1.2: Realidades atómicas y Teorías Científicas

Asumimos que tienes muchas ideas sobre los átomos pero ¿alguna vez te detuviste a pensar cómo llegamos a aceptar esta información como razonable o lo que implica la realidad de los átomos sobre cómo se comporta el mundo que percibimos? Los átomos son increíblemente e inimaginablemente pequeños. Un átomo de oro con su complemento completo de electrones es menor que un nanómetro (\(1 \times 10^{-9}\)metros) de diámetro y su núcleo, que contiene 79 protones y generalmente alrededor de 116 neutrones, tiene un radio de\(\sim 1.5 \times 10^{-14}\) metros. Si bien estos tamaños son realmente inimaginables, hay una serie de actividades basadas en la web que pueden ayudarlo a llegar a un acuerdo con las escalas de los átomos. ^[1] No hay manera de que se pueda ver un átomo con el ojo o con un microscopio óptico, aunque ahora existen técnicas que nos permiten ver representaciones informáticas de átomos individuales utilizando diversos tipos de microscopios electrónicos y de sonda de fuerza. La partícula de materia más pequeña que puedes ver a simple vista contiene más átomos que las personas en el mundo. Cada célula de tu cuerpo contiene una gran cantidad de átomos. Obviamente, todo lo que sepamos sobre los átomos se basa en evidencias indirectas; no experimentamos directamente los átomos.

La historia completa de cómo sabemos lo que sabemos sobre la existencia y estructura de los átomos es fascinante, compleja, y quizás afortunadamente para ti, demasiado larga para entrar en detalle. Lo que sí queremos hacer es considerar una serie de puntos clave que ilustren cómo nuestras ideas de átomos surgieron y han cambiado con el tiempo. Presentaremos la evidencia que ha hecho inevitable aceptar la teoría atómica si se quiere explicar y manipular las reacciones químicas y el comportamiento de la materia.

La teoría atómica es un ejemplo de una teoría científica que comenzó como especulación y, a través de las limitaciones proporcionadas por la observación cuidadosa, la experimentación y la consistencia lógica, evolucionó con el tiempo en un conjunto detallado de ideas que hacen predicciones precisas y son capaces de explicar un número creciente de diversos , y a menudo desconocidos anteriormente, fenómenos. A medida que los científicos hacían nuevas observaciones, la teoría atómica se adaptó para acomodar y organizar estas observaciones.

Una característica clave de las ideas científicas, a diferencia de otros tipos de ideas, no es si son correctas o incorrectas sino si son lógicamente coherentes y hacen predicciones inequívocas, observables y generalmente cuantitativas. Nos dicen qué buscar y predicen qué vamos a encontrar si lo miramos o medimos. Cuando miramos, podemos encontrar que el mundo actúa como se predijo o que ocurre algo diferente. Si el mundo es diferente de lo que sugieren nuestras ideas científicas entonces asumimos que nos falta algo importante: o nuestras ideas necesitan ser alteradas o quizás no estamos mirando el mundo de la manera correcta. Como veremos, los tipos de observaciones y evidencias experimentales sobre la materia se han vuelto cada vez más precisas, complejas y muchas veces abstractas, es decir, no forman parte de nuestra experiencia inmediata. Algunas de estas observaciones pueden ser bastante difíciles de entender, porque la materia se comporta de manera bastante diferente en la escala atómica y subatómica que en el mundo normal, macroscópico. Es el mundo macroscópico que los procesos evolutivos nos han adaptado para entender, o al menos hacer frente, y con el que estamos familiarizados. Sin embargo, si vamos a ser científicos, tenemos que ir a donde nos lleven los datos. Si obtenemos resultados que no son consistentes con nuestras intuiciones y teorías actuales, tenemos que revisar esas teorías en lugar de ignorar los datos.

Sin embargo, los científicos tienden a ser conservadores a la hora de revisar teorías bien establecidas porque los nuevos datos a veces pueden ser engañosos. Esta es una razón por la que se pone tanto énfasis en la reproducibilidad. Un solo informe, por muy cuidadoso que parezca, puede estar equivocado o malinterpretado y la capacidad de otros científicos para reproducir la observación o experimento es clave para su aceptación. Por ello no hay milagros en la ciencia. Aun así, el significado de una observación no siempre es obvio o inequívoco; la mayoría de las veces una observación que al principio parece ser revolucionaria resulta tener una explicación sencilla e incluso aburrida. Las observaciones verdaderamente revolucionarias son pocas y distantes entre sí. Esta es una razón por la que la cita de Carl Sagan (1934-1996), “Las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias” es citada con tanta frecuencia por los científicos. En la mayoría de los casos donde se reportan datos revolucionarios, estudios posteriores revelan que los resultados se debieron a un diseño experimental deficiente, descuido o algún factor irrelevante. El hecho de que no todos tengamos plantas de energía de fusión en frío impulsando refrigeradores de movimiento perpetuo en nuestros hogares es evidencia de que adoptar un enfoque escéptico que espera la confirmación experimental es prudente.

Un concepto erróneo común sobre las teorías científicas es que son simplemente ideas que alguien se le ocurrió de inmediato. En el uso cotidiano, la teoría de palabras bien puede significar una idea o incluso una suposición, una hipótesis o una suposición de trabajo, pero en la ciencia la teoría de palabras está reservada para explicaciones que abarcan y explican una amplia gama de observaciones. Más que una simple explicación, una teoría debe ser bien probada y hacer predicciones claras relacionadas con nuevas observaciones o experimentos. Por ejemplo, la teoría de la evolución predijo que el registro fósil mostraría evidencia de animales que comparten muchas de las características de los humanos modernos. Esta fue una predicción hecha antes de que se encontraran tales fósiles; muchos fósiles de organismos similares a los humanos han sido y continúan siendo descubiertos. A partir de estos descubrimientos, y en análisis comparativos de la estructura de los organismos, es posible proponer árboles genealógicos plausibles, conocidos como filogenias, que conectan diferentes tipos de organismos. Los métodos modernos de genética molecular, particularmente la secuenciación del genoma (\(\mathrm{DNA}\)), han confirmado estas predicciones y han producido un fuerte apoyo experimental para la visión actual de que todos los organismos que ahora viven en la Tierra son parte de la misma familia, es decir, comparten un ancestro común que vivió hace miles de millones de años. La teoría de la evolución también predice que cuanto más viejas sean las rocas, más diferentes serán los organismos fosilizados encontrados de los organismos modernos. En rocas que datan de hace\(\sim 410\) millones de años, encontramos fósiles de diversos tipos de peces pero no de los peces que existen hoy en día. No encontramos evidencia de humanos de esa época; de hecho, no hay mamíferos, ni reptiles, ni insectos, ni aves.

También se dice que una teoría científica es falsificable, lo que no quiere decir que sea falsa sino que puede demostrarse falsa por experimentación u observación. Por ejemplo, sería difícil conciliar la actual teoría de la evolución con el descubrimiento de conejos fósiles a partir de rocas de más de 300 millones de años. De igual manera, la teoría atómica requeriría alguna revisión seria si alguien descubriera un elemento que no encajaba en la tabla periódica; las leyes de la termodinámica tendrían que ser reconsideradas si alguien desarrollara una exitosa máquina de movimiento perpetuo. Una teoría que pueda adaptarse con demasiada facilidad a cualquier nueva evidencia no tiene ningún valor científico real.

Una segunda premisa fundacional de la ciencia es que todas las teorías están restringidas a fenómenos naturales; es decir, fenómenos que pueden ser observados y medidos, ya sea directa o indirectamente. Las explicaciones que invocan lo sobrenatural o lo totalmente subjetivo no son por definición científicas, porque no hay ningún experimento imaginable que pueda hacerse que pueda aportar evidencia de una forma u otra para su validez. En un sentido importante, no importa si estas explicaciones sobrenaturales son verdaderas o no; siguen siendo poco científicas. Imagínese un instrumento que pudiera detectar la presencia de ángeles. Si se pudiera construir tal instrumento, los ángeles podrían ser estudiados científicamente; sus números y movimientos podrían ser rastreados y su estructura y comportamientos analizados; incluso podría ser posible predecir o controlar su comportamiento. Así, dejarían de ser sobrenaturales y se convertirían en una parte más del mundo natural. Dadas estas limitaciones arbitrarias admitidas sobre la ciencia como disciplina y empresa, es bastante sorprendente lo bien que funciona la ciencia para explicar (y permitirnos manipular) el mundo que nos rodea. Al mismo tiempo, la ciencia esencialmente no tiene nada que decir sobre el significado del mundo que nos rodea, aunque a menudo es difícil no especular sobre el significado basado en ideas científicas actuales. Dado que todas las teorías son tentativas, y pueden ser revisadas o abandonadas, tal vez sea prudente no utilizar ideas científicas para decidir lo que es bueno o malo, en ningún sentido moral.

Como veremos, la historia de la teoría atómica está plena de ejemplos de una teoría que se encuentra inadecuada, momento en el que debe revisarse, ampliarse y, ocasionalmente, reemplazarse totalmente por una teoría más nueva que proporcione explicaciones comprobables para pruebas experimentales antiguas y nuevas. Esto no quiere decir que la teoría original fuera necesariamente completamente falsa, sino que fue incapaz de capturar completamente el universo observable o predecir con precisión observaciones más nuevas. Las teorías más antiguas generalmente se subsumen a medida que surgen nuevas; de hecho, la teoría más nueva debe explicar todo lo explicado por la más antigua y más.

Preguntas

Preguntas a Responder: Preguntas y Teorías Científicas:

• ¿Cómo decidirías si una pregunta en particular es respondible científicamente?
• ¿Cómo decidirías si una respuesta a una pregunta es científica?
• ¿Cuál es la diferencia entre una pregunta científica y una no científica? Dé un ejemplo de cada uno.

Preguntas para reflexionar

• ¿Qué cosas tienen átomos en ellas? ¿Aire, oro, celdas, calor, luz?
• ¿Cómo sabes que existen los átomos?