1.1: Introducción

Imagina que no estás leyendo este libro de texto. Imagina en cambio que estás acostado boca arriba en alguna hierba suave en una cálida noche de verano, lejos de las luces de la ciudad, mirando hacia el vasto y oscuro cielo nocturno. A medida que continúas mirando las estrellas, probablemente notarías que en el transcurso de las horas todas se mueven lentamente —al unísono— en la misma dirección. Desde el hemisferio norte, siempre verás la constelación de Canis Major cerca de Orión, o la constelación del Oso Celestial flanqueada por sus siete cazadores, pero todos ellos parecerán rotar alrededor de Polaris, la Estrella del Norte. Si eres increíblemente perceptivo, sin embargo, puedes notar que no todos los puntos de luz en el cielo nocturno se mueven juntos. Algunos de ellos siguen su propio camino, deambulando por el cielo con las estrellas como telón de fondo. Los antiguos griegos los llamaban asteres planetai, es decir, estrellas errantes, que es de donde obtenemos la palabra planeta. Si tuvieras que seguir cuidadosamente el camino de un planeta en el transcurso de algunas noches, te darías cuenta de que —aunque su movimiento sea diferente al de las estrellas— está lejos de ser aleatorio. Sigue cierto camino a través del cielo nocturno. En efecto, mientras diferentes planetas siguen caminos diferentes, podrías comenzar a notar similitudes entre los movimientos de todos los planetas a medida que deambulan por los cielos. Observados desde la Tierra, todos parecen moverse en dirección este, y sus caminos están aproximadamente en el mismo plano.

Pero, ¿por qué? ¿Qué tipo de explicación podríamos dar de por qué los caminos de los planetas difieren de los de las estrellas? ¿Por qué los planetas parecen comportarse de manera muy similar entre sí? ¿Cuáles son las mejores teorías científicas que tenemos para explicar el movimiento planetario?

Probemos una explicación familiar. Esos planetas en realidad no son diferentes de la Tierra: son grandes objetos masivos, todos orbitando alrededor de un objeto mucho más masivo en el centro de nuestro sistema solar: el Sol. Isaac Newton demostró en su ley de la gravitación universal que la misma fuerza que tira de una manzana al suelo, y que provoca los caminos parabólicos de los proyectiles, también hace que planetas y lunas tomen los caminos precisos que hacen a través del espacio. La velocidad de los planetas y la fuerza de gravedad mantienen planetas como la Tierra y Marte en órbita alrededor del Sol. Desde el punto de vista de la Tierra, por lo tanto, los planetas parecen vagar por el cielo nocturno porque están siguiendo sus propios caminos elípticos alrededor de nuestro Sol cercano. En tanto, las constelaciones y posiciones de las estrellas permanecen relativamente fijas porque están muy alejadas del sistema solar, y giran juntas debido a la rotación de la Tierra sobre su eje. Esta es la respuesta que recibirías si pudieras viajar de regreso al año 1800 y pedirle a un miembro de la comunidad científica de la Royal Society de Londres, Inglaterra que te brinde sus mejores teorías científicas acordadas sobre el movimiento planetario.

Pero, ¿y si viajáramos aún más atrás en el tiempo, digamos 500 años? ¿Qué teorías aceptadas usaría un astrónomo de la Universidad de París en el año 1500 para explicar el deambular de los planetas? Un astrónomo tarde-medieval explicaría el movimiento planetario haciendo referencia a la filosofía natural aristotélica. Este conjunto de teorías dio cuenta del movimiento de los objetos al considerar los movimientos que son naturales para diferentes elementos. Se creía en ese momento que el universo está formado por dos regiones completamente distintas: la terrestre y la celestial. Se pensaba que todo en la región terrestre estaba compuesto por una cierta combinación de los cuatro elementos terrestres: tierra, agua, aire y fuego. Se creía que los elementos tierra y agua eran pesados, mientras que los elementos aire y fuego se creían ligeros.

Se pensó que cada uno de los cuatro elementos tenía una posición natural a la que está predispuesto. Para los elementos pesados, la posición natural es el centro del universo, lo que explicó por qué todo lo hecho de elementos tierra y agua tiene tendencia a caer. Por eso, ellos dirían, cuando dejas caer una roca va directo hacia abajo. Esto también sugeriría que el globo terrestre, que es predominantemente una combinación de los elementos tierra y agua, necesariamente debería estar en el centro del universo. En la región celeste, en contraste, se creía que todo, incluidos los planetas y las estrellas, estaba hecho de un elemento completamente diferente, el aether. La tendencia natural del aether es girar en un camino circular alrededor del centro del universo. Los planetas, estando entre la esfera estacionaria de la Tierra y las estrellas que giran poco a poco, siguen naturalmente sus propios caminos circulares a través del cielo nocturno, lo que explica su aparente “vagabundeo” frente a las estrellas distantes.

Cansado de todo este hipotético viaje en el tiempo, digamos que hiciste un viaje real a los Observatorios Mauna Kea en Hawai, Estados Unidos, y —después de un relajante día en la playa— pidió a un astrónomo moderno que explicara el movimiento planetario utilizando las mejores teorías científicas acordadas. El astrónomo no te daría la respuesta aristoteliano-medieval, ni te darían la respuesta newtoniana con la que quizás estés familiarizado desde clases básicas de física o astronomía. La visión aceptada hoy en día es que los caminos de los planetas, como la Tierra, se explican mejor por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, no por la ley de la gravitación universal de Newton. Hoy en día, los caminos elípticos de los planetas alrededor del sol no se toman como consecuencia de una fuerza llamada gravedad sino que se deben a que la masa de nuestro Sol dobla el tejido del espacio-tiempo mismo. Imagina una región del espacio-tiempo sin ningún objeto material. Tal región sería completamente plana. Lo que esto significa es que en un espacio así, los rayos de luz viajarían por líneas rectas, y la geometría que aprendimos en la secundaria, la geometría euclidiana, se mantendrá exactamente.

Ahora, agreguemos una estrella a esta región del espacio. Según la relatividad general, esta estrella curvará el espacio-tiempo a su alrededor, afectando el movimiento de todos los demás procesos materiales en su vecindad, incluidos los rayos de luz. El espacio ya no será exactamente descriptible por la geometría de Euclides, sino por una geometría desarrollada por el matemático alemán Herman Minkowski e incorporada por Einstein a su teoría. Esta geometría trata el tiempo como una cuarta dimensión, perpendicular a las conocidas tres dimensiones de largo, ancho y ancho, por lo que hablamos del espacio-tiempo. Ni siquiera los físicos pueden imaginarse todo esto. Pueden representar la situación usando ecuaciones matemáticas y hacer predicciones resolviéndolas. Entienden estos modelos matemáticos mediante el uso de analogías que involucran menos dimensiones. Como ejemplo de tal analogía, imaginemos una sábana estirada con una básquetbol colocada en medio de ella. El basquetbol hará un chapuzón en la sábana. La sábana bidimensional representa el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. La inmersión en la sábana en la tercera dimensión producida por la bola representa la curvatura del espacio-tiempo cuatridimensional producida por un objeto con masa, como una estrella. Ahora, hagamos rodar una pelota de tenis por la sábana. Debido a que la tela de la sábana está curvada por la básquetbol, la pelota de tenis no se moverá en línea recta, sino que tendrá una trayectoria curva a lo largo de la sábana. Parecerá como si la pelota de tenis fuera atraída por el basquetbol, mientras que de hecho se trata simplemente de seguir la curvatura de la sábana. Según la relatividad general, algo así sucede cuando una región del espacio-tiempo es curvada por un objeto masivo, como una estrella, siendo la pelota de tenis algo así como un planeta moviéndose en una trayectoria curva por el espacio cerca de la estrella.

Lo mismo ocurre con cualquier objeto con masa. La razón por la que la Luna o una nave espacial sigue girando alrededor de la Tierra es que la Tierra, como un objeto masivo, dobla el espacio-tiempo a su alrededor para capturar a la Luna en una especie de inmersión en el espacio-tiempo. De manera similar, el Sol, un objeto significativamente más masivo, dobla una región de espacio-tiempo más grande que la Tierra y captura la Tierra, los planetas y muchos otros objetos celestes en su mayor inmersión en el espacio. El grado de curvatura del espacio-tiempo alrededor de un objeto depende tanto de la masa de un objeto como de cuán comprimida esté esa masa en una pequeña región del espacio. Si algún objeto se comprime dentro de su radio Schwarzschild, llamado así por el físico alemán Karl Schwarzschild, la curvatura del espacio llegará a ser tan grande que ni siquiera los rayos de luz pueden escapar de él. Se convertirá en un agujero negro. El radio de Schwarzschild de la Tierra es de 8.7 milímetros. Si la Tierra se comprimiera de alguna manera a este diminuto radio, se convertiría en un agujero negro. Si bien en la película de Star Trek de 2009, alienígenas malévolos destruyeron así el planeta Vulcano, los astrofísicos no conocen ningún proceso natural que aplastara a un planeta a tales densidades. El único proceso natural conocido que puede aplastar un objeto dentro de su radio Schwarzschild es el colapso de una estrella masiva que ha agotado su combustible nuclear, y así es como los astrofísicos suponen que se forman agujeros negros.

Lo que esto significa es que la aparente atracción entre dos objetos materiales no es más que un movimiento inercial en un espacio curvo. Según la relatividad general, no hay fuerza de gravedad; todos los objetos materiales curvan el espacio alrededor de ellos en mayor o menor grado y esta curvatura afecta el movimiento de otros objetos materiales que pasan a estar en la vecindad, al igual que el movimiento de la pelota de tenis sobre una sábana suspendida. Tenga en cuenta que los físicos todavía usan la palabra “gravedad” como atajo para “movimiento en un espacio-tiempo curvo”. Sin embargo, estrictamente hablando, en la relatividad general, la aparente atracción gravitacional entre los objetos materiales se entiende como simplemente un movimiento en un espacio-tiempo que no es plano sino curvado por objetos materiales. La órbita elíptica de un planeta, por lo tanto, no se debe a la gravedad, sino a una combinación del impulso propio de ese planeta y la forma del espacio-tiempo doblado por la masa del Sol.

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En definitiva, las mejores teorías astronómicas de diferentes periodos históricos explicaron el movimiento de los planetas de maneras muy diferentes. ¡Pero las comunidades científicas en cualquiera de estos periodos no solo estuvieron de acuerdo en astronomía! Además de las teorías astronómicas y físicas, las comunidades científicas de cada uno de estos períodos también aceptaron una variedad de teorías sobre diferentes objetos naturales, sociales, formales y artificiales. Consideradas en conjunto, estas teorías individuales de cualquier momento histórico pueden mostrarse como un tapiz complejo y entretejido de teorías, constituyendo la mejor descripción disponible del mundo de esa comunidad histórica. Tomemos, por ejemplo, las teorías que hoy en día aceptamos. Si le preguntáramos a un científico qué teorías describen mejor al mundo, probablemente mencionarían varias teorías de la ciencia natural, como la relatividad general, la física cuántica, la cosmología del big bang, la química contemporánea, la síntesis evolutiva moderna en biología, etc. También probablemente probablemente mencionan algunas teorías de las ciencias sociales, como las de la psicología, la economía o la sociología. Además, probablemente mencionarían algunas teorías que pertenecen a la ciencia formal, entre ellas las matemáticas y la lógica. Aquí hay una instantánea de algunas de las teorías aceptadas en estos días:

Este rompecabezas entrelazado representa muchas de las mejores descripciones disponibles del mundo de esta comunidad: sus teorías aceptadas. En conjunto, llamamos mosaico a este conjunto completo de teorías aceptadas por una comunidad.

Los mosaicos cambian a través del tiempo a medida que las comunidades científicas aceptan nuevas teorías y rechazan las viejas. ^{Aquí hay una instantánea rápida de un típico mosaico newtoniano de mediados del siglo XVIII:}

Entre otras cosas, este mosaico incluía la física newtoniana con sus tres leyes de la mecánica y la ley de la gravedad, la teoría química del flogiston, e incluso la teología, el estudio de Dios y sus obras.

Por último, aquí algunas de las teorías del mosaico aristotélico-medieval:

Observe la presencia de la filosofía natural aristotélica con su teoría de cuatro elementos terrestres y uno celeste, la teología y, curiosamente, la astrología, el estudio de las influencias celestes en los asuntos terrestres.

Los mosaicos y los cambios en ellos son el foco central de este libro de texto. Para cualquier punto de la historia, el mosaico de una comunidad muestra su mejor intento de entender la realidad, en todo su dinamismo y complejidad. Este impulso para comprender la realidad es humano, lo que significa que los individuos —en sus contextos sociales e institucionales— son partes importantes de la historia de cómo ciertas teorías llegan a ser, y cómo esas teorías llegan a cambiar. Por ejemplo, para comprender mejor las teorías del movimiento planetario que esbozamos anteriormente, podríamos rastrear las historias de instituciones como la Royal Society en Inglaterra, la Universidad de París o los Observatorios Mauna Kea en Estados Unidos, o de investigadores individuales en cualquiera de esas instituciones. ¡Ciertamente se puede llegar a apreciar la historia de la ciencia al abordarla de esta manera! Pero se puede obtener un tipo diferente de apreciación por la ciencia dando un paso atrás y viendo estas teorías astronómicas como una faceta del conjunto total de las mejores teorías aceptadas por la comunidad científica de la época. Enfocarnos en los mosaicos de comunidades científicas generales nos permite obtener el “panorama general” de cómo el conocimiento científico —escrito a lo grande— ha cambiado a través del tiempo, sin excluir o sacrificar necesariamente esos datos particulares de quién estaba produciendo ese conocimiento, dónde y bajo qué circunstancias específicas.

Considerar la ciencia desde esta amplia perspectiva histórica arroja luz sobre algunas de las preguntas perennes de la filosofía de la ciencia. La filosofía de la ciencia hace preguntas que intentan aclarar exactamente qué es la ciencia, en qué se diferencia de otras actividades humanas y cómo funciona. Aprovecharemos para comprometernos con las siguientes preguntas fundamentales de la filosofía de la ciencia en la primera mitad de este libro de texto, todo el tiempo dibujando de la rica historia de la ciencia:

• Conocimiento absoluto: ¿Hay algo que podamos saber con absoluta certeza? Es decir, ¿hay teorías en el mosaico que nunca serán reemplazadas, que se establezcan más allá de toda duda razonable? (Capítulo 2)
• Método científico: ¿Cómo evalúan los científicos las teorías competidoras? ¿Cuáles son los criterios que emplean para evaluar teorías? (Capítulo 3)
• Leyes del Cambio Científico: ¿Cuál es el mecanismo del cambio científico? ¿Cómo cambian los mosaicos y sus elementos a través del tiempo? ¿Hay algún patrón en esos cambios? (Capítulo 4)
• Progreso científico: ¿Nuestras teorías se están convirtiendo en mejores descripciones de la realidad? ¿Existe tal cosa como el progreso científico? (Capítulo 5)
• Ciencia y no ciencia: ¿Cuál es la diferencia entre ciencia y no ciencia? ¿Qué diferencia las teorías científicas de las teorías no científicas y los cambios científicos de los cambios no científicos? (Capítulo 6)

Nuestra cultura está saturada de afirmaciones científicas y los resultados tecnológicos de las investigaciones científicas. Estamos acostumbrados a escuchar sobre descubrimientos científicos en los medios de comunicación populares. Las carreras requieren cada vez más un nivel de alfabetización científica, e incluso puede que sigas una carrera como científico en ejercicio. Esto es todo para decir que hablamos de “ciencia” todo el tiempo. Pero, ¿realmente nos hemos tomado el tiempo para pensar qué es la ciencia, cómo se aceptan y rechazan las teorías científicas y el grado de certeza que podemos tener sobre las afirmaciones científicas? Comprometerse con las preguntas antes mencionadas en los primeros capítulos es una oportunidad para hacer precisamente eso, mirar la ciencia desde una nueva perspectiva, con ojos frescos.

Después de haberlo hecho, trazaremos la genealogía de nuestra cosmovisión científica contemporánea examinando los mosaicos de cuatro momentos históricos clave y abordando dos preguntas históricas clave:

¿Cuál fue el contenido del mosaico en cada uno de estos cuatro momentos?

¿Cómo cambian estos mosaicos con el tiempo?

Es decir, ¿qué teorías consideró realmente esa comunidad como las mejores disponibles en cada campo/disciplina científica (astronomía, física, biología, etc.) en un periodo histórico dado y qué llevó al eventual reemplazo de esas teorías? En el capítulo 7, nos sumergiremos en la hermosa sistematicidad de la cosmovisión aristotélico-medieval, arrojando luz sobre las teorías que conformaron su cosmología, física e informaron sus prácticas médicas. En el capítulo 8, pasaremos a una cosmovisión menos conocida y subestimada en la historia de la ciencia: la cosmovisión cartesiana. Pasaremos a la cosmovisión newtoniana en el capítulo 9, con un enfoque en cómo su mosaico finalmente reemplazó a la cosmovisión cartesiana en Europa y representó el cambio final lejos de la cosmovisión aristoteliano-medieval. Por último, en el capítulo 10, consideraremos cómo la aceptación de un conjunto clave de nuevas teorías condujo al cambio de la cosmovisión científica newtoniana a la contemporánea, regresándonos al presente.

Con una mayor comprensión de la historia y filosofía de la ciencia en nuestro haber, los reuniremos a ambos en nuestro capítulo final 11. Aquí, discutiremos la metafísica de la ciencia y cómo los mosaicos dan forma a supuestos metafísicos y, concomitantemente, cosmovisiones. Adicionalmente, el capítulo 11 será una oportunidad para considerar las limitaciones de un libro de texto introductorio a un tema tan vasto, pero lo haremos dirigiéndolo a fascinantes vías de investigación adicional.