Física teoría clásica

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1 ¿Qué es la ciencia?


La ciencia es: Una forma de conocimiento con un método específico, hay diversidad de métodos, dependiendo de la teoría epistemológica ;en ciencia el método sirve para descubrir una explicación a los problemas planteados (esa explicación se expresa en forma de teoría o ley). Un modo de conocimiento que aspira a formular leyes mediante lenguajes rigurosos y apropiados, ayudados si es posible con el lenguajematemático. Estas leyes explican el porqué de los fenómenos que estudia. La ciencia crece a partir del conocimiento común, comienza allí donde el conocimiento común y la experiencia dejan de resolver problemas y hasta de plantearlos. La ciencia requiere: curiosidad, desconfianza por la opinión dominante y sensibilidad a la novedad. La ciencia ha de ser: Descriptiva: descripción de la naturaleza.
Explicativa: explicar las relaciones causales entre los fenómenos (mediante teorías). Predictiva: predecir lo que ocurrirá para así controlar la naturaleza.

Los objetivos de la ciencia

Explicar un fenómeno es reducirlo a sus causas, explicar es establecer relaciones entre los fenómenos. Según el filósofo ErnestNagel, no todos los fenómenos necesitan las mismas explicaciones. Por ello, clasificó las explicaciones científicas en cuatro tipos: Explicación deductiva. Si se usan leyes generales se derivan casos particulares. Se da fundamentalmente en física, matemáticas y lógica. Explicación probabilística

Si se usan leyes probables, se derivan casos probables. Se da fundamentalmente sobre todo en las ciencias humanas (sociología, psicología…) y en la medicina. Ej: leyes genéticas de Mendel o el Principio de incertidumbre de Heisenberg. Explicación teleológica: cuando se interroga por la finalidad de algún fenómeno. Se da fundamentalmente en historia. Ej: migración de las aves. Explicación genética: explicar un fenómeno mostrando sus orígenes. Se da fundamentalmente en historia, ciencias naturales… Ej. El homo sapiens sapiens procede del homo sapiens. Predicción

Si se es capaz de explicar un fenómeno se puede predecir, no nos referimos a la predicción del saber popular, o a la adivinación; la predicción científica está basada en teorías y datos. Es condicional, ya que predice que si se dan ciertas circunstancias y si se cumplen ciertas leyes, entonces se producirá un fenómeno determinado. La predicción es meramente probabilística en el caso de las Ciencias humanas, debido a la complejidad del objeto de estudio: el ser humano. Tipos de predicción: Reconstrucciones en sentido estricto: se predice lo que sucedíó en un pasado que no conocemos. Extrapolaciones, más allá de los datos disponibles se predice lo que sucederá. Interpolaciones, suponer que ocurríó entre dos ámbitos conocidos. Comprensión

Este objetivo es propio de las Ciencias humanas, consiste en interpretar el significado de lo que ocurre, teniendo en cuenta el contexto y otros factores o variables que intervengan en el fenómeno estudiado.

Clasificación y origen de las ciencias

Ciencias empíricas o factuales: Sus enunciados1 se refieren a hechos: afirman o niegan algo que sucede en el mundo. Cienciasformales

Sus enunciados no afirman ni niegan nada acerca de lo que sucede en el mundo. La verdad o falsedad de sus enunciados no depende de su contraste con la realidad, sino de que sigan los principios, normas o reglas establecidas por estas ciencias (esto se denomina coherenciainterna). Son: Lógica y Matemáticas.

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Expuesto principalmente en el libro de POPPER:
Conjeturas y refutaciones. El falsacionismo se basa en la idea de que, aunque no podamos verificar o confirmar leyes o teorías científicas de forma indiscutible, sí es posible afirmardefinitivamente su falsedad (de ahí el nombre de falsacionismo) de modo concluyente. El falsacionismo ofrece una explicación del progreso científico y sirve como criterio de demarcación para distinguir qué debemos entender por ciencia, y qué no.

La explicación del progreso científico

La ciencia comienza con el planteamiento de un problema. La labor del científico consiste, inicialmente, en proponer hipótesis (conjetura para Popper) que puedan servir para explicarlo. En el momento en que se formula una conjetura, toda la comunidad debe buscar un ejemplo que pruebe que es falsa. Mientras nadie lo encuentre, la conjetura será aceptada como válida (corroborada o confirmada). Pero, en el momento en que se halle un hecho que la contradiga, deberá ser rechazada (falsada o refutada). No será válida la teoría que intente ser salvada de la refutación con una hipótesis ad hoc


son hipótesis que el científico añade después, al encontrar un problema que la ciencia no puede responder añade una solución distinta a la dada en la hipótesis (sin que se pueda comprobar empíricamente). Ejemplo: «Todos los hombres tienen dos brazos, excepto el que observé en el lugar X». Así, la comunidad científica se encontrará nuevamente ante el problema que exigirá la formulación de una nueva conjetura. La nueva conjetura deberá ser mejor que la anterior, puesto que tendrá que superar todas las pruebas que pasó su predecesora y también aquella que la derribó (el hecho que se encontró y que falsó o refutó la anterior conjetura). De este modo progresa la ciencia. El criterio de demarcación. Las teorías científicas deben de ser falsables, es decir, debe haber al menos un estado de cosas posibles que, en caso de ser real, haría falsa la teoría. Sin embargo, las pseudociencias suelen realizar afirmaciones de carácter general empleando un lenguaje que las hace parecer científicas, pero sus afirmaciones no son falsables porque no excluyen ninguna posibilidad. Por eso, precisamente, pasan por científicas sin serlo. Ej. Cuando el astrólogo (que no astrónomo) nos dice que si hoy jugamos a las cartas podemos tener suerte, nos está diciendo algo que será verdadero tanto si jugamos como si no. Si jugamos, acertará tanto si tenemos suerte como si no, porque él sólo dijo que podíamos tener suerte, no que fuéramos a tenerla con seguridad. Sus predicciones se cumplirán siempre y eso lo usará tramposamente como prueba de su capacidad de predicción (cómo prueba trampa de averiguar lo que pasará en el futuro). El falsacionismo de Popper logra una explicación mejor de los problemas que conllevaba el verificacionismo (comprobar, por medio de la experiencia, que lo que establece una ley o teoría que quiere ser científica se cumple en todos los casos previstos por ella) y ofrece un criterio válido para distinguir la ciencia de lo que no lo es. Pero tiene que admitir que nunca sabremos si las leyes y las teorías científicas aceptadas son realmente verdaderas, ya que es imposible comprobar definitivamente la verdad de un enunciado universal (“todos los…”). Lo único de lo que podremos estar seguros es de que las actuales leyes y teorías científicas son mejores que las anteriores, por ello en el falsacionismo no se habla de verdad sino de verosimilitud.

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En su libro La estructura de las revoluciones científicas (1962), afirma que ni el inductivismo, ni el falsacionismo, pueden explicar satisfactoriamente el desarrollo de la ciencia tal y como ha sucedido en la historia de la ciencia. Según Kuhn la ciencia no avanza de forma continua sino mediante revoluciones, el progreso de la ciencia se explica atendiendo al esquema: Preciencia: diversa y desorganizada actividad que precede a la formación de una ciencia. Diferentes observaciones y experimentos casuales, diversas interpretaciones que provienen de la mitología, religión o de la metafísica, para intentar explicar la realidad. Ciencia normal: la comunidad científica se pone de acuerdo en la aceptación de un paradigma, por medio de éste intentarán dar explicación del mundo real. Un paradigma científico es pues, el marco teórico general que los científicos utilizan como referencia en su trabajo de investigación. Todo paradigma incluye los siguientes elementos: cosmovisión, conjunto de leyes y teorías, descripción general , enumeración y descripción del instrumental. Crisis: el paradigma es insuficiente para dar explicación de los problemas que se plantean. Hay científicos, la mayoría que trabajan para defender el paradigma viejo, y otros, la minoría, que trabajan en uno nuevo. Porque un paradigma presente anomalías no tiene que ser eliminado. Revolucióncientífica: se produce cuando hay un cambio de paradigma, entrando en un nuevo estado de ciencia normal. Ejemplo: del paradigma del geocentrismo se pasó al heliocentrismo.

4 LA NUEVA MECÁNICA (TEORÍA DE LA RELATIVIDAD Y UNIVERSO CUÁNTICO)


La nueva mecánica (mecánica de la relatividad [Einstein] y mecánica cuántica [Heisenberg, entre otros]) rechaza a nivel microscópico (de partículas) las tres tesis de la mecánica clásica, aunque la acepta a nivel macroscópico. La mecánica de la relatividad de Einstein, rechaza que el especio y el tiempo sean absolutos, ya que los considera relativos. Por su parte, la mecánica cuántica rechaza el primero y el segundo principio de la mecánica clásica, ya que la mecánica cuántica defiende la discontinuidad de la energía (Planck) y de la materia (Böhr), y el indeterminismo (Heisenberg).

El universo relativista. El problema de la luz y el Éter: El experimento de Michelson-Morley

(El experimento de Michelson y Morley )Huygens(1629-1695) afirma que la luz está compuesta de pequeñas ondas de diferentes longitudes que se propagan transversalmente (y no en línea recta, a diferencia de Newton) movidas por el Éter.
Michelson (1852-1931) y Morley(1838-1923) idearon en 1887 un experimento para comprobar la existencia del Éter. Para ilustrar mejor la naturaleza del experimento imaginemos a dos individuos, XeY, situados en la cubierta de una barco. X se encuentra en proa, e Y en popa. Hay una absoluta calma, pero la velocidad del barco al atravesar el aire provoca un viento en sentido contrario al que lleva el barco. Sabemos que el sonido consiste en ondas que se transmiten a través del aire. Por esta razón si el individuo Y grita a X tardará más en llegarle el sonido, que si X le grita algo a Y, pues en este caso el sonido va a favor del viento mientras que en el primero va en su contra. Bien, sustituyamos ahora el aire por el éter y el sonido por la luz. Al viajar la Tierra por el espacio (a una velocidad de 30 Km/s) tiene que crear un viento de éter en sentido contrario al que se mueve. Por eso un rayo de luz que vaya en ese sentido, tiene que tardar más en hacer un determinado recorrido que un rayo de luz perpendicular al movimiento de la Tierra. En 1887 Michelson realizó las mediciones con la ayuda de Morley, orientando el aparato (este aparato de medida se llamó “interferómetro”) en diversas direcciones sin observar variación alguna (el rayo de luz tarda el mismo tiempo independientemente del sentido en el que éste se desplace), a pesar de que el aparato tenía una sensibilidad más que suficiente para detectar una variación de recorrido esperada. (Esquema: Aire = éter; sonido = luz; barco = Tierra; mar = espacio). Este experimento, que fue repetido numerosas veces y en varias condiciones, llevó a la conclusión Michelson y a Morley de que, la presencia del éter era indetectable, es decir, a pesar de sus intenciones lograron demostrar que era imposible comprobar que existiera el éter: el éter no existe y eso no puede ser explicado por la mecánica clásica de Galileo y de Newton.Haría falta una nueva mecánica, una nueva física, para explicar el resultado de tal experimento, y así es como nace la nueva mecánica

: la teoría de la relatividad y la física cuántica. Teoría Especial de la Relatividad (T.E.R.) de Einstein

(Jorge Iván Zuluaga : La relatividad en la vida )

Este fenómeno inexplicable (que ponía de manifiesto el experimento de Michelson-Morley) desde la mecánica clásica, es lo que origina una nueva revolución científica (cambio de paradigmas en términos de Kuhn) que da lugar a la nueva mecánica (la mecánica de la relatividad y la mecánica cuántica). Albert Einstein (1879-1955) en 1905 en los “Anales de física” publica un artículo titulado “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, donde se ponen las ideas fundamentales de la T.E.R.

Estas ideas fundamentales de la T.E.R

son las siguientes: Si el éter es indetectable es porque el éter no existe. La velocidad de la luz en el vacío es constante en todas las direcciones, aproximadamente 300000 Km/s (c = 300000 Km/s). Efectivamente, si, por ejemplo, en sistema inercial2 que se mueve a 3000 Km/s proyectamos un rayo de luz (que viaja a 300 000 Km/s), la velocidad de la luz que percibe un observador externo (sistema de referencia no inercial) no es la suma de ambas velocidades, como podría esperarse, sino siempre de 300 000 Km/s. Por sorprendente que pudiera parecer este principio ha sido confirmado experimentalmente (basado en datos de la experiencia) de múltiples formas. No se puede superar la velocidad de la luz.El espacio y el tiempo (a diferencia de Galileo y de Newton) no son absolutos, sino relativos, ya que dependen, respectivamente, del estado de movimiento del observador y de la velocidad del sistema en el que tiene lugar la medición.Lorentz(físico holandés, 1853-1928) propuso la siguiente explicación de las aparentes paradojas con las que concluye el experimento de Michelson-Morley:
El viento del éter hace que las cosas que se mueven en su contra se contraigan ligeramente. De este modo, aunque el rayo de luz que viaja en contra del éter viaje más despacio, el recorrido que tiene que hacer es ligeramente menor, por lo que al final ambos rayos tardan lo mismo. Por supuesto esta disminución no se puede detectar por la experiencia (por los sentidos), porque cualquier instrumento usado para medirla también se contraerá en la misma proporción. Lorentz también afirmó que el tiempo se ralentizaría en un móvil en movimiento y que su masa aumentaría en proporción a la velocidad, tal como se expone en las ya famosas fórmulas de transformación de Lorentz.

FÓRMULAS DE TRANSFORMACIÓN DE LORENTZ:

Trayectoria y velocidad de la luz. El tiempo se dilata (tal y como muestran las fórmulas de transformación de Lorentz), es decir, transcurre más lento para el observador cuando aumenta su velocidad, sería nulo si alcanzase la velocidad de la luz.

Paradoja de los relojes:

un reloj en una nave espacial a 262.000 Km/s va la mitad más lento que si estuviese en reposo. Al volver a la nave el reloj marcha “bien” (para nosotros), pero el retraso acumulativo del reloj es irrecuperable. El viajero tendría la mitad de edad desde que abandonó la Tierra. Si el viajero pudiese ir a la velocidad de la luz, le veríamos llegar a la vez que se marchó, pero nunca antes (no se pude ir más allá de la velocidad de la luz).

Paradoja de los gemelos:

supongamos que estamos en una estación espacial observando a un astronauta que está viajando por el espacio a una velocidad de 250000 km/s en relación a nosotros. Al observarlo notaremos cierta lentitud en sus movimientos como si se moviera a cámara lenta. También notaremos que todo en su nave espacial parece moverse del mismo modo. Su cigarrillo durará, por ej., el doble que el de nosotros. Desde luego, parte de esta lentitud se debe al hecho de que está incrementando, muy rápidamente, la distancia que lo separa de nosotros y, a cada momento que pasa, la luz de su nave espacial tardará más tiempo en llegar a nosotros. Pero para el astronauta en cuestión somos nosotros los que nos estamos moviendo en relación a él, a una velocidad de 250000 Km/s, y encontrará también que nuestros movimientos son más lentos. Nuestro cigarrillo durará el doble que el suyo. El tiempo que nosotros mismos experimentamos y medimos es nuestro tiempo propio.El tiempo que medimos del astronauta es el tiempo relativo. Su cigarrillo durará dos veces más que el de nosotros porque su tiempo transcurre de manera dos veces más lenta que el nuestro.

(Paradoja de los gemelos en dibujos )

No se conserva la masa (a diferencia de la mecánica clásica), sino que lo que se da es el “principio de conservación de la masa-energía”, pudiéndose relacionar la masa (m) con la energía (E) a partir de la famosa fórmula de Einstein:

E = m.C

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..Fórmula que indica la conversión de la masa en energía, conlleva la caída del principio de conservación de energía (Lavoisier), abre las puertas a la Física nuclear y a la bomba atómica.

Teoría General de la Relatividad (T.G.R.) de Einstein

La teoría de la relatividad de Einstein rechaza que el espacio y el tiempo sean absolutos, ya que son relativos. Por su parte, la mecánica cuántica pone en cuestión los otros dos principios de la mecánica clásica: el principio de continuidad de la materia y el determinismo.

Max Planck: El problema del “cuerpo negro”: la naturaleza da saltos

El físico MaxPlanck en 1900 propone la hipótesis de que en los “cuerpos negros” la emisión de luz no sigue un proceso continuo, sino discontinuo. Por consiguiente, la materia emite y absorbe energía en “paquetes energéticos” discontinuos que Planck llama “quantos de energía”. Quanto de energía es la cantidad mínima de energía que no puede ser dividida (una especie de “átomo de energía”). Se establece así una nueva constante (se añade a la constante de la gravitación universal de Newton [G], a la velocidad de la luz descubierta por Einstein [c]), denominada la constante de Planck (h) o quanto de acción: h = 6’62 . 10-34 El modelo cuántico del átomo: Niels Bohr
Niels Bohr aplica en 1913, la constante de Planck para interpretar la estructura del átomo: modelo cuántico del átomo. Según Bohr, la materia a veces se comporta como corpúsculo (materia) y otras veces como onda, de ahí se obtiene lo que se denominado la dualidad onda-corpúsculo. Así se rompe el principio de continuidad de la naturaleza en la mecánica clásica en un doble sentido: A/ Discontinuidad de la energía (Planck). B/ Discontinuidad de la materia por medio de la dualidad onda-corpúsculo (Bohr).

El principio de indeterminación o de incertidumbre de Heisenberg

(Experimento de la doble rendija) En el universo subatómico (similar al microscópico) la actuación del observador interfiere y modifica los fenómenos observados (a diferencia de lo que ocurre en el universo macroscópico), ya que la luz emite fotones que modifican el estado de los electrones de un átomo, con lo que no existe ninguna observación a nivel subatómico en el que se pueda captar el estado “natural” de un electrón (podría ser algo así, al menos es como yo lo planteo, el saber que es imposible captar el comportamiento habitual de los habitantes de Gran Hermano, ya que su actuación está siempre influida por la presencia de las cámaras: los habitantes de la casa de Gran Hermano serían los electrones, y las cámaras, los fotones que emite la luz, y al igual que es necesario que existan las cámaras para que el espectador pueda observar el comportamiento de los habitantes de la casa, el científico necesita de la luz (que tiene fotones) para poder estudiar más detenidamente los electrones de los átomos).De este modo las propiedades observables en el fenómeno no pertenecen sólo al fenómeno, ya que también pertenecen a los fotones que emite la luz con la que el observador mediante un microscopio electrónico pretende observar los electrones. Así, se pierde el carácter de objetividad absoluta y de Realismo absoluto de la ciencia que defiende la física clásica, y se abre la puerta a la indeterminación, a la probabilidad y al azar, lo que llevará incluso al propio Einstein a oponerse a la mecánica cuántica, sosteniendo Einstein que: “Dios no juega a los dados con el universo:” Sin embargo, Heisenberg sí acepta estos descubrimientos de la mecánica cuántica, lo que le lleva a afirmar lo siguiente: “el objeto de la investigación científica no es la naturaleza en sí misma, sino la naturaleza sometida a la interrogación del ser humano. E incluso, Heisenberg fue más allá y formuló en 1927 su famoso principio de indeterminación o de incertidumbre que es el siguiente: “es imposible determinar con exactitud, a la vez, la posición de una partícula [electrón] y su velocidad. Lo máximo a lo que podemos aspirar es a calcular la probabilidad de encontrar un electrón en una determinada zona u órbita del átomo.” Tal probabilidad de encontrar el electrón se designa con la letra 2. De este modo se derrumba el tercer principio de la mecánica clásica, el del determinismo, ya que la nueva mecánica lo sustituye por el de indeterminismo (principio de indeterminación o de incertidumbre de Heisenberg) o por la probabilidad, como muestra el principio de indeterminación o de incertidumbre de Heisenberg.

Comparación entre la mecánica clásica y la mecánica cuántica. ¡BÁSICO!


MECÁNICA CLÁSICA (GALIELO Y Newton)


MECÁNICA CUÁNTICA

1. El espacio y el tiempo son absolutos

1.EinsteinEl espacio y el tiempo son relativos

2. La naturaleza o materia es continua, no da saltos

2. A/ Planck:
La energía es discontinua, da saltos en paquetes energéticos completos (quantos de energía y h = Constante de Planck).

B/ Bohr:
La materia es discontinua, ya que el electrón a veces se comporta como una onda y otras veces como un corpúsculo (materia): dualidad onda-corpúsculo del electrón.

3. Se da el determinismo en la naturaleza

3. Se da el indeterminismo en la naturaleza. Según Heisenberg se da el principio de incertidumbre por el cual es imposible saber al mismo tiempo la velocidad de un electrón y el lugar que ocupa. Lo máximo que podemos saber es φ
2 = la probabilidad de encontrar el electrón en una determinada zona del átomo.

4. TEORÍA DEL CAOS

La teoría del caos fue propuesta por el matemático estadounidense Edward Lorenz y sostiene que una pequeña variación en las condiciones iniciales de cualquier sistema físico puede ocasionar enormes e impredecibles diferencias en el resultado futuro que pueda producir ese sistema. Esto se conoce como efecto mariposa
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. Con el llamado efecto mariposa se hace referencia al hecho de que el simple batir de las alas de una mariposa puede provocar cambios de proporciones desorbitadas en fenómenos distantes tanto en el espacio como en el tiempo. Una consecuencia de ello es que nuestra predicciones serán válidas sólo si se realizan a muy corto plazo. El científico ruso Ilya Ptigonine ha ido aún más lejos al afirmar que ciertos sistemas de la naturaleza son capaces de producir fenómenos completamente nuevos. Algunos de estos fenómenos llegan incluso a ajustarse a leyes diferentes a aquellas a las que se ajustaban los fenómenos previos.

5. TEORÍA DEL BIG-BANG (gran explosión). Explicación de la teoría


Existen 3 pruebas que apoyan la teoría del Big-Bang (nombre dado por Fred Hoyle): El universo se expande: En 1929 Edwin Hubble logró medir la distancia a algunas galaxias cercanas. Sus datos mostraban que la mayoría de ellas se alejaban de nosotros, y lo hacían a más velocidad cuanto más lejos se encontraban, lo que implicaba que el universo entero se expande (como los lunares pintados en un globo cuando se hincha). Si el universo se hace cada vez más grande y más frío, como comprobó Hubble, entonces esto significa que si retrocedíéramos en el tiempo lo veríamos cada vez más pequeño y caliente, hasta que toda la materia apareciera comprimida en un punto diminuto. Así aparecíó la idea del Big-Bang o gran explosión de ese punto diminuto que era el origen del universo, la cual ocurríó hace aproximadamente 13500 millones de años. El efecto Doppler:
Es el aparente cambio de frecuencia de una onda sonora producida por el movimiento de un objeto respecto de un observador. Así, el tono de un sonido emitido por un objeto que se aproxima a un observador es más agudo, y menos agudo cuanto más se aleja.Existe la radiación cósmica de fondo. En 1968 Arno Penzias y Robert Wilson demostraron (mediante la astronomía de microondas) que existía una radiación cósmica de fondo en el universo, y eso era el eco luminoso del Big-Bang. El 25% de la materia del universo es helio, lo cual es una cantidad mucho mayor que la que habrían podido producir las estrellas por sí solas.

Conflictos entre ciencia y religión en torno al origen del universo

No tiene sentido preguntarse dónde y cuándo ocurríó el Big-Bang (igual que tampoco tiene sentido, para un creyente, preguntarse dónde y cuándo aparecíó Dios), ya que en el Big-Bang aparece el espacio y el tiempo. Un segundo después de la explosión (cuando el universo tenía el tamaño de un melón) las leyes de la física ya eran las mismas que ahora, por eso sabemos que el universo permanecíó a oscuras hasta pasados unos 300000 años, la materia se extendíó lo suficiente como para liberar la luz de un fogonazo que inundó todo el universo.4Algunos investigadores creyentes mantienen que, como no se sabe cuál es el origen del Big-Bang, entonces Dios ha creado el Big Bang.

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