Tema 1 Fisica Quimica Oposiciones

Temario

FÍSICA Y QUÍMICA Los grandes cambios: las revoluciones científicas. La ciencia como un proceso en continua construcción: algún ejemplo en física o en química. Los científicos y sus condicionamientos sociales. Las actitudes científicas en la vida cotidiana.

25-13738-13

1

Principales concepciones de la ciencia.

FÍSICA Y QUÍMICA 1

1. PRINCIPALES CONCEPCIONES DE LA CIENCIA 1.1. EL PERIODO DE LOS GRIEGOS 1.2. LA CIENCIA EUROPEA DEL RENACIMIENTO 1.3. LOS SIGLOS DEL PROGRESO 1.4. LA CIENCIA MAS RECIENTE

2. LOS GRANDES CAMBIOS: LAS REVOLUCIONES CIENTÍFICAS 2.1. ORIGEN DE AMBAS CIENCIAS 2.2. LA CIENCIA NORMAL 2.3. CRISIS Y REVOLUCIONES CIENTÍFICAS

3. LA CIENCIA COMO UN PROCESO EN CONTINUA CONSTRUCCIÓN: ALGÚN EJEMPLO EN FÍSICA O EN QUÍMICA 3.1. OBJETO DE LA CIENCIA Y MÉTODO CIENTÍFICO 3.2. UN EJEMPLO DEL PROCESO DE DESARROLLO DE LA CIENCIA: EL CONCEPTO DE TRAYECTORIA EN MOMENTOS CLAVES DE LA CIENCIA

4. LOS CIENTÍFICOS Y SUS CONDICIONAMIENTOS SOCIALES 5. LAS ACTITUDES CIENTÍFICAS EN LA VIDA COTIDIANA

3

FÍSICA Y QUÍMICA 1

INTRODUCCIÓN

Este tema trata del concepto de ciencia y de las concepciones de la ciencia. Para desarrollar ambas partes, nos basaremos en su desarrollo histórico, ya que la historia de la ciencia es la historia de las preguntas que han ido obteniendo respuestas acordes a una metodología que, de entrada, se puede definir simplemente como de ensayo y error, y que con el tiempo ha venido a ser el método científico. El perfeccionamiento de las respuestas de las ciencias se corresponde con el perfeccionamiento del método científico. La evolución continua de este método y los saltos o revoluciones que han ido ocurriendo a lo largo de la historia son la clave para entender la situación actual del desarrollo científico. Concepciones tan simples y a la vez tan refinadas como las del espacio, el tiempo, el vacío o la materia, a lo largo de la historia de la humanidad, pueden ilustrar el grado de ajuste a la naturaleza que las teorías físicas, como ejemplo, pueden alcanzar. En la actualidad la ciencia se desarrolla por equipos de científicos y a menudo de manera interdisciplinar, desempeñando un papel muy relevante el resultado tecnológico de la investigación y los recursos que la sociedad está dispuesta a aplicar para obtener esos resultados. De igual manera, la implicación de la ciencia en la tecnología y la sociedad va tan unida a la idea de progreso que una medida del grado de avance de un país es el porcentaje del producto interior bruto que destina a investigación científica.

5

6

TEMARIO

1 PRINCIPALES CONCEPCIONES DE LA CIENCIA A lo largo de la historia la estructura del pensamiento científico y su desarrollo se puede dividir en cuatro etapas; estos periodos históricos son: „„

El periodo de los griegos.

„„

La ciencia europea del renacimiento.

„„

Los siglos del progreso.

„„

La ciencia más reciente.

El primer periodo está influido por la ciencia de egipcios y babilonios, así como por los griegos atenienses. En el siglo XIII comenzará a fraguarse lo que sería la revolución del siglo XVII. El tercer periodo se caracteriza por el ascenso de la química y la biología, y por el impresionante progreso de las matemáticas. Es entonces cuando se establece con más conciencia la contrastación experimental de una idea sobre la realidad, como criterio de verdad científica. Su desarrollo dura casi tres siglos y desemboca en la era tecnológica, cuando, finalmente, se produce una evolución técnica asombrosa, así como un incremento apabullante del conocimiento puro.

1.1. EL PERIODO DE LOS GRIEGOS La ciencia primitiva, babilónica y egipcia, se basaba en los astros y en la observación sistemática de sus movimientos. Consistía en observaciones sistemáticas originadas casi siempre por motivos religiosos y en ningún caso implicaba interpretaciones fuera de las que la religión suponía. La búsqueda de teorías comenzó en la época griega. Los griegos aportaron precisamente este segundo componente de la actividad científica. Destacaron en algunas ramas como las matemáticas pero no pudieron superar a los babilonios en otras como la astronomía, debido a la fuerte influencia de su mitología, que les llevó a sustituir la observación y el experimento y a dar prioridad a sus impresiones particulares. A esta época pertenecen los teoremas de Tales o de Pitágoras, así como la primera teoría sobre la constitución de la materia a partir de agua, aire, tierra y fuego, según Empédocles, y las ideas de Demócrito sobre el átomo. Esto ocurre sobre el siglo VI a. C., momento en que la naturaleza o Physis empieza a significar «lo que las cosas son», con una existencia y unas propiedades que no dependen del humano que lo observa y lo mide. Se empieza a pensar entonces que existe una naturaleza externa al hombre, que por tanto muestra una realidad objetiva y que puede ser objeto de estudio.

FÍSICA Y QUÍMICA 1

Pitágoras descubrió las bases matemáticas de la armonía musical y propuso que la estructura profunda de la realidad reside en las relaciones matemáticas y, basada en esta doctrina, fundó una influyente sociedad religiosa. Desde el punto de vista de la ciencia física, añadió el éter, como sustancia que lo llena todo, aniquilando el concepto de vacío que la teoría atómica de Demócrito establecía entre átomo y átomo. Arquímedes expuso sus teorías sobre la hidrostática y Ptolomeo, en su obra Almagesto, elaboró un tratado sistemático sobre el movimiento de los cuerpos celestes, el geocentrismo, que fue dado por bueno por los astrónomos hasta la época de Copérnico. Para Ptolomeo, un sistema de esferas centradas en la Tierra describía el movimiento planetario observable y lo real era lo observable; hubiera sido absurdo interpretarlo de otra manera, como lo haría Copérnico más tarde.

1.2. LA CIENCIA EUROPEA DEL RENACIMIENTO Simultáneamente, en varios países europeos, sin ningún tipo de dirección ni acuerdo y apoyado en personas individuales y vinculadas a las incipientes universidades estatales y a la vez religiosas, comienza a surgir un movimiento que proyecta la ciencia tanto sobre la técnica (ciencia aplicada) como sobre el conocimiento puro (ciencia pura). Este movimiento recibiría el nombre de Renacimiento, que significa el resurgimiento de la confianza en la razón humana. Así, por ejemplo, la introducción de medidas sistemáticas de posiciones de astros fue posible gracias al telescopio de Galileo (italiano) y la paciencia recopilatoria de Tycho Brahe (danés). Estas medidas sirvieron para la interpretación realizada por Kepler (holandés). Estos avances en astronomía no fueron el resultado de un trabajo en equipo, sino la evolución de ideas compartidas. Estas ideas trataban de ajustarse a una realidad que, gracias a los nuevos aparatos de medidas, se iba haciendo más fácil de explicar. Las antiguas ideas griegas de la perfección del círculo, como argumento para justificar la trayectoria de los planetas, hacían que las órbitas elípticas fueran inimaginables para idealistas y racionalistas puros. Sin embargo, Kepler, ajustando los datos que durante años recopiló Brahe, dio con resultados numéricos que originaban una elipse. Incluso comprobó la existencia de una relación entre los periodos de revolución de los planetas y las distancias entre éstos al sol. Este tipo de fenómenos son comunes en el desarrollo de la ciencia. Muchas observaciones o experimentos pensados para apoyar ciertas teorías resultan válidos para otras muy distintas. Ejemplo de esto lo tenemos en Brahe, quien no tenía ningún motivo para pensar que sus datos sobre las posiciones de los planetas fueran a servir para demostrar la forma elíptica de las órbitas planetarias.

7

8

TEMARIO

Otra parte importante de la ciencia despega con el ingenio de plantear experimentos con resultados medibles. Galileo comienza a estudiar la cinemática haciendo medidas de espacio y de tiempo. Las primeras relaciones matemáticas capaces de predecir el comportamiento de móviles en planos inclinados son suyas. El diseño de experimentos para demostrar o refutar ideas aparece por primera vez en la ciencia como criterio de verdad. Nótese que en este momento no se trata de científicos que estudian física, sino de filósofos que interpretan la naturaleza dada por Dios. Galileo experimenta la medida del tiempo utilizando su propio ritmo cardiaco; con sus experimentos logró dilucidar la ley de caída de los cuerpos. Aparece, así, el concepto de aceleración, obviamente, en el momento en que el hombre es capaz de medirla. Es el punto en que filosofía y física empiezan su larga e inequívoca separación. La ciencia se pone por primera vez en una posición de confrontación con las doctrinas o a las simples observaciones cuando Copérnico propone el sistema heliocéntrico o Galileo afirma que la Tierra se mueve alrededor del Sol. La mecánica de Aristóteles resultaba inadecuada para explicar los conceptos de la nueva astronomía, especialmente cuando empieza a perfilarse el concepto de fuerza, definida como la causa del movimiento de los planetas, la que mantiene en orden el giro y la que, aparentemente, es inagotable. Será Newton el precursor de la ciencia actual; definirá conceptos nuevos y establecerá relaciones matemáticas entre ellos. La precisión de estos conceptos y su ajuste a la naturaleza son lo suficientemente buenos como para que aún sea la base de la física que se enseña en ámbitos no universitarios.

1.3. LOS SIGLOS DEL PROGRESO Cuando Newton deduce las leyes de Kepler a partir de su teoría de la gravitación, está estableciendo el modus operandi de la ciencia para los próximos siglos. En este momento no existe la matemática necesaria para poder expresar los conceptos que se empiezan a manejar; es imprescindible que esta matemática se desarrolle. Newton plantea la dinámica de forma muy parecida a como se enseña en la actualidad, e intenta establecer teorías más amplias, que abarquen la óptica o la cosmología. Es en este periodo cuando se va a producir una revolución en algunas ciencias que todavía no la habían experimentado, como por ejemplo la química o la biología. La conversión de la química en ciencia se deberá a Lavoisier, con su teoría de la conservación de la masa en las reacciones químicas, y a Dalton, con su teoría atómica. Gracias a estas teorías la química abandona su base especulativa, heredada de la alquimia, y supera su mero interés como aplicación a la medicina. En el caso de la biología, como ciencia incipiente, la teoría de la evolución fue una conclusión de lo que el método científico podía ofrecer si se aplicaba a otras ramas del conocimiento que iba surgiendo. Tal teoría no sólo afectó a la propia ciencia biológica, sino que fue precursora en cuestionar los límites a los que la ciencia podía llegar.

FÍSICA Y QUÍMICA 1

El origen de las especies, de Darwin, al igual que las observaciones de Brahe para Kepler, proporcionó pruebas que apoyaban las tesis evolucionistas, y además aportó la teoría de la selección natural como explicación. Posiblemente la geología como tal sea de las últimas ciencias en definirse, ya que los campos de la mineralogía y la cristalografía tienen más vinculación con la química inorgánica. A. Hall, con sus teorías sobre la formación de los montes Apalaches a partir de la elevación de una cuenca sedimentaria, fue el precursor en la formulación de teorías que pudieran dar cuerpo a una nueva ciencia.

1.4. LA CIENCIA MAS RECIENTE La ciencia de los siglos XVII, XVIII y XIX, basada en los conceptos de espacio, tiempo y materia, se vio desbancada a comienzos del siglo XX por el desarrollo de la teoría eléctrica de la materia. El átomo pasó a ser divisible y a estar constituido por partículas más pequeñas dotadas algunas de carga eléctrica, y cuyo movimiento no se ajustaba a la mecánica de Newton, sino que se explicaba, sólo de manera estadística, por la nueva mecánica cuántica. A su vez la separación entre materia y energía quedaba anulada en experimentos con aceleradores de partículas que probaban la teoría de Einstein. Como la velocidad es relativa al observador, su energía cinética lo es también, y por tanto la masa también es relativa. Aparece también el concepto nuevo de masa en reposo. Por otro lado, los conceptos de espacio y tiempo se vieron modificados por la teoría de la relatividad, la cual dio lugar a su vez a una nueva teoría de la gravitación. Probablemente los dos cambios conceptuales más importantes en la ciencia contemporánea fueron los siguientes: „„

La física cuántica descubre en el mundo subatómico que debe renunciar a hacer interpretaciones de partículas aisladas y conformarse con mostrar resultados estadísticos para un promedio de partículas. El principio de incertidumbre, que liga, por un lado, energía y tiempo y, por otro, posición y cantidad de movimiento, resalta esta limitación en el conocimiento. Sólo es posible obtener simultáneamente y con precisión parte de la información. No toda.

„„

El espacio, o el éter para los griegos, deja de ser el lugar donde ocurren las cosas, para convertirse en una porción determinada experimentalmente en unas condiciones que influyen sobre lo que se mide. El espacio es relativo, como el tiempo, la masa o la energía. La cosmología establece el universo en expansión como paradigma.

En otras ciencias, las principales líneas de desarrollo son: „„

En biología, el descubrimiento de la base molecular de los caracteres hereditarios, de su expresión, y la posibilidad de su alteración dan lugar a biotecnología.

„„

En física, la búsqueda de una teoría unificadora de las fuerzas elementales. Al igual que la teoría electromagnética unió ambos campos, la electrodébil y la electrofuerte empiezan a fundirse bajo la cromodinámica cuántica. La fuerza gravitatoria es la que más se resiste a ser tratada como partícula; el tratamiento einstiniano clásico la compara más con el concepto de onda que con el de partícula.

9

10

TEMARIO

„„

En Astronomía, la elaboración de las distintas teorías sobre el origen y la evolución del universo. El big bang y la materia oscura son los retos principales que encara la astrofísica actualmente.

„„

En Geología, las teorías de la deriva continental y de la tectónica de placas acotan las explicaciones que deban buscarse dentro de este campo.

„„

El desarrollo de las ciencias de comunicación. Es la última revolución en que estamos inmersos. La clave fue el paso de los sistemas de comunicación analógicos a digitales y la tendencia imparable a que así sea.

En los inicios del siglo XXI hay que hacer mención de dos descubrimientos claves en Genética y en Astrofísica, que son, respectivamente, el mapa del genoma humano y su posterior aplicación al proteonoma, y la radiación cósmica de fondo, es decir, el eco del big bang. En ambos casos, como posiblemente en los descubrimientos aún por llegar, la clave estará en el uso de los sistemas digitales para el manejo de cantidades de información que hasta ahora eran inabarcables. La revolución actual ya no es científica; es la revolución digital.

FÍSICA Y QUÍMICA 1

2 LOS GRANDES CAMBIOS: LAS REVOLUCIONES CIENTÍFICAS Las tres ramas principales que estudia la historia de las ciencias son: qué constituye ciencia, las personas que participaron en su definición y la formación de las grandes teorías. El comienzo de toda ciencia es una acumulación de datos, aplicaciones prácticas de esos datos, teorías que intentan predecir un comportamiento generalizado y un sistema de retroalimentación en cada fase. Así, por ejemplo, a base de pulir lentes con diferentes radios de curvatura e ir probando el efecto, se establecen relaciones numéricas sencillas cuya constancia permite extrapolar las propiedades que tendría una lente antes de ser fabricada. La óptica geométrica sería la teoría resultante que englobaría los casos posibles. Thomas S. Kuhn, autor de La estructura de las revoluciones científicas, afirma en su obra: «La historia de la Ciencia no ha de buscar las contribuciones permanentes de una ciencia más antigua a nuestro conocimiento actual, sino que ha de poner de manifiesto la integridad histórica de esa ciencia en su época. No habrá que buscar, por ejemplo, la relación existente entre las opiniones de Galileo y las de la ciencia moderna, sino, más bien, la relación existente entre sus opiniones y las de sus maestros, contemporáneos y sucesores inmediatos». Se trataría entonces de situar la teoría en su contexto y, aplicando una especie de selección natural, explicar cómo la teoría heredada ha sido la mejor posible para el estado en que se encontraba el saber de esa ciencia en ese momento. Desde este punto de vista, cabe distinguir tres fases: „„

El planteamiento del problema, con varias interpretaciones que compiten entre sí.

„„

El establecimiento de un paradigma o fundamento básico de la ciencia, como resultado de la solución acordada para el problema, y que da lugar a un periodo de ciencia normal vigente.

„„

La crisis del paradigma e inicio de un nuevo periodo revolucionario, que provocará el establecimiento de un nuevo paradigma y el comienzo de una nueva etapa de ciencia normal.

Estos periodos de ciencia normal y revoluciones científicas se han sucedido a lo largo de la historia, en Grecia y en el Renacimiento fundamentalmente, lo que implica que el desarrollo científico no es en absoluto constante y acumulativo, sino más bien discontinuo. Una nota destacable de esta forma de evolución científica es que tras cada establecimiento de un paradigma, la ciencia parece estancarse debido a su propio éxito. Aun habiendo límites a las teorías científicas, al fin y al cabo la naturaleza a explicar es única, estos límites son los retos de la generación siguiente de científicos. Así, por ejemplo, las leyes de Maxwell del campo electromagnético, fueron descubiertas cuando se pensaba que la física estaba agotada como campo para nuevas teorías.

11

12

TEMARIO

2.1. ORIGEN DE AMBAS CIENCIAS Personas distintas ubicadas en sitios distintos plantean un problema cuya respuesta está en la naturaleza. Ése es el origen de la ciencia. La competencia por responder adecuadamente es lo que perfila y hace avanzar una ciencia en particular. El método de falsación proclamado por Karl Popper puede servir para ilustrar mejor esto. Los cuerpos en caída libre en una campo gravitatorio descendían con velocidad constante para la escuela griega clásica, porque es lo que eran capaces de medir. Medidas mejoradas de Galileo mostraron que aceleraban. Medidas más exhaustivas a nivel estelar muestran que, conforme a la relatividad general, tal caída no sigue una línea recta, sino curvilínea… El método de la falsación de hipótesis para el establecimiento de paradigmas supone que siempre que se formule una hipótesis debe ser posible idear un experimento o consecuencia que pueda refutarla. Y lo más importante: tal refutación no nos vuelve al punto de partida, mostrando la inadecuidad de la hipótesis, ni nos confirma una verdad si la hipótesis se refuerza. El juego de modificar la hipótesis hasta donde su validez sea falsable es la clave del método científico. Y cuando es aceptada como paradigma dentro de una ciencia, lo que se obtiene no es una verdad, sino una hipótesis falsable que aún no ha sido refutada. Ése es el resultado de la ciencia. Obviamente, la suma de muchas hipótesis aceptadas conforma una teoría, y la suma de las teorías aceptadas, una ciencia. Se define un paradigma como aquella realización científica que alguna comunidad científica particular reconoce, durante algún tiempo, como fundamento para su práctica posterior.

2.2. LA CIENCIA NORMAL Una vez que un conjunto de hipótesis falsables conforman una teoría, constituyen el paradigma de una ciencia. Son las teorías que en un momento dado se consideran válidas y en las que se trabaja sin un gran cuestionamiento. La inmensa mayoría de la investigación científica, en la actualidad, intenta simplemente sacar nuevas consecuencias de los paradigmas aceptados. Normalmente se trata de consecuencias prácticas dirigidas por y para la tecnología. La ciencia normal aspira poco a producir novedades importantes, especialmente conceptuales. Kuhn considera que la ciencia normal se dedica a la resolución de problemas con solución asegurada. Precisamente lo que hace interesante la investigación científica puntera en la actualidad es la búsqueda de la anomalía. Así, por ejemplo, para poder llevar al límite las predicciones sobre aniquilación de partículas de las teorías vigentes, se construyó en Suiza el acelerador de partículas más grande del mundo. Se trata de provocar colisiones en que se pudieran formar partículas de masa en reposo relativamente grande, para comprobar la relación que se piensa que existe entre las posibles combinaciones de quarks para formas partículas.

FÍSICA Y QUÍMICA 1

2.3. CRISIS Y REVOLUCIONES CIENTÍFICAS Lo que la hipótesis no predice, pero ocurre, es el motivo de la crisis y a la vez el mayor aliciente en la ciencia. Así, por ejemplo, la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad son dos buenas muestras de cómo una crisis conceptual sirve para producir una revolución científica en que toda una nueva batería de conceptos son establecidos. Las consecuencias de cambios conceptuales tan radicales no son inmediatas. Y algunos cambios incluso no llegan a producirse. Así, la idea de la teoría general de la relatividad de que un campo gravitatorio equivale a un grado de curvatura en una región del espacio es un cambio conceptual que no ha calado entre los no físicos, y a menudo ni entre los físicos. De hecho, se sigue enseñando la teoría gravitacional de Newton como un logro de la ciencia del siglo XVII que aún tiene validez dentro del rango en que se estableció. Y esa es la clave: las buenas teorías no se excluyen entre sí, sino que son válidas para un rango distinto. No son teorías alternativas, sino que su rango de aplicación está acotado por los propios conceptos que maneja. En general, cuando en una ciencia una situación de crisis se hace persistente, comienza la elaboración de nuevos paradigmas, los cuales competirán entre sí. Éste es el periodo en que la ciencia es revolucionaria, y su situación es en cierto modo comparable a la que existe en el origen de la misma. En estos momentos la percepción del científico sobre los conceptos que maneja cambia. Esto es extremadamente complejo y requiere un entrenamiento mental que puede ser muy difícil de alcanzar. Así, el concepto de suceso en relatividad no es tan inmediato como el de espacio y tiempo en mecánica no relativista. El periodo de ciencia revolucionaria termina una vez surgido y aceptado un nuevo paradigma. Entonces la ciencia vuelve a ser normal. La tendencia general es acotar bien la validez de los paradigmas de generaciones pasadas. Ello permite que la historia de la ciencia haga aparecer a ésta como lineal o acumulativa, y las revoluciones como momentos de perfeccionamientos refinados de teorías cada vez más exactas. Sin embargo, siguiendo con nuestro ejemplo, hace falta redefinir espacio, tiempo, materia y energía para poder aplicar las teorías relativistas de Einstein. Eso es una revolución científica. Y una vez que ocurre el resultado, puede estar tan alejado del sentido común que incluso como paradigma establecido es revolucionario.

13

14

TEMARIO

3 LA CIENCIA COMO UN PROCESO EN CONTINUA

CONSTRUCCIÓN: ALGÚN EJEMPLO EN FÍSICA O EN QUÍMICA

3.1. OBJETO DE LA CIENCIA Y MÉTODO CIENTÍFICO Las ciencias empíricas proponen modelos de la naturaleza con objeto de explicar, predecir y controlar su interacción con el entorno. Las ciencias se pueden clasificar en formales y factuales: „„

Formales son, por ejemplo, la lógica, la matemática, o la informática.

„„

Factuales son las ciencias naturales y las ciencias sociales: −− Natural: física, química, biología, geología… −− Social: sociología, ciencias políticas, economía…

La ciencia es un proceso en continua construcción porque los resultados del método científico son ajustes cada vez mejores a la realidad a la que se aplica. Nunca se afirma que el ajuste sea definitivo, exacto o invariable. Por el contrario, la búsqueda de errores, datos contradictorios o anomalías empíricas son la base del progreso en la ciencia. Históricamente, la evolución del método científico fue del método inductivo al deductivo y, por último, al de la teoría de la falsación. El método inductivo de Bacon consiste en recopilar datos observables, lo más precisos y coherentes posible, para obtener una conclusión general que englobe los casos particulares. Es el método que empleó Kepler para resumir en sus tres leyes los datos sobre el movimiento de Marte observados por Brahe. El método deductivo de Descartes consiste en establecer unos postulados iniciales y deducir de él las consecuencias que debían cumplirse. Es el método por el cual se deduce, por ejemplo, la existencia de una estrella de neutrones no observable por el efecto gravitatorio que produce sobre otra estrella que sí que es observable. Respecto al método de la falsación de hipótesis de Karl Popper, ya ha sido expuesto en el apartado anterior. Para explicar cómo, en realidad, es la combinación de los tres métodos lo que hace progresar la ciencia puede establecerse el siguiente esquema de evolución de un problema científico: 1. Descubrimiento del problema. Normalmente debido a una observación de un hecho en la naturaleza o simplemente por toma de conciencia de una situación. 2. Planteo preciso del problema. Acotarlo de manera que lo relevante quede claro y lo superfluo o despreciable también. 3. Tentativa de solución del problema. Inducir una idea que englobe los datos, deducir una teoría que explique los datos, y hacer una hipótesis contrastable que, por tanto, pueda refutarse.

FÍSICA Y QUÍMICA 1

4. Obtención de una solución (exacta o aproximada) del problema con ayuda del instrumental empírico o conceptual disponible. 5. Investigación de las consecuencias de la solución obtenida. Si se trata de una teoría, búsqueda de predicciones que sean refutables. 6. Puesta a prueba (falsación) de la solución: confrontación de esta con la totalidad de las teorías y de la información empírica disponible. 7. Corrección de las hipótesis, teorías, leyes o conceptos empleados en la obtención de la solución incorrecta. Este es un sistema de retroalimentación por el cual el final es a la vez el comienzo de un nuevo ciclo de ajuste de la hipótesis a la realidad que intenta explorar. El resultado de un problema científico resuelto de esta manera es un modelo de la naturaleza. El ajuste matemático de este modelo mediante teoremas y leyes da lugar a teorías científicas. Y cada rama de la ciencia contiene un conjunto de teorías en que basarse. Además, el método científico, en su práctica típica de laboratorio, incluye una serie de aspectos empíricos y racionales: „„

Aspectos empíricos −− El objeto de observación y experimentación. Es la realidad objetiva independiente. Por ejemplo, un mineral amarillo brillante.

−− El sujeto observador y experimentador. Es el intérprete y formador de modelos explicativos. Por ejemplo, «¿Podría ser pirita?»

−− Circunstancias que hacen posible la observación y la experimentación. Por ejemplo, una mina cercana.

−− Instrumentos de medida disponibles. Por ejemplo, medidas de dureza o densidad.

−− Conceptos y prejuicios previos al ensayo. Por ejemplo, la mina era de oro. „„

Aspectos racionales −− La formulación de hipótesis: en el caso del mineral del ejemplo anterior, se observaría si al quemarlo desprende vapores de azufre. −− El lenguaje propio de cada ciencia: la composición del mineral era sulfato férrico. −− Formas de razonamiento: no presenta contradicciones; es soluble en ácido sulfúrico, por ejemplo.

Las construcciones empírico-racionales son lo que en ciencias conocemos como hipótesis, leyes, teorías y modelos. En cualquier caso, el objetivo que pretenden es explicar el comportamiento de la naturaleza.

15

16

TEMARIO

3.2. UN EJEMPLO DEL PROCESO DE DESARROLLO DE LA CIENCIA: EL CONCEPTO DE TRAYECTORIA EN MOMENTOS CLAVES DE LA CIENCIA Actualmente se enseña que trayectoria es la línea que une todos los puntos por los que pasa un móvil. Por tanto, para saber la posición de estos puntos hay que establecer un sistema de referencia, una forma de medir posiciones y tal vez tiempos. Los griegos contemporáneos de Ptolomeo miraban al cielo desde una Tierra que tal vez creían plana y quieta, o plana y móvil, o esférica e inmóvil. Pero cuando miraban al cielo veían círculos. Algunos cuerpos celestes observables sin más aparato de observación que el ojo describían trayectorias que parecían circulares. Eso, unido a la idealización de la belleza y lo simple, condujo a Ptolomeo a proponer la trayectoria circular como la base de explicación de todo lo que era observable al mirar al cielo. Como algunos planetas claramente no seguían esta trayectoria a lo largo del tiempo, inventó epiciclos, esto es, círculos que giraban centrados en la línea de otros círculos de manera que no hubiera que cambiar la hipótesis inicial: el movimiento circular como base del de los planetas. La vigencia de tales ideas duró muchos siglos. Cuando se dispuso del telescopio y las herramientas matemáticas adecuadas, Kepler sustituyó esa hipótesis por la de órbitas elípticas. La trayectoria que describen los planetas alrededor del Sol es elíptica. Tal hipótesis fue la más exacta disponible durante tres siglos. En 1905 Einstein redefine el concepto de trayectoria para el movimiento estelar teniendo en cuenta conceptos antiguos pero a la luz de una nueva visión: la de la teoría general de la relatividad. Ahora tal trayectoria se define en un espacio que es curvo. La hipótesis relativista para la trayectoria de los astros es, de momento lo mejor que puede ofrecer la ciencia a este respecto. En cualquier caso, se está suponiendo que el objeto que se mueve tiene una posición que va variando con el tiempo y que tales «realidades» son medibles. Está claro qué es una trayectoria y más o menos claro cómo puede definirse: en móviles pequeños, lentos o rápidos y a distancias pequeñas o astronómicas. Eso se tiene como paradigma hasta aproximadamente 1930. Pero si se intenta aplicar este concepto de trayectoria al movimiento del electrón, todo queda un poco descuadrado. Cuando Mullikan establece la carga y la masa del electrón y Rutherford expone su teoría atómica, aparecen las similitudes entre un sistema planetario, con los planetas girando alrededor del sol, y un átomo, con los electrones girando alrededor de un núcleo. Incluso Bohr intenta mantener tales ideas en su modelo atómico estableciendo círculos concéntricos de posiciones estables. Según su modelo, los electrones están girando alrededor del núcleo del átomo de hidrógeno a diversos radios. Pero sólo algunos radios son posibles. Esto no es lógico, pero es un hecho experimental deducible del espectro del hidrógeno. Tampoco es lógico el conjunto

FÍSICA Y QUÍMICA 1

de líneas espectrales que empiezan a estar disponibles al mejorar los aparatos de medidas. La solución final es muy drástica: el concepto de trayectoria ha de ser sustituido por el de orbital, y el de posición por una función de probabilidad. Un orbital es la porción de espacio alrededor del núcleo en que existe alguna probabilidad de encontrar un electrón. La necesidad de establecer conceptos en términos de probabilidades es la clave de la física cuántica. Como no es posible idear ninguna forma de saber la posición y la velocidad de un electrón simultáneamente y con precisión, el concepto de trayectoria no existe en este ámbito. Y si se intenta forzar tal idea, aparecen obstáculos insalvables. Un ejemplo que entienden muy bien los químicos es el de la forma del orbital p, con dos lóbulos centrados en el núcleo y dirigiéndose hacia un eje. Pues bien, tal orbital representa la probabilidades de que el electrón esté en esa porción de espacio. Cierta probabilidad a un lado del núcleo, y cierta probabilidad simétrica al otro lado del núcleo. Y cero probabilidad entre medios. Si uno apela al concepto de trayectoria para el electrón, ¿cómo pasa de un lado a otro del núcleo sin pasar por los puntos intermedios? Esta pregunta carece de sentido dentro del modelo cuántico porque la trayectoria no es un observable del sistema: no tiene sentido preguntar por algo que no se puede medir. Y tales posiciones no son medibles. La ciencia funciona a pesar de tales paradojas, y sale muy enriquecida conceptualmente por la adaptación a la presencia de una realidad objetiva que está ahí para refutar o asentar las ideas. Hay datos que por sí mismos tienen que implicar concepciones casi increíbles. Piénsese si no en que un electrón recorre 30.000 kilómetros por segundo en una porción de espacio ínfima. Vemos, con todos estos ajustes y adecuaciones de la idea de trayectoria, que algunos conceptos en física pueden prestarse a un conjunto de interpretaciones muy distintas. La historia ha ido sonsacando ideas mejoradas con la colaboración de multitud de personas que se han cuestionado siempre si era posible una explicación mejor.

17

18

TEMARIO

4 LOS CIENTÍFICOS Y SUS CONDICIONAMIENTOS SOCIALES Los conocimientos científicos conllevan la solución de ciertos problemas aparentemente neutrales, pero la tecnología que se deriva tiene consecuencias para el grupo social o país que lo dispone y para el planeta como sistema biológico compartido. La ciencia marca diferencias entre los pueblos, más que la literatura o el arte. El componente militar de la ciencia ha sido tan determinante como para decidir el destino del mundo. La carrera por la bomba atómica a finales de la segunda guerra mundial es la prueba más palpable. Todo esto es el resultado de la institucionalización de la ciencia por los Estados. Comenzó en el Renacimiento, pero no se hizo patente hasta que las aplicaciones tecnológicas de la ciencia fueron más importantes que la propia ciencia. Thomas Edison es probablemente el que mejor represente el momento en que la ciencia cede el paso a la tecnología como fuente de riqueza económica. Hasta entonces, los científicos investigaban, publicaban o daban conferencias en su entorno académico sin prestar especial atención al resultado aplicable de las ideas: las patentes. El avance de la ciencia es un proceso no neutral. En la actualidad se puede ver cómo junto a beneficios indudables conseguidos por las aplicaciones tecnológicas de la ciencia, como en sanidad o nutrición, el desarrollo tecnológico implica también consecuencias adversas para la humanidad, como la contaminación o la pérdida de diversidad biológica. Por otra parte, la ciencia tiene implicaciones filosóficas que pueden alterar los valores éticos sobre la vida o la reproducción. Así, por ejemplo, en la historia de la ciencia son destacables los problemas de Galileo con la Inquisición por afirmar que la tierra se movía. O los de Miguel Servet por experimentar con cadáveres para descubrir la circulación de la sangre. Aun así la situación contraria tampoco es la mejor posible: la libertad total para experimentar con seres humanos, por ejemplo, no es una meta deseable. El equilibrio entre los extremos es lo mejor que ofrece el conocimiento de la historia. Algún control social debe existir sobre lo que puede ser objeto de investigación. Algunos motivos para justificar ese control social serían: „„

Motivos ecológicos: la ciencia y especialmente la técnica alteran la relación del hombre con la naturaleza, y ponen en peligro el equilibrio global.

„„

Motivos sociales: la ciencia fomenta la diferencia entre los países.

„„

Motivos económicos: el desarrollo científico consume actualmente elevados recursos que son difícilmente financiables por particulares, y por lo general son los gobiernos los que sufragan la mayor parte de los costes del proceso.

La ciencia que está financiada por la colectividad se encamina a satisfacer necesidades sociales. O al menos a ser controlada estatalmente. En España, en la actualidad, el desarrollo científico está bastante controlado mediante planes concretos de investigación. La Comisión Interministerial de Ciencia

FÍSICA Y QUÍMICA 1

y Tecnología establece los Planes Nacionales de Investigación. Actualmente está vigente el Plan Nacional de I+D+I 2017-2020. Es el plan de investigación, desarrollo e innovación que aspira a promocionar las ramas de la ciencia con más futuro tecnológico. Por otra parte, un Plan Sectorial de Promoción General del Conocimiento pretende evitar que los campos que no son tan atractivos para las nuevas tecnologías queden sin presupuesto. Programas punteros en la actualidad tienen que ver con nanotecnología, porque son aplicables tanto a las telecomunicaciones como a la biotecnología, las otras dos ramas que más se están desarrollando en la actualidad por promoción institucional. En el ámbito de la Unión Europea existen múltiples programas plurinacionales de investigación orientados a abordar los principales retos tecnológicos de Europa en un futuro próximo, y a escala mundial, tales como el Centro Europeo de Investigación Nuclear en Suiza o la Plataforma Espacial Europea. Además de los organismos oficiales, grupos industriales con suficientes recursos promueven investigación para su propio beneficio. La tecnología así obtenida no debería estar fuera del control social. Pero en un mundo tan dividido es difícil establecer normas válidas para todos. Y mucho más difícil hacerlas cumplir. Además del control sobre la investigación científica, la sociedad ha tomado también conciencia de la necesidad de controlar las consecuencias en un mundo globalizado. Han surgido comités de expertos dedicados al estudio, desde un punto de vista ético, de las consecuencias de determinadas tecnologías. Son especialmente relevantes las limitaciones internacionales a los experimentos de manipulación genética en humanos, los comités sobre seguridad nuclear y los acuerdos sobre no proliferación de armas atómicas, químicas, y biológicas. En cuanto a estrategias medioambientales, son clásicas las reuniones de Río de Janeiro y los acuerdos de Kioto. Normalmente, el resultado de tales reuniones de expertos consiste en una serie de directrices que cada Estado asume como mejor cree.

19

20

TEMARIO

5 LAS ACTITUDES CIENTÍFICAS EN LA VIDA COTIDIANA La vida cotidiana la constituyen fundamentalmente personas que no son científicas pero que utilizan los recursos tecnológicos que la ciencia les brinda. Gracias al historial de éxitos acumulados por la ciencia, gran parte de la fe que hasta hace apenas una generación se tenía en la Iglesia, ahora ha pasado a manos de la ciencia. La sociedad actual está más tecnificada y tiene más acceso a los conocimientos científicos que nunca, pero a veces se utilizan mal estos recursos. En ciencia lo importante no es lo que se crea, sino el método por el que se decide lo que se va a creer, o sea, el método hipotético deductivo. La vida cotidiana puede estar llena de consultas al horóscopo o visitas a la herboristería, pero para saber si llueve se consulta el pronóstico del tiempo, y en caso de enfermedad seria se va al hospital. Ahí es donde se demuestra el calado de las actitudes científicas en la vida cotidiana. La relación causa-efecto, como base de la ciencia, es lo que mejor se entiende. A lo largo de la historia, los científicos han sido una minoría que ha actuado de forma poco coordinada y sin un referente común claro. Fue con la Royal Society de Londres y los famosos discursos de Faraday, Maxwell y Davis cuando la divulgación de la ciencia empezó a cobrar más fuerza. El compromiso de los científicos ingleses en los siglos XVIII y XIX con la divulgación de las ideas es algo fruto del momento que se vivía y que nunca antes había sido posible ni imaginable. Tras la revolución francesa, en toda Europa aparecen simultáneamente las sociedades de científicos y las especializaciones en las universidades. Aparece un caudal enorme de conocimientos nuevos y de personas curiosas dispuestas a dedicar su vida a la investigación más pura. A la vez, la ciencia se vuelve hacia la sociedad ofreciéndole aparatos que no entienden pero que funcionan. Es el momento de la revolución industrial. El momento actual es el de la revolución digital. Las universidades de todo el mundo han diseccionado los conocimientos en especialidades cada vez más estrechas, porque es la única forma de hacer abarcable un conocimiento que cada vez se hace más amplio e inabordable. Llevamos apenas 50 años de era digital y las herramientas de comunicaciones son cada vez más amplias. La fusión de los campos de conocimiento permitirá abordar nuevos problemas cuya repercusión en la vida cotidiana puede ser global. Tales son los grupos interdisciplinares que estudian el clima, las fuentes energéticas o el proteonoma. Las capacidades de cálculo que requieren estos nuevos problemas de la ciencia sólo ahora pueden empezar a ser planteadas. Y las posibles repercusiones sociales parecen enormes y crean gran expectación.