La Física de Aristóteles: Un Modelo de Orden Lógico

La física de Aristóteles buscaba construir un modelo del universo en el que imperara un orden lógico. Su concepción del cosmos se integró en un sistema ordenado y con una lógica interna. Sus características principales eran:

• Finito: Para Aristóteles, lo infinito era sinónimo de incompleto, y todo lo que no está completo carece de un orden perfecto. Por tanto, el cosmos es finito.
• Eterno: El cosmos no podía tener un origen temporal, no podía provenir de la nada, lo cual consideraba imposible.
• Pleno: No existía el vacío. El vacío era el no-ser absoluto y, según su lógica, el no-ser no es, no puede existir. El universo está, por tanto, lleno de materia.
• Geocéntrico y Geoestático: En el centro del cosmos se encuentra la Tierra, inmóvil. Alrededor de ella giran todos los cuerpos celestes.
• Dotado de Movimiento: El cosmos posee un orden dinámico, donde todo cambio es un proceso por el que se actualiza una potencialidad de aquello que cambia.
• Dividido en Dos Regiones: El cosmos se divide en un orbe sublunar y otro supralunar. El primero abarca desde el centro hasta la esfera de la Luna. El segundo va desde la esfera de la Luna hasta las estrellas fijas. Estas regiones tenían leyes y elementos distintos: en el orbe sublunar, los elementos eran agua, aire, fuego y tierra, con movimientos ‘arriba y abajo’; en el orbe supralunar, el elemento era el éter, con movimientos circulares.

La Astronomía de Ptolomeo: Relacionando Lógica y Observación

En el siglo III d.C., Ptolomeo trató de relacionar la perfección lógica del modelo aristotélico con los hechos observables. Desarrolló un modelo astronómico que incluía cálculos precisos de las posiciones y velocidades de los astros en el firmamento. Su libro, Almagesto (que significa ‘investigaciones’), contiene el catálogo estelar más completo de la antigüedad y su teoría matemática de los movimientos del Sol, la Luna y los planetas. Ptolomeo se alejó de sus maestros, pues fue un empirista.

El universo que concibió y describió Ptolomeo era geocéntrico, pero las órbitas que seguían los cuerpos celestes no tenían su centro en la Tierra, sino que eran excéntricas respecto a ella. Los planetas no giraban directamente en estas órbitas circulares, sino que lo hacían en otras órbitas que giraban sobre las primeras. Los elementos básicos del universo ptolemaico son:

• Epiciclos: Son las órbitas en las que giran los planetas y sirven para explicar sus variaciones de velocidad y dirección.
• Deferentes: Son las órbitas en las que giran los epiciclos.
• Ecuante: Es el punto respecto del cual el movimiento del planeta permanece constante a lo largo de su trayectoria.

El modelo del universo propuesto por Ptolomeo constituye la obra de astronomía más grande de la antigüedad.

Características de la Cosmovisión Aristotélico-Ptolemaica

Esta cosmovisión, que dominó el pensamiento occidental durante siglos, presentaba las siguientes características:

• Organicismo: El universo sigue el patrón de un organismo vivo. Cada una de las partes del universo cumple una función y está vinculada con el resto.
• Finalismo: En todos los cambios naturales existe una causa final. En el orbe sublunar, los movimientos naturales tienen como objetivo que cada ser recupere el lugar que le corresponde en el universo. En el orbe supralunar, cada astro se mueve para lograr la perfección de la que goza el astro superior.
• Antropocentrismo: El geocentrismo de esta cosmovisión es una forma de antropocentrismo. La Tierra está en el centro del universo. Los pensadores medievales compartían la visión del cosmos ofrecida por Aristóteles, uniéndola a su defensa del creacionismo cristiano, que coloca al ser humano en el centro de la Creación divina.
• Heterogeneidad: El cosmos aristotélico no es un universo en el sentido de unidad, sino un ‘diverso’, puesto que no hay una unidad en él, sino diversidad de regiones, sustancias y movimientos naturales. El cosmos está dividido en dos regiones completamente diferentes.

El Modelo Heliocéntrico: La Revolución Copernicana

Nicolás Copérnico publicó en 1543 Sobre la revolución de los orbes celestes, obra que se convertiría en la propuesta definitiva de un modelo heliocéntrico del universo.

Estas son las características del universo Copernicano:

• El Sol permanece estático y situado en el centro.
• Alrededor de él giran los planetas.
• La Luna gira alrededor de la Tierra con un periodo de 28 días.
• Las órbitas de los planetas son circulares y se precisa de las órbitas excéntricas, los deferentes y los epiciclos para dar cuenta de las posiciones de los planetas.
• La Tierra experimenta tres movimientos: rotación alrededor de su eje, traslación alrededor del Sol y oscilación de su inclinación respecto del plano de la elíptica.

Pronto surgieron muchas objeciones a esta propuesta. Entre ellas, destacan dos de especial relevancia:

• El movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol debería permitir apreciar diferencias de brillo y tamaño en las estrellas.
• La caída de los cuerpos hacia la Tierra no se puede explicar si esta sale de su posición central en el universo y gira alrededor del Sol.

El desplazamiento de la Tierra de su posición central cambió la concepción general del mundo y del papel del ser humano, que a partir de este momento ya no gozaría de la posición privilegiada que le asignaba el modelo geocéntrico.

Las Aportaciones de Kepler y Galileo: Consolidando el Heliocentrismo

Johannes Kepler y el Fin de la Circularidad

Johannes Kepler fue el responsable de acabar con el llamado «hechizo de circularidad» que establecía que la forma geométrica perfecta era el círculo y que los cuerpos celestes, al ser perfectos, debían describir movimientos circulares en sus órbitas. Kepler se empeñó en ofrecer una explicación del movimiento planetario que encajara a la perfección con los datos empíricos. Se convirtió en el primero en dar importancia a la observación sobre las ideas metafísicas. La solución de Kepler está recogida en las tres leyes que llevan su nombre. La primera de ellas es que sustituye las órbitas circulares por elípticas. Artificios como los epiciclos o deferentes se vuelven innecesarios.

Galileo Galilei y el Soporte Físico

La aportación de Galileo Galilei consistió en proporcionar un soporte físico a la astronomía copernicana. Desarrolló un programa que se apoyaba en los siguientes puntos:

• Limitar el campo de observación solo a aquellas preguntas cuyas respuestas eran comprobables por medio de la experiencia sensible.
• Tomar en consideración las propiedades que pueden ser tratadas matemáticamente.
• Diseñar y perfeccionar instrumentos útiles para mejorar las observaciones, como el telescopio.
• Elaborar argumentos que pongan en evidencia los errores del modelo geocéntrico.

El uso del telescopio le permitió ver los cráteres en la superficie lunar y las manchas solares. Ambas observaciones contradecían la tesis aristotélica sobre la perfección de los cuerpos celestes. Observó la existencia de satélites girando alrededor de Júpiter. Observó que Venus atravesaba por fases y variaba de tamaño. La labor de Galileo consistió en socavar los fundamentos de la cosmología aristotélica.

La Física de Newton: La Culminación de la Ciencia Moderna

La publicación en 1687 de la obra de Newton, Principios matemáticos de filosofía natural, constituyó la culminación de todo el proceso que se inició con Copérnico: el nacimiento de la ciencia moderna. El físico inglés expuso en esta obra la base de la mecánica clásica y formuló las tres leyes de la dinámica:

• La ley de la inercia.
• La ley de la fuerza.
• La ley de la acción y reacción.

El propio Newton estableció la ley de la gravitación universal, que permitió unificar la mecánica terrestre y la celeste. Newton descubrió que una única ley gobernaba el movimiento de todos los cuerpos. La física newtoniana constituye el mejor ejemplo de paradigma científico. Newton sostenía que la fuerza gravitacional serviría para explicar fenómenos magnéticos, eléctricos, ópticos e incluso fisiológicos. Tenía un carácter corpuscular y postulaba un espacio y tiempo absolutos.

Características del Modelo Mecanicista

El modelo mecanicista, impulsado por Newton, se define por:

• Mecanicismo: El universo entero está compuesto por corpúsculos de materia que se mueven conforme a leyes deterministas que pueden ser expresadas matemáticamente. El mecanicismo se opone frontalmente al finalismo del modelo aristotélico.
• Determinismo: Es una consecuencia directa del mecanicismo y fue expresado con claridad por el astrónomo Laplace. Si todo fenómeno físico está sujeto a leyes causales, sería posible conocer con precisión cualquier estado de cosas pasado o futuro.
• Matematización: Sostiene que las matemáticas son el medio válido para conocer la naturaleza. Esta apuesta metodológica llega al punto de restar valor a todas aquellas cualidades de la naturaleza que no puedan ser expresadas matemáticamente.
• Homogeneidad: Los científicos se inspiraron en la idea de que la naturaleza se rige por dos principios:
  • Simplicidad: La naturaleza nunca se excede en causas superfluas, prefiriendo la explicación simple.
  • Uniformidad: Establece que a los mismos efectos deben corresponder las mismas causas.
  La combinación de ambos principios permitió que Newton formulara su ley de la gravitación universal.
• Rechazo del Antropocentrismo: En el modelo heliocéntrico, cuyos confines se encuentran incalculablemente lejos, la sensación de pequeñez e insignificancia del ser humano asalta con fuerza a aquellos que abrazan la propuesta copernicana.

Este físico inglés fue el primero en establecer una teoría unificada del universo apoyada en la matemática. El método racionalista de Newton se traduce en una nueva forma de hacer ciencia.

La Crisis de la Mecánica Clásica

A finales del siglo XIX y principios del XX, surgieron fenómenos que la mecánica clásica no podía explicar:

• En la termodinámica se comprobó que nunca se puede transformar íntegramente una cantidad determinada de energía térmica en energía mecánica. Esto llevó al principio de entropía, que apunta hacia un desorden creciente e irreversible en el universo.
• En la óptica se realizaron experimentos que mostraban a la luz comportándose como una onda.
• En cuanto a la electricidad y el magnetismo, Maxwell desarrolló su teoría del campo electromagnético, donde la fuerza actúa en una dirección distinta a la recta que une los dos cuerpos.

Paradigmas Propuestos para Reemplazar la Mecánica Clásica

Estos son los paradigmas propuestos para reemplazar a la mecánica clásica:

• La teoría de la relatividad de Einstein fue especialmente fructífera en lo referido a velocidades y magnitudes astronómicas.
• La mecánica cuántica se centró en el estudio de los fenómenos microscópicos (mundo heterogéneo).

La Teoría de la Relatividad

Albert Einstein presentó la primera versión de su teoría de la relatividad especial en 1905. Se basa en dos ideas:

• El espacio y el tiempo son magnitudes relativas.
• La luz se propaga en el vacío a una velocidad constante e independiente del estado en el que se encuentra el cuerpo que la emite.

Toda medición que hagamos de la velocidad de la luz dará siempre el mismo valor. Esta característica especial de la luz lleva a conclusiones que se oponen al sentido común y que se pueden probar, como que a grandes velocidades, la masa de un cuerpo aumenta, el tiempo se dilata o los objetos se acortan. En la segunda versión de la teoría de la relatividad, Einstein afirmó que el campo gravitatorio se considera como una deformación del espacio que se vuelve curvo.

La Mecánica Cuántica

El físico alemán Max Planck descubrió que la materia no absorbe ni emite energía de forma continua, sino discontinua, en forma de paquetes denominados cuantos. Su teoría fue de gran ayuda para comprender el comportamiento de las partículas subatómicas. Sobre la base de la teoría cuántica, el físico danés Niels Bohr diseñó un modelo atómico que establecía unas órbitas definidas para los electrones y la posibilidad de que estos saltaran desde una órbita a otra. Los átomos absorben o emiten cantidades fijas de energía cuando sus electrones saltan de unas órbitas a otras.

Dos nuevos principios fundamentales de la física contemporánea son:

• El principio de complementariedad de Bohr sostiene que los objetos cuánticos, unas veces actúan como ondas y otras como partículas, pero nunca las dos cosas simultáneamente.
• El principio de incertidumbre del físico alemán Heisenberg establece que no es posible conocer con precisión y de manera simultánea la posición y velocidad de una partícula subatómica.

Teorías del Caos y del Big Bang

La 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 que pueda producir este sistema (el «efecto mariposa»).

La Teoría del Big Bang

La teoría del Big Bang sostiene que el universo no es una realidad estática, sino que se expande de forma ininterrumpida. Admitir la expansión del universo significa que hubo un momento en que toda la materia de la que está formado se concentró en un punto de una densidad inimaginable. Esto implica un comienzo en el tiempo y un universo dinámico.

Claves del Universo Cuántico y Relativista

La cosmovisión actual, influenciada por la física cuántica y la relatividad, presenta las siguientes características:

• Fragmentación: Las cosmovisiones anteriores descansaban sobre una teoría física única. La cosmovisión actual cuenta con teorías diferentes dependiendo del ámbito de realidad que se quiera explicar.
• Indeterminismo: El principio de incertidumbre de Heisenberg y la teoría del caos implican la imposibilidad de predecir el futuro. Las leyes ya no son deterministas, sino probabilísticas.
• Irreversibilidad: La cosmovisión aristotélica era teleológica. La cosmovisión mecanicista rechazaba esta direccionalidad y defendía el carácter reversible de cualquier proceso físico. La ley de la entropía y la teoría del caos rechazan la idea de que todos los procesos físicos sean reversibles.
• Rechazo del Conocimiento Objetivo: Las teorías contemporáneas destacan la influencia que el observador tiene sobre el fenómeno observado.