1.9: Algunas ideas desde la filosofía de la ciencia
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El objetivo de la ciencia es crear teorías que describan con precisión la realidad física. En este libro, exploramos algunas de las teorías científicas más útiles que existen. Se han probado extensamente. Sabemos que hay límites en su aplicabilidad. Esperamos que una mayor reflexión y experimentación amplíen su alcance. Esperamos que algunos elementos de estas teorías necesiten ser modificados de formas que no podemos anticipar, pero no esperamos que se invaliden los conceptos centrales.
Nos encantan las teorías porque racionalizan nuestro entorno. Esto es cierto no solo de las teorías científicas sino también de la panoplia de marcos conceptuales que utilizamos para organizar nuestros puntos de vista y respuestas a todos los problemas de la vida. Somos adictos a las teorías. No encontramos nada más desconcertante que la información que no podemos poner en un contexto coherente. En efecto, el término disonancia cognitiva ha entrado en el lenguaje para describir el sentimiento de desorientación que experimentamos cuando “las cosas simplemente no suman”.
Lógicamente, ante un hecho que contradice una de nuestras teorías, nos vemos obligados a renunciar a la teoría. No siempre somos lógicos. Un hecho que contradice una teoría de mascotas es poco probable que sea aceptado al pie de la letra. Lo desafiamos, como efectivamente deberíamos. Escudriñamos el hecho ofensivo y tratamos de convencernos de que no es ningún hecho en absoluto, simplemente un artefacto espurio. Muchas veces, por supuesto, esto demuestra ser el caso. En ocasiones concluimos que el hecho infractor es espurio cuando no lo es. Nos contusionamos con nuestras teorías. Cuando encontramos uno que nos convenga, nos resistimos a renunciar a él. Se ha observado que una teoría científica revolucionaria a menudo logra la aceptación universal solo después de que todos aquellos que crecieron con la teoría predecesora hayan muerto.
La ciencia es en última instancia una empresa social. Para desarrollar y probar teorías sobre la realidad física, los participantes de esta empresa deben estar en general de acuerdo sobre los criterios que se van a aplicar. A estos criterios se les suele llamar “la filosofía de la ciencia”. Para resumir la filosofía de la ciencia, comenzamos observando que el objetivo de la ciencia es explicar el mundo que experimentamos a través de nuestras percepciones sensoriales. Es fácil generar explicaciones putativas que tienen poco o ningún valor real. Experiencias desafortunadas con explicaciones pasadas han llevado a un amplio consenso de que las teorías científicas deben tener las siguientes propiedades:
- definiciones operacionales,
- estructura lógica,
- capacidad predictiva y comprobabilidad,
- consistencia interna, y
- consistencia con todas y cada una de las observaciones experimentales.
La teoría debe ser sobre las propiedades de algún conjunto de cosas. Por definiciones operativas, queremos decir que los sujetos de la teoría deben medirse, y la teoría debe especificar un conjunto de operaciones para realizar cada una de estas mediciones. Por estructura lógica, queremos decir que una teoría satisfactoria debe incluir reglas bien definidas para especificar cómo los sujetos de la teoría se relacionan entre sí. Por capacidad predictiva queremos decir que una teoría satisfactoria debe ser capaz de predecir los resultados de experimentos que no se han realizado. Por consistencia interna queremos decir que una teoría satisfactoria no debe permitirnos derivar lógicamente conclusiones contradictorias, lo que también significa que no debe predecir más de un resultado para ningún experimento en particular. Debido a que una teoría satisfactoria hace predicciones, también es comprobable. Es posible comprobar si las predicciones corresponden a la realidad. Requerimos que las predicciones de la teoría sean consistentes con los resultados que observamos cuando hacemos el experimento.
Los primeros cuatro de estos requisitos realmente detallan las características que debe tener una teoría para ser considerada un sujeto adecuado para la investigación científica. Sólo el último requisito habla de la cuestión tan importante de si la teoría refleja con precisión la realidad física. Nunca podremos probar que alguna teoría es cierta. Lo que podemos probar es que una teoría no cumple con uno de nuestros criterios. La ciencia progresa cuando descubrimos un defecto fatal en una teoría actualmente aceptada.
Pensemos más a qué nos referimos cuando decimos que una teoría debe ser una estructura lógica. Considera un simple silogismo clásico.
Premisa principal: Todos los perros son gatos.
Premisa menor: Todos los gatos son blancos.
Conclusión: Todos los perros son blancos.
Como estructura lógica, esto parece ser satisfactorio. Podemos representar la totalidad de su contenido en un diagrama simple (Ver Figura 1), por lo que si queremos ver este silogismo como una teoría sobre la naturaleza, su consistencia interna es más o menos evidente por sí misma. Además, visto como una teoría, hace una predicción: Todos los perros son blancos. Si tenemos definiciones operativas para “perro”, “gato” y “blanco” que se ajustan al uso habitual, podemos decir que este silogismo cumple con nuestros criterios para un sujeto adecuado para la investigación científica. Por supuesto, como espejo de la realidad, falla.
Para ver el tema de la estructura lógica desde otra perspectiva, consideremos la teoría de la evolución. Algunas personas resumen la teoría de la evolución como enseñanza de que los individuos más aptos sobreviven y definen a los sobrevivientes como aquellos individuos que están más en forma. Luego señalan que se trata de declaraciones circulares y parten de esta observación a la conclusión de que la teoría de la evolución carece de contenido real. Por lo que se puede desestimar. Ahora bien, si no tenemos la mente cerrada sobre la evolución, este análisis parece un caso de tirar al bebé con el agua del baño. Aun así, es probable que estemos problemáticos, porque la circularidad es innegable. ¿Significa esta circularidad que la teoría de la evolución es mala ciencia?
Una tautología es una afirmación que debe ser cierta. Nuestro análisis intenta reformular todo el contenido de la teoría de la evolución como un enunciado tautólogo. Si la totalidad de una teoría es una sola declaración, y esa afirmación debe ser cierta, entonces la teoría no puede ser probada. Nuestras reglas requieren que la rechacemos. Sin embargo, nuestro resumen tautólogo no logra captar la totalidad de la teoría de la evolución. Si una teoría que contiene declaraciones tautologas también hace predicciones que no son tautologas, entonces se puede probar. En el presente ejemplo, podemos predecir a partir de la teoría de la evolución que la selección de un rasgo particular a través de cualquier proceso provocará una mayor expresión de ese rasgo en las generaciones venideras. La evolución se basa en la selección natural, pero postula un mecanismo que debe ser válido para cualquier proceso de selección consistente. Predice que un agricultor que selecciona para vacas que producen más leche eventualmente obtendrá vacas que produzcan más leche. Así, los intentos de aplicar el mejoramiento selectivo son pruebas del elemento central de la teoría de la evolución, y el éxito de la cría selectiva en todos los aspectos de la agricultura verifica una predicción de la teoría.
No hay razón para oponerse a una teoría que tenga elementos tautológicos siempre y cuando el contenido de la teoría tenga sustancia real. Lo que requerimos es que las predicciones de una teoría no sean triviales. Nos oponemos cuando sustancialmente todas las supuestas predicciones de una teoría son meramente reexpresiones de sus premisas, de modo que toda la teoría es un ejercicio de verborrea.
Requerimos que las teorías científicas sean internamente consistentes. (Normalmente, no esperamos poder demostrar consistencia interna. Lo que realmente queremos decir es que descartaremos cualquier teoría que podamos demostrar que es internamente inconsistente). La presencia de declaraciones tautologas no puede hacer que una teoría sea internamente inconsistente. De hecho, podemos esperar que cualquier teoría internamente consistente tenga elementos tautológicos. Después de todo, si tratamos de definir todos los temas de una teoría, al menos algunas de nuestras definiciones serán inevitablemente circulares.
Otra forma de describir la estructura lógica de una teoría física es decir que una teoría es un modelo para alguna parte observable del mundo. Queremos que el modelo incluya cosas y reglas. Las reglas deben especificar cómo cambian las cosas del modelo. Cuando hablamos de comparar predicciones de la teoría con los resultados del experimento, nos referimos a que los cambios que ocurren en el modelo cuando aplicamos las reglas de la teoría deben ser paralelos a los cambios que ocurren en el mundo real cuando hacemos el experimento correspondiente. La idea es análoga al concepto matemático de un homomorfismo. Una definición de diccionario de un homomorfismo\({}^{3}\) es “un mapeo de un grupo matemático, anillo o espacio vectorial sobre otro de tal manera que el resultado obtenido aplicando una operación a elementos del dominio se mapea sobre el resultado de aplicar la misma operación o una operación correspondiente a sus imágenes en la gama.” Dicho de manera más pintoresca, la idea de un homomorfismo es que dos estructuras matemáticas tengan la misma forma: Si una es “colocada encima de la otra”, hay una correspondencia perfecta entre ellas. (Ver Figura 2.)
La idea de una correspondencia uno a uno entre dos estructuras puede extenderse al caso en que una estructura es una estructura lógica y la otra es una estructura física. Consideremos la estructura lógica, generalmente llamada tabla de verdad, asociada a la verdad de la proposición “la oración A es verdadera y la oración B es verdadera”. La proposición es falsa a menos que tanto A como B sean verdaderas. Ahora considere el rendimiento de un circuito eléctrico que consiste en una batería, interruptores A y B, y una bombilla, todos conectados en serie. La luz está apagada a menos que tanto A como B estén encendidas. Existe una correspondencia perfecta entre los elementos de la estructura lógica y el rendimiento del circuito. (Ver Figura 3.) De hecho, se trata de un caso especial de un paralelismo mucho más extenso. Para cualquier oración en lógica proposicional, existe un circuito correspondiente —que involucra baterías, interruptores y una bombilla— tal que la bombilla está encendida si la oración correspondiente es verdadera y apagada si la oración es falsa. Además, existe una estructura matemática, llamada álgebra booleana, que es homomórfica a la lógica proposicional y exhibe el mismo paralelismo a los circuitos. Las computadoras digitales llevan este paralelismo a estructuras de gran complejidad.
Si estiramos nuestra definición de homomorfismo para incluir comparaciones de construcciones lógicas con cosas físicas, podemos ver una teoría científica como una construcción lógica que estamos tratando de hacer homomórfica con la realidad física. Queremos que nuestra teoría se asigne a la realidad de tal manera que los cambios en el constructo lógico mapeen los cambios en la realidad física. Por supuesto, lo que queremos decir con esto es lo mismo que nos referimos anteriormente cuando dijimos que las predicciones de nuestra teoría deberían estar de acuerdo con los resultados del experimento.
Está implícito en esta visión que cualquier teoría científica describe una abstracción de la realidad. Si, por ejemplo, decimos que un sistema físico está a una temperatura particular, esta afirmación representa una aproximación en al menos dos aspectos. Primero, creemos que podemos medir la temperatura de maneras continuamente más refinadas. Si conocemos la temperatura a seis cifras significativas, esto representa una muy buena aproximación, pero creemos que la temperatura “verdadera” sólo puede expresarse utilizando indeterminablemente muchas cifras significativas. Decir que la temperatura del sistema tiene algún valor expresado a seis cifras significativas es una aproximación, aunque muy buena. Segundo, es poco probable que todas las partes de cualquier sistema real estén en realidad a la misma temperatura. Cuando decimos que un sistema físico tiene una temperatura particular, nos referimos a que cualquier diferencia de temperatura entre diferentes partes del sistema es demasiado pequeña para afectar el comportamiento en el que actualmente estamos interesados. En nuestras discusiones y deliberaciones sobre el sistema físico, reemplazamos sus propiedades reales por nuestra mejor medición. Al hacerlo, abstracemos algo que creemos que es un rasgo esencial de la realidad que realmente observamos.
También está implícita la idea de que nuestras teorías sobre la realidad están sujetas a limitaciones inevitables. En el ejemplo anterior, cualquier teoría que, por muy precisa que sea, predice la temperatura única que utilizamos para describir el sistema real es inadecuada para describir cualesquiera pequeñas variaciones que pueda haber de punto a punto dentro del mismo. Si ampliamos nuestra teoría para abarcar variaciones sobre, digamos, distancias de milímetros, entonces la teoría expandida será inadecuada para describir variaciones a una distancia menor. Cualquier teoría “perfecta” debe describir exactamente los movimientos de todas las partículas constituyentes del sistema. Esto es imposible no sólo porque entra en conflicto con las premisas básicas de la mecánica cuántica, sino también porque requiere que la teoría contenga información a un nivel de detalle igual al del propio sistema físico.
Una forma de expresar toda la misma información exactamente con el mismo nivel de detalle es tener una réplica exacta del sistema. Esta idea se ha expresado diciendo que un mapa absolutamente exacto de Oklahoma City tendría que ser tan grande como el propio Oklahoma City. Para su uso como mapa, tal cosa sería inútil. De igual manera, una teoría que predice la temperatura es útil solo si predice la temperatura que medimos (siendo la medición parte del proceso por el cual efectuamos abstracción) experimentalmente. Podemos hacer uso de múltiples teorías de un mismo fenómeno, si cada una de ellas tiene ventajas y limitaciones que reconocemos y respetamos. Vemos sin embargo, que al final, no puede haber una teoría única, que lo abarque todo. Cualquier teoría debe modelar una aproximación a la realidad. En el análisis final, la realidad es... la realidad.