Los experimentos mentales como recurso epistemológico en la física

Los experimentos mentales como recurso epistemológico en la física

 Autor: Lucero Álvarez Miño

 Resumen

La física es considerada un área del conocimiento cuyo lenguaje es la matemática y cuya prueba de verdad son los experimentos. En realidad, esta ciencia, como otras, utiliza herramientas entre las que se encuentran los experimentos mentales, que no son exclusivos de esta disciplina pero que han encontrado en ella un nicho para su desarrollo y diversificación. A continuación se relata qué es un experimento mental y se discuten algunos de los ejemplos más conocidos.


  1. Conociendo en física

La física comenzó a forjarse como una ciencia independiente en el siglo XVII. Su modo de conocer se caracterizó, desde sus inicios, por el estudio del fenómeno en particular y no la comprensión del universo en su totalidad (1). Dentro de esta dinámica, a partir de observaciones, se realiza una descripción de un fenómeno específico que se formaliza mediante la matemática y, con ella, se espera predecir nuevos efectos o comportamientos. Estos rasgos, que se pueden considerar como el fundamento del método científico, son los que caracterizan hasta el día de hoy el conocimiento en física.

El proceso de conocer en la física se podría resumir, como lo muestra el infograma  (Figura 1) donde, con las flechas azules, se enfatiza que existe retroalimentación: se hacen predicciones, se vuelve al experimento, se revisa la teoría y se vuelve a la comprobación práctica.

Un fenómeno se puede observar espontáneamente en la naturaleza o, en una inmensa mayoría de casos, se busca recrearlo controlando ciertas variables. Es tal la sofisticación en la física experimental que hace ocho años se puso en funcionamiento el colisionador más costoso del mundo, conocido como LHC por sus siglas en inglés, o el gran colisionador de hadrones (son un tipo de partículas subatómicas; por ejemplo, los protones son hadrones). Con  ayuda de este acelerador se encontró en 2012 (2)  el Bosón de Higgs (fundamental en el entendimiento de por qué las partículas tienen  la masa que tienen), para lo cual prácticamente se recrearon momentos posteriores a lo que se considera el origen del universo: el big bang o la gran explosión. 

Sin embargo, en el quehacer de los físicos, además de la teoría y el experimento, comienza a posicionarse un tercer procedimiento: la simulación computacional. Dado que tanto las herramientas teóricas como las experimentales se han tornado más sofisticadas y especializadas y, particularmente, cuando el desarrollo de un experimento es complicado (costos, dificultades técnicas), es razonable realizar una simulación computacional previa y, a partir de los resultados, diseñar el experimento real y revisar la teoría, etc. Así son tres jugadores (teoría, experimento y simulación) que se interrelacionan y que parecen igualmente necesarios para acercarnos mejor al objetivo de la física: la comprensión de la naturaleza.

Puede resultar difícil de creer que los experimentos en física no sólo son reales sino que pueden ser mentales. Puede sonar aún más extraño en la actualidad cuando se cuenta con computadores con suficiente capacidad de procesamiento y sorprendentemente rápidos. ¿Por qué entonces no simular en lugar de imaginar? En las secciones que se plantean a continuación se presentará el porqué de los experimentos mentales y sus contribuciones a la física.

  1. Experimentos mentales vs. experimentos reales

El llamado experimento mental o gedankenexperiment (nombre de origen alemán acuñado, al parecer, por el físico danés Orsted) se considera que apareció inclusive con los presocráticos (3). Un experimento mental es más que prever los resultados que un experimento real puede arrojar; de hecho, cada vez que se prepara un experimento se lanzan hipótesis sobre los resultados que se pueden obtener. Esta etapa de especulación, si se puede llamar así, es propia del método científico. De acuerdo con Brown (4), un experimento mental se debe definir estrictamente como aquel que no se puede llevar a cabo. Puede ocurrir que la dificultad sea tecnológica y que más adelante su ejecución sea posible.

Un experimento mental puede ser concebido para poner de manifiesto contradicciones de una nueva teoría, criticar la estructura de la misma o, algo difícil para un experimento real, exagerar sus consecuencias. Hoy por hoy  (5)  se considera que la principal fortaleza de los gedankenexperiment es que pueden provocar la ampliación o reformulación de conceptos. Tal fue el caso del  experimento mental del ascensor (se abordará más adelante), mediante el cual  Einstein estableció la equivalencia entre gravedad y aceleración, base para la formulación de su relatividad general. Todo a partir de un experimento mental.

Thomas Kuhn, quien dedicara su vida a la epistemología de la ciencia, en el ensayo “A function for the thought experiment” (Una función para el experimento mental), señaló (6):

Una crisis inducida porque no se cumple una expectativa, seguida por una revolución, está en el corazón de los experimentos mentales que hemos estado examinando. Igualmente, el experimento mental es una herramienta analítica esencial que se despliega durante la crisis y que promueve una reforma conceptual de raíz. Los resultados de los experimentos mentales pueden ser los mismos que los de las revoluciones científicas: pueden permitir a los científicos usar como parte integral de su conocimiento lo que antes ese mismo conocimiento les ocultaba. Es en este sentido en que los experimentos mentales cambian el conocimiento de los científicos del mundo”.

Kuhn eleva el experimento mental al mismo nivel del experimento real y considera que su función principal es la de evaluar conceptos. Mediante el ejercicio mental se puede llevar el experimento a otra escala y poner a prueba conceptos, ampliarlos o reconocer que existe una crisis, encontrar contradicciones y hasta a generar un nuevo paradigma (3).

  1. Para la muestra un botón: algunos experimentos mentales en física

3.1    Caída libre de Galileo Galilei

Uno de los experimentos mentales más famosos en física es en el que Galilei (1564-1642) contradice abiertamente a Aristóteles (384 a.C.- 322 a.C.) Según este último, los objetos caen con diferente aceleración según su masa: los objetos más masivos con mayor aceleración, y aquellos menos masivos a menor aceleración. En principio todos estaríamos de acuerdo con Aristóteles, pues es lo que observamos cotidianamente. Así, si tenemos una piedra y una pluma, la pluma cae más lento y lo contrario ocurre con la piedra, y según Aristóteles esto es debido a sus masas: la pluma es más liviana que la piedra.

Pensemos el experimento de Galileo. Imaginemos que la piedra y la pluma están atadas de alguna manera formando un sistema pluma + piedra. Este sistema caerá más rápido que la piedra sola, según el razonamiento aristotélico, pues tenemos ahora un sistema más masivo. Sin embargo, la pluma, que por ser menos masiva cae más lento, debería provocar que todo el sistema pluma + piedra se frenara, cayendo más lentamente que la piedra sola. Siguiendo a Aristóteles, llegamos a una contradicción: la piedra + pluma caerá más rápido que la piedra y también más lento que la pluma Por tanto Aristóteles debe estar equivocado y, en realidad, todos los cuerpos deben llegar al suelo con la misma velocidad y al mismo tiempo porque adquieren la misma aceleración de caída (4) (7). ¿Por qué esto no es lo que vemos en la cotidianidad? Porque hay otro cuerpo que participa en el movimiento: el aire. Esto fue lo que Galilei, razonando genialmente, concluyó. El tiempo de caída se determina por la interacción con el aire y depende del material y de la forma del objeto. Se podría alegar que este experimento mental de Galileo no se ajusta a la realidad que observamos y, por tanto, no es justo decir que Aristóteles estaba equivocado; sin embargo, el experimento mental de Galileo apunta al corazón del problema.

 Para Aristóteles, la velocidad de caída dependía de la masa del objeto; lo que devela el razonamiento de Galileo es que la esencia del fenómeno observado en nuestro planeta no está en la masa del objeto, si es más liviano o más pesado, sino en el hecho de que el aire participa con su resistencia. Galilei se basó en experimentos reales pero generalizó al imaginar qué ocurriría si no hubiera aire. Y este proceso conllevó a cambiar una observación particular, que los cuerpos pesados caen más rápido que los livianos, por una ley general: en presencia solo de la fuerza gravitacional, todos los cuerpos caen con la misma velocidad.

Es posible que el lector en este punto no esté satisfecho con el experimento mental de Galilei. Le proponemos entonces realizar un experimento real que fácilmente destruye el razonamiento aristotélico sobre la caída de los cuerpos. Tranquilizamos al lector pues no necesitará generar ningún tipo de vacío. Simplemente tome una hoja de papel en una mano y un libro en la otra. Suéltelos al mismo tiempo. ¿Qué observa? Ahora, coloque la hoja sobre el libro y suelte este sistema hoja-sobre-libro. ¿Qué ocurre ahora? (8)

 3.2 El ascensor de Einstein       

Continuando con los ejemplos de experimentos mentales, subamos a un ascensor que tiene una característica especial: es de paredes opacas, quienes están dentro no pueden saber qué pasa afuera. El experimento lo protagonizará Juanito y él no lo sabe, pero será sometido junto con el ascensor a dos situaciones diferentes:

  • El  ascensor quieto en el planeta Tierra.
  • El mismo ascensor en algún lugar donde no actúa la fuerza gravitacional terrestre ni ninguna fuerza, lo único es que el ascensor se acelerará.

 

La pregunta a responder en cada caso es: ¿qué observa Juanito cuando suelta una moneda dentro del ascensor?

En la primera situación, la moneda cae vertical hasta tocar el piso del ascensor. Si ahora, estando en el espacio aislado, Juanito suelta la moneda y al mismo tiempo se acelera el ascensor en la dirección contraria, lo que observaría es que la moneda se mueve hacia el piso: cae verticalmente. Juanito concluye que en ambos escenarios el comportamiento de la moneda es el mismo (Figura 2). Aquí reside el fundamento del principio de equivalencia de Einstein: los efectos de la gravedad y de la aceleración son los mismos. Einstein, sin embargo, fue más allá con su imaginación e indagó sobre los efectos que la aceleración puede producir sobre la luz. Si Juanito ve entrar un rayo de luz a través de un agujero por una pared del ascensor y éste se acelera hacia arriba, el rayo de luz atravesará el ascensor hasta incidir sobre la pared opuesta, pero a una altura inferior a la de entrada al ascensor. Es decir, la luz describe una trayectoria curva (Figura 3). Así Juanito, concluye Einstein, que si la aceleración puede curvar la luz, lo mismo puede hacer la gravedad, y en este último caso el efecto será detectable en la medida que la luz pase cerca de objetos muy masivos, como por ejemplo nuestro Sol. Si bien no fue necesario realizar el experimento del ascensor de Einstein, se pudo comprobar que la luz se curva por cuerpos celestes muy masivos. El experimento real se basó en la detección de la luz proveniente de estrellas cercanas al Sol durante un eclipse. El experimento demostró que por la curvatura de la trayectoria de la luz en cercanías del Sol, las estrellas parecen estar por debajo de la posición que se deberían encontrar si la luz viajara en línea recta.

 Entonces, los experimentos mentales pueden tomar como base experimentos reales (el caso de Galileo) o, por el contrario, pueden proponer experimentos reales para comprobar las conclusiones obtenidas mentalmente (el caso del ascensor de Einstein). 

  1. Debate alrededor de los experimentos mentales

Aquí se han descrito brevemente dos experimentos mentales, pero la lista en física es larga: desde la caída de los cuerpos de Galileo, pasando por Newton quien formuló más de un experimento mental, hasta la física moderna en donde se dio un verdadero auge a esta forma de razonamiento: el microscopio de Heisenberg, el demonio de Maxwell, el gato de Schrödinger, la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen, etc. Sin embargo, alrededor de los experimentos mentales existe una gran controversia entre los filósofos de la ciencia. De un lado están quienes consideran que esta es una verdadera herramienta que permite ampliar el conocimiento científico (5), mientras que otros ven los experimentos mentales solo como argumentaciones pintorescas (9), posición apoyada por los empiristas (10). En particular, el filósofo John Norton arguye que aunque los experimentos mentales critiquen ideas y conceptos, no generan nuevo conocimiento, son meros argumentos que refinan teorías o pueden refutarlas pero que, en todo caso, derivan de experimentos reales (3).

Por el contrario, para James Brown, un experimento que no es realizable, bien sea por imposibilidad tecnológica o de la naturaleza (viajar a la velocidad de la luz), entonces necesariamente debe ser pensado, mental. La clasificación de Brown de los experimentos mentales (4) (7) básicamente coincide con la de Karl Popper en que estos pueden ser críticos y heurísticos (3). Los primeros muestran que una hipótesis o suposición es errónea y los segundos abren un nuevo camino, el camino correcto.

La controversia continúa y, sin embargo, cada vez más filósofos de la ciencia reconocen el hecho de que a través de un experimento mental es posible, no sólo revisar un concepto sino, inclusive, llegar a reformularlo, generando conocimiento (3). En cualquier caso los físicos seguirán imaginando agujeros negros de gusano, viajes a velocidades cercanas a la de la luz, exploraciones al interior del átomo y todo, haciendo uso de su mente.

 

BIBLIOGRAFÍA

(1)  Šebesta, J. Modern Physics Epistemology: Some Cultural Aspects http://www.ddp.fmph.uniba.sk/pomoc/historia_filozofia/epistemology/epistemology.html consultado 31 de enero de 2016.

(2)  CERN Press Release: CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson - CERN Bulletin. (n.d.). http://cds.cern.ch/journal/CERNBulletin/2012/28/News%20Articles/1459454?ln=en consultado el 30 de enero de 2016.

(3)  Moue, A. S., Masavetas, K. A., Karayianni, H. Tracing the Development of Thought Experiments in the Philosophy of Natural Sciences. Journal for General Philosophy of Science, 37(1), 61–75, (2006).

(4)  Brown, J.R. Thought experiments since the Scientific Revolution, International Studies in the Philosophy of Science Volume 1 Number 1 (1986).

(5)  Brown, James Robert and Fehige, Yiftach, Thought Experiments, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2014 Edition), Edward N. Zalta (ed.), http://plato.stanford.edu/archives/fall2014/entries/thought-experiment/   consultado el 3 de febrero de 2016.

(6)  Johnson-Laird, P. N., Wason, P. C. A function for thought experiment (289-293). Thinking: readings in cognitive science. Cambridge: Cambridge Univ. Press. (1980).

(7)    Brown, J. R. (1-4, 17-20, 33-35, 45-48)The laboratory of the mind thought experiments in the natural sciences. London; New York: Routledge (1993). Recuperado de http://site.ebrary.com/id/2003101

(8)  InternetUrok.ru http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/mehanikakinematika/svobodnoe-padenie-tel consultado el 3 de febrero de 2016.

(9)  Norton, John D., On Thought Experiments: Is There More to the Argument? Philosophy of Science 71 (5):1139-1151 (2004)

(10)               Urbaniak, Rafal “Platonic” thought experiments: how on earth? Synthese          187:731–752, (2012)

 

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