Teoría, Ley y Hechos en Ciencia...

Cada vez que un ignorante científico desprecia la Relatividad y/o Evolución por ser "solo una Teoría", dios añade una dimensión a las cuerdas... (Visto en Twitter)

A menudo se escucha la ingenua crítica a la ciencia que dice “es sólo una teoría”, tratando de indicar que no está “demostrada” y que una vez “demostrada” se convertirá en una ley o un hecho. Esto no es sorprendente debido a que tal noción es consistente con lo que a veces se nos enseña incorrectamente en las clases de ciencia general de la escuela. La afirmación es, no obstante, completamente falsa y demuestra dos malentendidos comunes sobre la ciencia.

El primer malentendido es que la ciencia “demuestra” teorías. Las teorías nunca se “demuestran”, sólo se confirman mediante la observación; pero tal confirmación siempre es provisional. No importa cómo de bien o cuánto ha sido confirmada una teoría científica, siempre está sujeta a falsación o corrección por nuevas observaciones.

Por ejemplo, considera la Teoría de la Mecánica Newtoniana. Durante 200 años, fue el estándar incontestable de “verdad” científica. Su éxito fue tan grande que algunos filósofos (Kant) afirmaron que no sólo era una teoría empíricamente confirmada, sino que era una “verdad a priori”. Ahora la conocemos mejor. A velocidades muy altas y distancias muy pequeñas, la Teoría de la Mecánica Newtoniana ha sido concluyentemente falsada. Ha sido reemplazada por la combinación de las Teorías de la Relatividad y la Mecánica Cuántica. Aún así, la Mecánica Newtoniana sigue siendo una excelente aproximación a estas teorías más correctas bajo lo que podríamos llamar condiciones normales, así pues, incluso cuando es falsada, una teoría científica puede seguir siendo útil.



El segundo malentendido es que una teoría es una ley o hecho “no demostrado”, o, a la luz de lo anteriormente comentado, una ley o hecho no confirmado. Las teorías científicas, leyes y hechos son tres tipos distintos de afirmaciones. Unos pocos ejemplos históricos ilustrarán las diferencias.

La Ley de las Proporciones Fijas afirma que los elementos químicos se combinan entre sí en proporciones enteras fijas por peso. Está basada en hechos como: el dióxido de carbono consta de 3 partes de carbono y 8 partes de oxígeno. La Teoría Atómica de la Materia (Dalton) intentó explicar por qué esto es cierto. La Teoría Mecánico Cuántica de la Estructura Atómica (Bohr, Heisenberg, Pauli, Pauling, et al) explica por qué esto es sólo aproximadamente cierto y cuándo es demostrablemente falso.

Las Leyes de Mendel afirman que las características heredadas se propagan a las siguientes generaciones en frecuencias expresables como ciertas proporciones enteras simples. Está basada en varios hechos que Mendel observó en plantas de guisantes. La Teoría de la Genética Molecular (Sutton, Morgan, Dobzhansky, McClintock, Watson, Crick, et al) no sólo explica por qué las Leyes de Mendel son aproximadamente ciertas, sino también por qué y cuándo son demostrablemente falsas.

La Ley de Hubble afirma que la velocidad a la que una galaxia distante se aleja de la Tierra es directamente proporcional a su distancia a la Tierra. Está basada en ciertos hechos, incluyendo los desplazamientos al rojo en el análisis espectrográfico de la luz de cierto tipo de estrellas. La Teoría del Big Bang (Friedmann, LeMaitre, Gamov, et al), basada en la Teoría de la Relatividad General (Einstein), explica por qué la Ley de Hubble es aproximadamente cierta.


Ahora, antes de intentar hacer alguna definición implícita, vamos a volver sobre la falacia de la escuela que afirma que: “Una hipótesis se convierte en teoría, y luego en ley, conforme aumenta el grado de demostración”. Una hipótesis es, efectivamente, una idea que requiere una mayor investigación. Cuando está suficientemente confirmada, una hipótesis puede convertirse en una teoría, una ley o un hecho. ¿”Un hecho”?, podríamos preguntarnos. ¿”Los hechos no son ciertas cosas que no requieren confirmación?” Este es otro malentendido común.

Una breve historia de la Mecánica Newtoniana espero que ayude a ilustrar la naturaleza de los hechos científicos:
Galileo, podría decirse que el primer científico moderno, supuestamente dejó caer bolas desde la Torre Inclinada de Pisa. Probablemente no lo hizo, sino que Galileo experimentó con bolas rodando sobre planos inclinados y formuló tal vez la primera ley rigurosa de la cinética y el movimiento de caída libre (s = 16t2). Hizo distintas observaciones – una bola rodando por un plano inclinado 30 grados viaja X centímetros tras un segundo, 4X centímetros tras dos, 9X centímetros tras tres...– lo cual se convirtió en los hechos resumidos por sus leyes. Las observaciones precisas son cómo la ciencia reemplaza los hechos cotidianos, tales como “las cosas caen cuando las sueltas”, con hechos científicos. Pero algunos hechos cotidianos, tales como “los objetos pesados como las rocas caen más rápido que los ligeros como las plumas”, deben rechazarse cuando se examinan científicamente. Nota que también los hechos de Galileo dependen de una nueva idea (¿o teoría?) del tiempo como un parámetro regular y medible (Galileo se supone que usó su pulso).

Newton generalizó el trabajo de Galileo con su Teoría de la Mecánica (incluyendo la Ley F = ma) y su Ley de la Gravitación Universal (F = GMm/r2), ambas presentadas en el monumental trabajo, “Mathematical Principles of Natural Philosophy" (Principios Matemáticos de la Filosofía Natural). Estas dejaron a las Leyes de Galileo como casos especiales aproximados. La Ley de la Gravitación de Newton estaba basada en una misteriosa fuerza atractiva entre dos masas cualesquiera. La fuerza es “misteriosa” debido a que de hecho lo era, al menos para Newton. Lo intentó, pero nunca tuvo éxito al formular una teoría de la gravedad, la cual podría explicar “por qué” su ley universal era cierta o “cómo” funcionaba. Usando su Ley de la Gravitación y su Teoría de la Mecánica, Newton fue capaz de explicar numerosos hechos (el movimiento de los planetas en el cielo, el movimiento de las mareas, etc.) y leyes (las de Kepler y Galileo).


Einstein desarrolló una teoría de la gravedad, conocida como Relatividad General, la cual explica “cómo” funciona la gravedad y “por qué” la Ley de Newton de la Gravitación Universal es aproximadamente cierta. La Teoría de la Relatividad (Especial y General) también predijo que la Teoría de la Mecánica de Newton estaría equivocada a energías muy altas; tales medidas de masa, tiempo y distancia variarían dependiendo de la velocidad del observador. Esta predicción se ha verificado en millones de observaciones experimentales en aceleradores de partículas. Pero bajo condiciones normales – las que nos encontramos en la vida cotidiana – la Mecánica Newtoniana es una excelente aproximación a estas teorías más correctas; y sigue siendo la base de la ciencia subyacente a la mayor parte de apicaciones de ingeniería.

Nota cómo los términos “hecho”, “ley” y “teoría” se usan en los ejemplos anteriores. Esto es consistente con la forma en que se usan y comprenden habitualmente en ciencia. Los hechos científicos, leyes y teorías son tres tipos distintos de afirmaciones. Uno a veces escucha la palabra “teoría” usada en lugar de la palabra “hipótesis”, como en “Tengo una teoría que...”, pero este es un abuso de la palabra, posiblemente motivado para evitar una palabra con un sonido pretencioso como “hipótesis”. Si se pide una definición formal de los términos, se podría dar:

Un hecho científico es una observación controlada, repetible y/o rigurosamente verificada.

Una ley científica es una afirmación de una regularidad observada entre hechos, a menudo expresable como una simple relación matemática.

Una teoría científica es un marco de trabajo conceptual integrado para razonar sobre una clase de fenómenos, los cuales son capaces de coordinar hechos existentes y leyes y a veces proporcionar predicciones de otros nuevos.


Las teorías a menudo explican “por qué” leyes y hechos son “ciertos” o “cómo funcionan”. En lo discutido anteriormente, nota que las teorías a menudo tienen múltiples nombres asociadas a ellas. Esto no es sorprendente debido a que las teorías son mucho más complejas. Observa que no sólo teorías y leyes, sino que también los hechos pueden ser falsados. El “hecho” anterior a Galileo de que los objetos pesados caen más rápido que los ligeros fue falsado. El “hecho” Newtoniano de que la masa, tiempo y distancia no varían con la velocidad fue falsado. El “hecho” químico de que sólo hay tres formas elementales de carbono – diamante, carbón y grafito – fue falsado.

Este último hecho falsado es otro ejemplo de interrelación entre hipótesis, hecho y teoría. Ahora considera a los químicos de la Universidad Rice que formaron la “hipótesis” de que había otra forma elemental de carbono en la que los átomos se “curvaban” en una “pelota de fútbol” esférica. La Teoría de la Mecánica Cuántica no parecía decir que fuese imposible. Por lo que experimentaron, y descubrieron el Carbono-60 o “BuckminsterFullereno”. No es una teoría o una ley; ¡es un Hecho! Aunque un hecho que sólo puede afirmarse y se comprenden los términos de la Teoría Atómica de la Materia. Esto no es algo poco común. Muchos hechos científicos están “cargados de teoría”, lo que significa que sólo pueden afirmarse en términos proporcionados por una teoría científica. Los hechos espectrográficos que apoyan la Ley de Hubble están igualmente “cargados de teoría”.

Otro caso: en su uso normal, la palabra “evolución” a menudo se refiere tanto al hecho como a la teoría. La evolución es un hecho. Se ha observado directamente. La evolución es el cambio con el tiempo en la distribución de los alelos genéticos (“genes”) de una población. En este sentido, son poblaciones las que evolucionan y no los individuos. La evolución se ha observado en numerosas situaciones. Una población de una única especie –los individuos son capaces de aparearse y reproducirse– puede quedar separada y sujeta a un entorno distinto. Con el tiempo, la distribución de alelos en las dos poblaciones divergirá. En algún punto, los individuos de las dos poblaciones, no serán capaces de aparearse y reproducirse entre sí. Una única especie ha evolucionado en dos. La evolución es un hecho observado.


La Teoría de la Selección Natural de Darwin, aumentada por la Teoría de la Genética Molecular, explican el hecho de la evolución, así como los hechos del registro fósil y muchas otras cosas de la biología moderna. Observa la palabra “aumentó”. La posterior teoría no falsó la idea de Darwin de selección natural, sino que la enriqueció y extendió, proporcionando explicaciones a fenómenos que Darwin simplemente había observado. Esto también es algo común en el desarrollo de la ciencia. La Teorías Clásicas del Calor, Energía y Termodinámica aumentaron de forma similar la Teoría de la Mecánica Newtoniana sin falsarla.

La palabra “evolución” a veces se usa para referirse a la combinación de hechos de la evolución, las dos teorías mencionadas antes y las hipótesis de que toda la vida en la Tierra ha evolucionado a partir de un ancestro común. Aunque este último componente está etiquetado como hipótesis, está tan bien confirmado que casi podríamos llamarlo hecho. Un apunte histórico interesante es que Darwin nunca usó la palabra “evolución” en su monumental trabajo, “The Origin of Species“ (El Origen de las Especies). En este uso, la evolución es esencial a la biología moderna. Se dice que nada en la biología tiene sentido si no es a la luz de la evolución...



Fuentes:
Ciencia Kanija (www.cienciakanija.com)
Theory, Law and Fact in Science. ©James S. Freeman, 2002
The Mathematical Principles of Natural Philosophy (1729) Newton's Principles of Natural Philosophy, Dawsons of Pall Mall, 1968; Opening pages of the Principia up to the three laws of motion; opening pages of Book III, The System of the World, with rules for Philosophy, plus the closing comments with his view of God, etc.

Nuestro mensaje al espacio...

El sonido de un beso, las primeras palabras de una madre a un bebé, el latido de un corazón. Estos sonidos humanos viajan a unos 56 000 km/hr hacia el espacio estelar y se encuentran ya en los límites del Sistema Solar, a más de 16 000 millones de kilómetros de la Tierra. Los sonidos están grabados en los dos discos de oro de las sondas Voyager, enviadas al espacio en 1977 junto con decenas de fotografías y símbolos que pretenden dar un mensaje sobre quiénes somos a posibles alienígenas.

Cubierta del Disco - Explicación a los gráficos

La cadena NPR ha hecho un pequeño montaje con algunos de los sonidos e imágenes que Carl Sagan y Anne Druyan seleccionaron para los discos de las Voyager. Los invito a escuchar y mirar esta pequeña selección:



Como curiosidad durante aquel proceso de selección para el disco de oro Sagan y Druyan se enamoraron y se casaron. Los latidos del corazón y las mediciones del encefalograma son los de ella.

Si les interesa conocer todos los contenidos del disco escríbanme a mi correo electrónico.

El primer cumpleaños de Neptuno...

El 12 de julio pasado se celebró el primer cumpleaños de Neptuno desde su descubrimiento, que fue el 24 de septiembre de 1846, pero como este lejano planeta tarda 164.79 años terrestres en dar una vuelta alrededor del Sol, es la primera vez que la humanidad presencia un aniversario neptuniano.

El siguiente video es interesante ya que en el que podemos apreciar lo que ha sucedido durante el año neptuniano que ha transcurrido desde que el planeta fuera descubierto en 1846. Durante esta vuelta al Sol de Neptuno han tenido lugar unos cuantos acontecimientos interesantes en la Tierra.

La Tierra y su futuro, ¿incierto?...

Uno de los hechos que más me asombraban de niño, era saber que un día (aún muy lejano), el Sol se apagará en un estallido estelar, superior a todas las escalas que nos es posible imaginar. Y todo lo que vemos a nuestro alrededor, el cielo, el océano, y la Tierra misma, dejarán de existir.

Pues bien, como sucede en la ciencia, esta afirmación podría cambiar en el futuro. Por ejemplo, si la distancia entre el Sol y la Tierra (aprox 150 millones de kilómetros) que se debe a la fuerza gravitacional entre la masa de ambos cuerpos, se modificara dependiendo del aumento o disminución de la masa del Sol, esto afectaría la vida en la Tierra. Sucede que el Sol está cambiando continuamente al llevar a cabo procesos de fusión en su interior y quemando su propio combustible. De este modo, si pierde masa, llegará un momento en que la fuerza gravitacional será más débil y la distancia que separa a la Tierra del Sol, será mayor. Las órbitas de los planetas se extenderán y el Sol, al expandirse como una estrella roja en su vejez, devorará seguramente a Mercurio y a Venus; pero no necesariamente lo hará con la Tierra, debido a que la distancia que separa al Sol de la Tierra, se extenderá aún mas; aunque de todas maneras tendría consecuencias nefastas para la vida.

Contrario a lo que se pudiera pensar, investigaciones recientes parecen indicar que el Sol, al perder masa, se expandiría mucho más de lo calculado anteriormente, pero aún con la distancia ganada (por el debilitamiento de la gravedad del Sol), el destino de la Tierra parece estar sellado.

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¿Tenemos alguna opción? En todo caso, ésta dependerá del conocimiento científico que tengamos y de un cambio en la visión innovadora de nuestra civilización. Esto es posible, aunque ahora mismo se escuche como ciencia ficción. Veamos.

El Sol se formó a partir de la aglomeración de gas estelar, mayormente hidrógeno y helio, en algún rincón muy denso de alguna nebulosa. Al ir aumentando la masa, la presión aumentó también, hasta que fue tan alta que el hidrógeno empezó a fusionarse y a transformarse en helio. En este proceso de fusión, se produce energía (luz y calor). El Sol transforma en su núcleo 700 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo que pasa, a una temperatura de 15 millones de grados centígrados. Esta radiación de energía es lo que permite que el Sol no se contraiga sobre sí mismo debido a su enorme masa. El equilibrio entre el ritmo de producción de energía y la de fuerza de presión (debida a la enorme masa del Sol y a la temperatura) permite que nuestra estrella se mantenga en el estado en que lo conocemos.

Llegará un momento en que el equilibrio se romperá. La tasa a la cual el Sol genera energía, será menor que la gigantesca presión ejercida por su masa; esto, para nosotros, no es una buena noticia. Desde su nacimiento, el Sol ha ido consumiendo su combustible acumulando helio en su centro. Este helio no es fusionable debido a que se requieren temperaturas más elevadas (por encima de 100 millones ºK). Ya que la cantidad de hidrógeno presente en el Sol disminuye continuamente, para mantener el equilibrio y evitar el colapso, se tiene que consumir más combustible en menos tiempo, esto es, el proceso de fusión debe llevarse a cabo con más rapidez (para entender lo anterior imagina lo siguiente: Una superficie formada de focos incandescentes con una misma luminosidad; si en un principio tuviéramos 60 focos, sería sencillo lograr cierta luminosidad. Si después de un tiempo, el número de focos se hubiera disminuido a 30, en orden de mantener la luminosidad de toda la superficie al mismo nivel, cada foco restante debería ser más luminoso que antes, por lo que cada uno consumiría más energía que antes en menos tiempo). La generación de energía del Sol se da a partir de estos procesos de fusión, es decir: con la tasa de transformación de hidrógeno a helio. Si esta tasa es más alta, el brillo aumentará en consecuencia.

De hecho, el Sol es ahora 40 veces más brillante que cuando nació. Poco a poco, dentro de cientos de millones de años, el ritmo de fusión se incrementará aún mas. Aproximadamente en 1000 millones de años, el Sol será 10 veces más brillante y pasará de 5000ºC en su superficie a aproximadamente 5800ºC. En forma paralela, el aceleramiento de los procesos de fusión y su subsecuente aumento en la producción de radiación, también implicarán un aumento en el tamaño del Sol. Según las teorías clásicas, dentro de 12000 millones de años, el diámetro del Sol será de unos 150 millones de kilómetros (actualmente el radio del Sol es de casi un millón y medio de kilómetros) y se habrá convertido en una Gigante Roja hecha casi toda de helio. Ya sin reservas de hidrógeno la fuerza de gravedad y la presión ejercida por la masa del Sol serán mayores que la emisión de radiación, y el Sol se colapsará. Sin embargo, debido al colapso, las presiones y temperatura aumentarán y el helio se fusionará en carbón y oxígeno. El Sol generará energía a una tasa más elevada y entrará así a la última etapa de su vida, que durará alrededor de 100 millones de años. Para estas alturas, el Sol tendrá un diámetro de 300 millones de kilómetros y habrá cumplido una vida de 12 300 millones de años.

Mucho antes de que esto suceda (dentro de unos 7600 millones de años) seguramente la vida en la Tierra habrá terminado. Según las teorías clásicas de evolución del Sistema Solar, Mercurio y Venus serán irremediablemente engullidos, sin embargo el futuro de la Tierra podría ser incierto. En febrero de 2008, se descubrió una versión a escala reducida de nuestro sistema solar, con un par de planetas parecidos a Júpiter y Saturno. Fue encontrado orbitando una estrella de cinco mil años luz de distancia en la constelación de Escorpión, por lo que el número total de exoplanetas conocidos son más de 250. Los descubrimientos recientes de planetas gigantes orbitando estrellas ya consumidas abren una pregunta: ¿la Tierra es capaz de sortear a la muerte del Sol?

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En el proceso de transformarse en una gigante roja, el Sol expulsará también gran parte de su masa y la atracción gravitacional sobre los planetas del Sistema Solar será más débil, por lo que estos se moverán hacia órbitas mas lejanas. La Tierra terminará en el lugar que ahora ocupa Marte, exactamente en la línea imaginaria que determina si es devorada por el Sol o no. Al tiempo que la Tierra se mueve hacia una posición más segura, la fuerza de gravedad tenderá a moverla hacia adentro, atrayéndola hacia el Sol. Que la Tierra sea engullida o no, dependerá de cuál de los dos procesos gane. Un análisis de Kacper Rybicki del Instituto Polaco de Geofísica y Carlos Denis de la Universidad de Liege, concluyeron que existía, de hecho, una posibilidad de que la Tierra escapase al aumento progresivo del tamaño del Sol.

Sin embargo, investigaciones recientes realizadas por Klaus-Peter Schroeder de la Universidad de Guanajuato, México, y Robert Connon Smith de la Universidad de Sussex en Inglaterra, concluyen que esta posibilidad no existirá. Ellos desarrollaron un nuevo método para calcular cuánta de la masa del Sol se perderá durante su expansión y de este modo saber el tamaño que tendrá y por consiguiente la distancia que la Tierra se alejará de su órbita. Sus resultados muestran que, paradójicamente, mientras más masa pierda, el Sol se expandirá aún más. Los resultados también indican que se perderá aproximadamente un tercio de la masa solar (menos que el cuarto de masa estimado anteriormente). Como consecuencia el Sol convertido en gigante Roja será a lo máximo 256 veces mas grande que lo que es ahora y 2730 veces más luminoso. Para la Tierra, esto no significa ningún cambio con respecto a lo que ahora se sabe, debido a que será devorada por las llamas del Sol envejecido y caerá eventualmente en su gravedad.

¿Existe alguna salida para los habitantes de la Tierra (sean humanos, robots, o una combinación de ambos) en miles de millones de años?

Una opción es irse a otro planeta en otro sistema estelar. Otra, es el de incrementar el desarrollo de una ingeniería a gran escala y de alto riesgo.

Según un artículo de 2001 producido por Don Korycansky y Gregory Laughlin de la Universidad de California, del mismo modo que las sondas y naves espaciales ganan velocidad interaccionando con los campos gravitatorios de otros astros en un cierto “billar cósmico”, si la Tierra se moviese de su órbita por medios artificiales (tan sólo un poco), de tal manera que se generen encuentros regulares con algún cometa o asteroide, entonces podría aprovechar el campo gravitatorio de aquél otro ente y acelerar su distanciamiento del Sol. Existen sin embargo, profundas cuestiones éticas que responder con respecto a esta posibilidad, ya que un error en los cálculos produciría una colisión entre la Tierra y aquél astro elegido para acelerarla, costo que es a todas luces, inaceptablemente alto.

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Oda al cerebro...

"An Ode to the Brain" es uno de los vídeos musicales de divulgación científica del proyecto Symphomy of Science. En esta ocasión llenan de música frases rescatadas de Robert Winston, Vilayanur Ramachandran, Carl Sagan, Jill Bolte Taylor, Bill Nye y Oliver Sacks, sobre el órgano más perfecto y maravilloso de nuestro ser: el cerebro.

Symphony of Science es un proyecto musical bastante interesante dirigido por John Boswell, diseñado para ofrecer el conocimiento científico y la filosofía en forma de musical.

Disfrutenlo.

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