II. Cosmovisiones científicas
6. La cosmovisión aristotélica
6.1 El universo según Aristóteles
En la antigua Grecia no se conocía la ciencia experimental moderna y no se distinguía la ciencia de la filosofía, porque todavía no se había desarrollado el método científico. Las teorías de Aristóteles están ligadas a su filosofía teleológica y a su metafísica. En tiempos de Aristóteles no existían telescopios, ni ordenadores, ni naves espaciales.
La cosmovisión aristotélica ofrece una descripción coherente y bastante acertada de los fenómenos que se conocían en la antigüedad. Su éxito fue tan grande que duró casi dos mil años. Es teleológica: todo lo que existe persigue una finalidad. Incluso las cosas inanimadas tienden a alcanzar un propósito natural. En el modelo de Aristóteles, el universo puede compararse a un ser viviente formado por partes que tratan de alcanzar sus propias metas. Para Aristóteles, solo es posible entender el universo si comprendemos la causa final que persiguen todas las cosas.
6.2 Un universo geocéntrico y heterogéneo
Aristóteles, como la mayor parte de los filósofos antiguos, creía que el universo era geocéntrico. La Tierra era el centro del cosmos y a su alrededor giraban la Luna, el Sol y los demás planetas, así como las estrellas. Para Aristóteles, el universo siempre ha existido, por lo que es eterno en el tiempo.
Para explicar el movimiento de los astros, supuso que cada uno de ellos estaba engarzado a una esfera cristalina que giraba alrededor de la Tierra. La primera esfera es la de la Luna. Luego están las esferas del Sol y de los planetas. La última esfera contiene las estrellas y marca el límite del cosmos. El universo tiene un límite en el espacio, por lo que es finito. Más allá de la esfera no hay nada, ni siquiera espacio vacío.
Aristóteles creía que el universo era heterogéneo porque pensaba que estaba dividido en dos regiones bien diferenciadas. Por debajo de la esfera de la Luna se encontraba el mundo sublunar, que incluía a la Tierra. Esta zona está sujeta al cambio, a la generación y a la corrupción, ya que es una región imperfecta.
6.3 Las esferas sublunar y supralunar
La esfera sublunar está formada por los cuatro elementos de Empédocles, que son el fuego, el agua, el aire y la tierra. Cada elemento tiene su lugar natural al que tiende a regresar espontáneamente. A la tierra le corresponde estar debajo porque es el elemento más pesado. Sobre ella se coloca el agua; sobre el agua, el aire; y sobre el aire, el fuego. Si levantamos una piedra, tiende a bajar al suelo, que es su lugar natural. Esta teoría explica por qué el fuego asciende hacia arriba o por qué las burbujas en un líquido tienden a subir verticalmente.
Por encima de la Luna se encuentra el mundo supralunar, formado por el Sol, los planetas y las estrellas. En el mundo aristotélico, los astros son divinos, por eso solo se mueven en círculos, siguiendo la figura perfecta que existe. En ella no puede haber cambios; por lo tanto, todos los astros son inmutables y eternos. En la filosofía de Aristóteles, el movimiento se explica como un paso del ser en potencia al ser en acto. Aristóteles creía que el movimiento de las esferas celestes se transmitía de unas a otras, desde la esfera de las estrellas hasta la de la Luna. Este proceso necesita de un primer motor inmóvil que es el que empuja a la primera esfera y actúa como origen de toda la dinámica del cosmos.
7. El universo mecánico
7.1 El modelo Heliocéntrico
La ciencia experimental en el siglo XVII produjo un cambio en la mentalidad europea. Los descubrimientos realizados con ayuda del telescopio mostraron que Aristóteles estaba equivocado. El modelo geocéntrico fue sustituido por un nuevo paradigma: el heliocéntrico. El trabajo de científicos como Copérnico, Kepler, Galileo o Newton permitió desarrollar en muy poco tiempo una nueva visión del cosmos, distinta de la aristotélica.
Copérnico propuso un modelo heliocéntrico según el cual la Tierra gira alrededor del Sol. El uso del telescopio permitió también descubrir nuevas regiones del universo muy alejadas de la Tierra. Se entendió que el universo probablemente era ilimitado en el espacio. Frente a lo que creía Aristóteles, los científicos modernos pensaban que el cosmos había sido creado por Dios, por lo que no era eterno, sino finito en el tiempo.
7.2 Un universo determinista y homogéneo
Los científicos modernos no compartían la visión teleológica aristotélica del universo. La única causa que interesaba era la causa eficiente, que se puede descubrir mediante las leyes de la física. Con el descubrimiento de la ley de la gravedad, Newton identificó la causa eficiente de las trayectorias de los planetas. La fuerza gravitatoria le permitió explicar distintos fenómenos, como la caída de objetos en la superficie terrestre o el movimiento de los astros.
El universo newtoniano es homogéneo porque está gobernado por las mismas leyes en todas partes. El movimiento de los planetas se describe mediante fórmulas matemáticas que permiten calcular la posición de los astros con total precisión. En esta época, el universo fue a menudo comparado con un reloj. La cosmovisión de la física clásica, además de mecanicista, es determinista porque establece que el cosmos está sujeto a movimientos que se pueden predecir con exactitud.
La física clásica asume que la naturaleza es regular y ordenada, por lo que resulta posible desentrañar sus misterios y descubrir su comportamiento mediante leyes matemáticas. La búsqueda de estas leyes se guía por la idea de que, a pesar de los cambios y las transformaciones que vemos continuamente en la naturaleza, existen ciertas propiedades que se mantienen constantes y nunca cambian. Esto es lo que describen los principios de conservación. Las investigaciones llevadas a cabo en la época establecieron que existen muchas magnitudes que permanecen invariables a lo largo del tiempo. Entre ellas están algunas importantes como la masa, la energía, la carga eléctrica, el momento lineal o el momento angular.
8. La física contemporánea
8.1 Una nueva interpretación del tiempo y del espacio
La cosmovisión mecanicista entró en crisis en los primeros años del siglo XX, cuando diversos experimentos mostraban resultados que no concordaban con las predicciones de la física clásica. Para resolver las anomalías, varios científicos se vieron obligados a adoptar nuevos puntos de vista en sus investigaciones. Esto condujo a la aparición de la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.
Albert Einstein propuso la teoría de la relatividad basándose en diversos experimentos y postulados teóricos. Afirmó que la velocidad de la luz en el vacío debía tener el mismo valor para todos los observadores inerciales. Esto significaba asumir que tanto el espacio como el tiempo son relativos.
8.2 La teoría de la relatividad
La física clásica siempre había supuesto la existencia de un tiempo y un espacio absolutos. Sin embargo, la teoría de la relatividad afirma que las mediciones espaciales y temporales pueden ser distintas para distintas personas (observadores). La relatividad otorga un importante papel al observador que describe la realidad. No existe una realidad espacial y temporal objetiva en sí misma; solo podemos hablar del tiempo y del espacio relacionándolos con el punto de vista de quien mide.
La teoría de la relatividad indica que la masa y la energía son dos manifestaciones de una misma realidad (E=mc²), por lo que pueden transformarse la una en la otra.
8.3 La mecánica cuántica
Los científicos que estaban estudiando las propiedades de la radiación y de los átomos se vieron obligados a introducir un nuevo modelo explicativo. La idea de que las magnitudes naturales son continuas había sido una de las suposiciones fundamentales de la física clásica. Leibniz afirmó que «la naturaleza no da saltos» (Natura non facit saltus) y nada sucede de golpe. Esto significa que tanto la materia como la energía se consideraban continuas. Dentro del paradigma clásico, no hay ningún límite a la cantidad de materia o de energía que puede aparecer en un proceso físico.
La mecánica cuántica surgió cuando los científicos se vieron obligados a revisar esta suposición básica. Desde esta nueva forma de ver las cosas, la naturaleza sí que da saltos. Para poder explicar los fenómenos que estaban estudiando, los físicos tuvieron que suponer que la energía no es continua, sino que solo puede intercambiarse en forma de paquetes discretos. Esos paquetes de energía recibieron el nombre de cuantos (quanta), por eso el nuevo paradigma de la física se denomina mecánica cuántica.
8.4 El principio de indeterminación
La mecánica cuántica establece que es imposible conocer al mismo tiempo y con total certeza la posición y la velocidad (o más precisamente, el momento lineal) de una partícula. Esto se conoce como el principio de indeterminación o de incertidumbre de Heisenberg. Por ejemplo, cuando se estudian las propiedades de un electrón, resulta imposible determinar a la vez dónde está la partícula y cómo se mueve con precisión absoluta.
La consecuencia es que no podemos conocer la trayectoria definida del electrón en el sentido clásico. El concepto de trayectoria no puede ser empleado rigurosamente en la mecánica cuántica. La mecánica cuántica también afirma que las partículas exhiben una dualidad onda-corpúsculo, participando de un comportamiento ondulatorio. Por ello, no resulta correcto imaginar que un electrón es una especie de bolita muy pequeña que se mueve a gran velocidad siguiendo un camino definido.
8.5 El azar y el observador
Los físicos cuánticos describen el estado de una partícula, como el electrón, mediante una función de onda (Ψ). Esta función nos permite calcular la probabilidad de encontrar el electrón en un determinado punto del espacio si realizamos una medida. La mecánica cuántica solo nos permite determinar la probabilidad de que el electrón esté en cierto lugar o tenga cierta propiedad, con lo que se introduce la idea del azar intrínseco en nuestra interpretación de la realidad a nivel fundamental.
Resulta que la física cuántica es incapaz de decirnos con seguridad cuál es el estado exacto en el que se encuentra la realidad antes de medirla; todo lo que puede hacer es darnos una distribución de probabilidades. Además, el acto de la medición (la intervención del observador) produce efectos ineludibles en la realidad observada, colapsando la función de onda a un estado determinado. Esto significa que no podemos conocer la realidad»en sí mism» de forma pasiva, porque la actuación del observador modifica el sistema cuántico cuando lo estudia. El azar y la probabilidad tienen un papel destacado en la naturaleza, y el papel del experimentador resulta crucial porque modifica la realidad cuando la observa.