentales en germinación. Este problema fue muy agudo y actual en los albores del Nuevo Tiempo, en que vivieron y trabajaron Copérnico, Galileo y Kepler.
Sólo a comienzos del siglo XVII nació el método científico del conocimiento de la realidad y en él, como en un sólido cimiento, se asientan desde entonces las ciencias experimentales.
¿De qué se compone este método?
Lo auténtico y lo imposible
El enfoque científico comienza por delimitar lo auténtico y lo imposible. Hacer eso permite la estabilidad en los logros de la ciencia.
Las leyes y relaciones bien comprobadas permanecen invariables incluso después de un nuevo descubrimiento o revolución científica.
En la ciencia existe el [["principio de correspondencia]"], según el cual la nueva teoría deberá transitar a la vieja en aquellas condiciones para las cuales esta última fue establecida.
Sabiendo que las leyes bien comprobadas son invariables, se pueden destacar fenómenos, que no despiertan dudas, de todo aquello que contradice la experiencia científica de años.
La conjetura y la verdad
El paso siguiente consiste en separar sin piedad la más bonita, la más romántica e incluso verosímil conjetura de la afirmación demostrada.
La regla “poner en duda todo” que en determinado momento los escépticos la llevaron hasta lo absurdo, los científicos la tomaron como armamento, empleándola dentro de los límites razonables. Se puede decir que se trata del sentido común en el trabajo científico.
La ciencia no puede avanzar sin saltos súbitos del pensamiento, de destellos, de la intuición, pero las ideas inesperadas, capaces de soportar la comprobación surgen tan sólo a base del profesionalismo. Lo cual puede observarse con la conversión en especialistas extraordinariamente instruidos en el nuevo dominio.
El especialista, según las palabras del notable físico danés Niels Bohr, es aquel que conoce los errores más difundidos y sabe eludirlos.
En todas las ciencias experimentales a fin de establecer la verdad se necesita montar el experimento científico que ofrece resultados repetidos y que se confirman en experimentos independientes de otros investigadores. Sin las exigencias de reiteración y reproducción de los resultados del experimento no hay ciencia.
El experimento científico es el juez supremo de la verdad que fija los hechos. La ciencia está compuesta por hechos, relaciones entre ellos y, lo principal, consiste en la sistematización de esas relaciones mediante un modelo, simplificado a sabiendas, de los fenómenos. Semejante sistematización de los hechos es lo que precisamente se denomina ciencia.
Tan sólo después de transformar los hechos reunidos en un sistema estructurado y sutil de ideas -en una teoría- deviene posible la predicción de nuevos fenómenos.
¿Cuál es entonces el camino del conocimiento científico?
Experimento, puntualización, comprobación de los límites de aplicabilidad de la teoría, surgimiento de las paradojas, nueva teoría, intuición, destello, o sea, el salto en el pensamiento, nueva teoría, nuevas hipótesis, y de nuevo el experimento…
En la base del método científico subyace la objetividad, la posibilidad de ser reproducido, comprobando, el carácter imparcial.
El famoso Einstein decía:
Impulso a la creatividad
¿Por qué el hombre se lanza a resolver problemas científicos? Se siente la necesidad y la capacidad de solucionar un problema. En esto se aproxima el espíritu de la ciencia, pero lo más noble y generoso, es que responde a los fines del impulso motivado, es la curiosidad, el deseo de saber cómo está estructurada la naturaleza.
El objetivo del trabajo del científico reside en saber cómo, por qué y cuándo, dónde y ocurre en realidad, qué fue lo que sucedió que antes era desconocido…
No se puede cumplir un trabajo científico sin una clara comprensión del problema, pero no se puede lograr una clara comprensión sin cumplir el trabajo científico.
Secretos del oficio
¿Qué puede haber más importante en la vida de una persona que la tarea de elegir su profesión? Existe un dominio asombro de la mentalidad humana: la subconsciencia. Aquí se guarda la experiencia acumulada, la experiencia no sólo de una persona, sino de muchas generaciones, aquí nace la intuición.
En el siglo XIX, cuando la física todavía no estaba especializada, muchos científicos se ocupaban simultáneamente de la teoría y del experimento.
Sin embargo, ahora esas dos profesiones se simultanean de manera rara en extremo. Cada una de ellas exige conocimientos especiales: en el experimento, conocer los métodos de medición; en la teoría, dominar el formalismo matemático complejo.
Los experimentadores estudian las relaciones entre las magnitudes físicas,; los teóricos deducen nuevas relaciones, utilizando tan sólo papel y lápiz, recurriendo a todas las reglas y leyes conocidas, a las conjeturas intuitivas.
Pero no nos olvidemos del experimento: cualquier construcción teórica devendrá verdad científica sólo cuando la haya corroborado el experimento y el ulterior desarrollo de la teoría.
Cómo trabajan los físicos teóricos
Afirmaba el gran matemático francés Henri Poincaré:
Primero intentar resolver el problema uno mismo, sin saber nada de cómo otros probaron a resolverla. Después de hacer las primeras valoraciones cualitativas de los órdenes de las magnitudes y de presuponer la dirección de las búsquedas, usted leerá la bibliografía de un modo distinto, de manera activa, sopesando de inmediato cómo actuar en adelante.
Análisis cualitativo
El análisis cualitativo quizá sea la fase más importante del trabajo, cuando casi sin cálculo alguno se obtienen relaciones burdas entre magnitudes, se aclara el cuadro físico del fenómeno.
Donde la dimensión muestra el vínculo de la magnitud física con el sistema de medida.
Búsquedas de la solución
A base de analizar las dimensionalidades se puede, incluso antes de haber hallado las ecuaciones, aclarar ciertas propiedades de la solución.
Cien mil “por qué”
Después de cada paso hacia adelante, obligatoriamente deberá mirarse hacia atrás, tendiendo a refutar lo ya obtenido.
Los resultados deberán comprobarse mil veces, analizarlos, escuchar la crítica de todos aquellos que se ocuparon de problemas semejantes.
Cuando ya se ha hecho la elección
Ustedes han decidido que poseen todo lo necesario para ocuparse de la física teórica, a saber: curiosidad, perseverancia, gran voluntad, intuición, etc…
No se esmere desde un principio por comprenderlo todo hasta el fin.
Lo principal deberá ser el interés por el asunto y no el afán por lograr resultados asombrosos.
Piedras angulares
Ahora nos elevamos nos elevaremos un tanto hacia el principio fundamental en el conocimiento de las ciencias naturales, en dirección al mundo asombroso de la simetría.
Einstein decía:
Principio de causalidad
O de razón suficiente que se comprueba en la experiencia. El principio de observación que jugó un enorme papel en el devenir de la física del siglo XX, éste exige que en la ciencia se inserten magnitudes no especulativas, sino observables.
Si se confunde la causa con el efecto o se toma como causa alguna circunstancia concomitante, puede surgir un serio error, un equívoco e incluso la superstición.
El hecho de que la causalidad se comprobó con rigidez en el experimento, muestra la importancia de este principio para la ciencia, puesto que como afirmación científica se considera aquello que se puede certificar o rechazar, en tanto que lo que no se puede comprobar.
El principio de causalidad en física, en particular, exige excluir la influencia de cualquier acontecimiento sobre todos los sucesos pasados, así como la incidencia de un acontecimiento sobre otro.
Principio de observabilidad
Galileo Galilei llamaba a confiar menos en los sentidos, que nos pueden engañar con facilidad, y afanarse, razonando, por comprobar la suposición o bien desenmascarar su apariencia capciosa.
Uno de los fundadores de la teoría cuántica el físico inglés Paul Dirac, decía:
Las paradojas contribuyen al progreso de la ciencia
Esto lo logró hacer Einstein: ¿por qué la fuerza de gravedad, independientemente de la composición del cuerpo, es proporcional a la masa, a la medida de la inercia? ¿No se desprende acaso de esta paradoja que entre la inercia y la gravitación existe una profunda vinculación interna? A partir de esta idea comenzó a estructurase una de las teorías más asombrosas, la teoría de la gravedad de Einstein.
Las paradojas son importantes no sólo para estructurar nuevas teorías o resolver problemas globales; la habilidad para buscar y formular paradojas es un procedimiento cognoscitivo importante en el trabajo científico.
Belleza de la ciencia
Los filósofos de la antigüedad consideraban la simetría, el orden y la certidumbre como esencia de la belleza. La idea de la simetría la sugiere la propia naturaleza. Las búsquedas de la belleza nos conducen hacia el conocimiento de la naturaleza.
Cuando los científicos encuentran una construcción elegante, ésta casi siempre o bien resuelve la tarea planteada, o será útil en el futuro para otros problemas.
Todo está estructurado según las leyes de la simetría, más exactamente, de las diversas simetrías, son ellas las que nos obligan a admirar la belleza de la naturaleza viva e inerte.
Simetría del espacio
La simetría más simple reside en la homogeneidad e isotropía del espacio. La homogeneidad del espacio significa que cada instrumento físico deberá funcionar de la misma manera en cualquier lugar, sí no varían las condiciones físicas circundantes.
La noción de simetría -conmensurabilidad- se refiere no sólo a los objetos, sino también a todos los fenómenos físicos y leyes.
Homogeneidad y reversibilidad del tiempo
No sólo el espacio es homogéneo, sino también el tiempo. Todos los procesos físicos transcurren de manera igual, independiente de cuando empezaron.
Las leyes de la naturaleza no varían tampoco al cambiar el tiempo por el inverso.
Las simetrías, que se refieren, en el lenguaje científico se formulan así: todas las leyes de la naturaleza son invariantes con una gran exactitud respecto a la operación de traslación en el espacio y tiempo, y con relación a las rotaciones en el mismo.
Simetría especular
Todas las magnitudes físicas se distinguen por el hecho de cómo varían al girarlas.
Si al girar un objeto hacia la izquierda, rodará y se moverá lo mismo que si girara a la derecha, sólo que las figuras del movimiento del objeto derecho serán la reflexión especular de las figuras del objeto de la izquierda. A cada simetría corresponde obligatoriamente su propia ley de conservación, que se cumple con la misma exactitud que la propia simetría.
La simetría y las leyes de conservación
Son estas leyes la consecuencia de esa propiedad de nuestro mundo como la simetría del espacio y el tiempo.
Cada simetría asegura su propia ley de conservación. La ley de conservación de la energía, por ejemplo, está relacionada con la homogeneidad del tiempo; la ley de conservación de la cantidad de movimiento (del impulso), con la homogeneidad del espacio; la ley de conservación del momento angular, con la simetría respecto a la rotación del espacio; la ley de conservación de la paridad, con la simetría especular…
Si el tiempo fluyera irregularmente, cambiaría el ritmo relativo de los procesos, podría, por ejemplo, cambiar periódicamente la constante de la gravitación universal.
La Energía se conserva con la misma exactitud con la que se observa la homogeneidad del tiempo.
Alteración de la simetría especular
La simetría especular está relacionada con la ley de conservación, a saber, se conserva la magnitud que se llama paridad. ¿Qué es esto?
En mecánica cuántica, el comportamiento de las partículas queda determinado por la función de onda. Las propiedades de las partículas no deben cambiar cuando tiene lugar la reflexión especular, pero la función de onda puede variar de signo (positivo, par y negativo, impar.)
Simetría especular de la carga
Para todos los fenómenos de la naturaleza, excepto las interacciones débiles, existe también la simetría de la carga: las leyes de la naturaleza no cambian si todas las cargas eléctricas se sustituyen por sus contrarias.
Alteración espontánea de la simetría
La teoría de las partículas elementales presupone que la simetría máxima reina a distancias superpequeñas, mientras que en las grandes surge la alteración espontáneas que puede enmascarar fuertemente la simetría.
La indistinguibilidad de las partículas iguales
Existe una simetría de permutación de los objetos idénticos muy importante: ningunos fenómenos físicos deberán variar cuando permutan dos partículas idénticas, por ejemplo, dos electrones o dos neutrones.
Búsqueda de la unidad
A lo largo de toda su historia la física busca las causas únicas para los más diversos fenómenos, intenta unificar sus ámbitos. Constituyendo en sí, la esencia de la tendencia principal en el desarrollo de la ciencia.
Los físicos llamaron “la gran unificación” a la teoría que deberá proporcionar una explicación única de tres interacciones: la electromecánica, la débil y la fuerte. Esta teoría está muy lejos de culminar, pero sus predicciones ya se comprueban en el experimento.
¿Y qué ocurre con la cuarta interacción (la gravitacional)? No se han olvidado de ella, y en los últimos tiempos muchos físicos teóricos ya intentan crear la teoría de la superunificación que incluya en sí, en un cuadro único, todas las cuatro interacciones.
Recordemos las palabras de gran Einstein al hablar de la herencia que nos dejaron nuestros antepasados:
Conocer cómo surgen las teorías físicas, es un primer intento para comprender el legado histórico de las generaciones anteriores, y entender por qué Newton se elevó sobre los hombros de gigantes que le antecedieron.
Fuentes
- Migdal A. B. Cómo surgen las teorías físicas. Editorial MIR, Moscú. ISBN 5-03-002042-X. MIR Moscú.
