El reconocimiento de limites. un punto de encuentro para la ciencia y la filosofia

h-a
Introducción


El presente trabajo intenta ensayar una síntesis sobre la imagen de la naturaleza en la física de W. Heisenberg.
De ningún modo pretende hacer análisis de teorías y experimentaciones físicas, pero inevitablemente, refiere, aunque de modo indirecto y poco puntual a algunas de las teorías necesarias para la comprensión de aquella imagen.
De manera análoga se hace necesario precisar el contexto científico de aquella imagen, por lo que brevemente haremos mención a algunos lineamientos del desarrollo de la teoría cuántica, como intento de situar cientificamente aquella imagen.
El recorrido a realizar tiene como propósito hacer una breve descripción de aquella imagen de la naturaleza imperante a mediados del Siglo XIX, y de aquellos descubrimientos científicos-técnicos que se hallan involucrados directamente en la formación de aquella imagen.

La significación del término naturaleza ha variado considerablemente en la historia; de modo análogo han variado las distintas descripciones de lo natural.
La naturaleza como el dominio de la experiencia cotidiana de lo dado y su descripción como exposición sistemática de la intuición ha sido sustituida por una concepción de la naturaleza que penetra en zonas remotas a la experiencia (zonas que no pueden ser alcanzadas más que por la técnica) y cuya descripción es en todo caso una descripción matemática.
Ahora bien, frente a los continuos cambios en el modo de concebir y describir la naturaleza parecía haber algo duradero e inmutable: la materia.
Siguiendo la antigua filosofía de Leucipo y Democrito se impuso en el Siglo XlX una imagen materialista del universo.
Según dicha imagen la única realidad existente e invariable son los átomos que al moverse en el espacio y en el tiempo generan los fenómenos de nuestro mundo sensible.
La imagen materialista del mundo encontró una posibilidad de sospecha en el dominio de la electrodinámica; ámbito en el que lo existente no es la materia sino el campo de fuerzas.
Otra posibilidad de crisis del materialismo moderno la constituyó el hecho de que el átomo de la química no pudiera seguir siendo concebido como el último e indivisible constituyente de la materia.
Sin embargo dichos descubrimientos no bastaron para conmover radicalmente la imagen materialista.
En el primer, caso porque los campos de fuerza podían ser observados tan sólo en sus interacciones con los átomos, y entonces estos podían seguir siendo concebidos como la auténtica realidad. En el segundo caso, la teoría atomista no sufrió alteración alguna, ya que fueron los componentes del átomo los que entonces eran identificados como los constituyentes mínimos de la materia.
La dificultad inevitable que no pudo franquear esta concepción del universo no fue otra que el problema de la observación científica.
Cuando tratamos de los componentes mínimos de la materia el proceso de la observación representa un trastorno considerable, y esto es así hasta el punto de que ya no podemos hablar del comportamiento de las partículas prescindiendo del proceso de la observación.
Esto se pone de manifiesto en las leyes de la teoría cuántica. Dichas leyes no se refieren ya a las partículas “en sí”, sino a nuestro conocimiento de dichas partículas.
La noción de la realidad objetiva de las partículas elementales se ha disuelto en una matemática que describe no el comportamiento de las partículas elementales, sino nuestro conocimiento de dicho comportamiento.
Ahora, es importante señalar que la observación de nuestro conocimiento del comportamiento de las partículas está más que mediatizado por la técnica, ya que el instrumental de observación no es un elemento más de la observación científica, sino que él es el que, de alguna manera, hace posible la observación misma.
Qué relación existe entre la ciencia de la naturaleza y la técnica?
Históricamente existe una relación dialéctica entre la moderna ciencia experimental y la técnica. La técnica ha sido a la vez condición previa y consecuencia de la ciencia natural; de aquí que sea imposible separar a la una de la otra. Pero, así como la ciencia natural ha sufrido a lo largo de la historia diversas variaciones en la concepción de la naturaleza, análogo proceso ha recorrido la técnica.
En el Siglo XVIII y a comienzos del Siglo XIX nos encontramos con una técnica basada en la explotación de procesos mecánicos; técnica que de algún modo representa el modelo de la artesanía tradicional en el que la máquina imita a la actividad física del hombre.
Durante la mitad del Siglo XIX la técnica en el ámbito de la electrodinámica excluye casi enteramente toda noción de semejanza con el taller tradicional.
Años más tarde la técnica atómica se alejara definitivamente del mundo de la experiencia cotidiana.
La ciencia física y la técnica por ella operada se desprenden en un proceso histórico de la experiencia sensorial y del dato empírico objetivo.
La imagen de la naturaleza no es ya una imagen de la “naturaleza en si” : se trata mas bien de una imagen que representa nuestra relación con la naturaleza. A la ciencia no le es posible ya dirigir su atención a la naturaleza misma, antes bien, de ahora en más su atención se dirige a las relaciones del hombre con la naturaleza.
Este desplazamiento de objeto que sufre la física guarda estrecha relación con su proceder metódico. El método científico consistente en abstraer, ordenar y explicar ha adquirido conciencia de las limitaciones que le impone el hecho de que la incidencia del método modifica su objeto y lo transforma, hasta el punto de que el método no puede distinguirse de su objeto.
La imagen del universo propia de la ciencia natural no es ya la que corresponde a una ciencia cuyo objeto es la naturaleza.
La fusión de método y objeto provocan ahora una nueva imagen; no ya la imagen de la naturaleza, sino, la imagen de nuestra representación de la naturaleza; representación que es posible por la mediatización de la técnica.
La posibilidad de observación dada por la técnica provoca un doble efecto en las representaciones científicas. Por una parte, la técnica amplia de un modo antes insospechado nuestro campo de observación. Por otro lado la técnica hace imposible la consideración de la naturaleza fuera de los dominios de ella misma, y esto en el sentido de que es ella la que posibilitando la observación de la naturaleza hace al mismo tiempo imposible la consideración de la naturaleza fuera de sus dominios y de su influjo.
La moderna física atómica parece abolir por otra parte la ley de la causalidad o por lo menos suspender la validez de la misma haciendo imposible continuar admitiendo que los procesos naturales estén determinados por leyes.
Esta afirmación es correcta en la medida en que el principio de causalidad se hace equivalente a la suposición de que el acontecer de la naturaleza está unívocamente determinado.
La moderna física atómica no excluye radicalmente aquel esquema de la naturaleza y de los procesos físicos, pero su modo de proceder se distingue del determinismo reemplazando a aquel por la noción de regularidades estadísticas.
Las regularidades estadísticas no es más que la consideración de las regularidades de la naturaleza.
Las regularidades estadísticas significan que un sistema físico se conoce sólo de modo imperfecto.
La física permaneció en su consideración determinista hasta el momento en que Max Planck inició la teoría de los cuantos.
Lo que hallo Planck en sus investigaciones sobre la teoría de la radiación no fue mas que un elemento de discontinuidad en los fenómenos de dicho campo. Demostró que un átomo radiante no despide su energía continua sino discontinuamente, a golpes. Esta cesión discontinua de la energía conduce a admitir la hipótesis de que la emisión de radiaciones es un fenómeno estadístico.
La teoría de los cuantos obliga a formular toda ley como una ley estadística.
La desviación respecto de la física precedente puede simbolizarse en las llamadas relaciones de indeterminación. Se demostró que no es posible determinar a la vez la posición y la velocidad. de una partícula atómica con un grado de precisión arbitrariamente fijado. En efecto, puede señalarse la posición de dicha partícula, pero entonces la influencia del instrumento de observación imposibilita hasta cierto grado el conocimiento de la velocidad; e inversamente se desvanece el conocimiento de la posición al medir con precisión la velocidad de radiación.
El cálculo preciso de la posición y la velocidad de una partícula es a partir de la teoría de los cuantos imposible.
Una segunda formulación ha sido forjada por Niels Bohr, al introducir el concepto de complementariedad.
Dicho concepto significa que diferentes imágenes intuitivas destinadas a describir los sistemas atómicos pueden ser todas perfectamente adecuadas a determinados experimentos, a pesar de que se excluyan mutuamente. Una de ellas es por ejemplo la que describe el átomo de Bohr como un pequeño sistema planetario: un núcleo atómico en el centro, y una corteza de electrones que dan vueltas alrededor del núcleo. Pero para otros experimentos puede resultar conveniente imaginar que el núcleo atómico se halla rodeado por un sistema de ondas estacionarias, siendo la frecuencia de las ondas determinante de la radiación emitida por el átomo. Finalmente el átomo puede ser considerado como un objeto de la química, calculando su calor de reacción al combinarse con otros átomos, pero renunciando a saber al mismo tiempo algo del movimiento de los electrones.
De modo que distintas imágenes son verdaderas en cuanto se las utiliza en el momento apropiado, pero son incompatibles unas con otras; por lo cual se las llama recíprocamente complementarias.
Todas estas indicaciones permiten comprender que el conocimiento incompleto de un sistema es parte esencial de toda formulación de la teoría cuántica.

Desarrollo de la teoría cuántica
Origen de la teoría cuántica
La explicación teórica para la radiación de cavidad era uno de los principales problemas no resueltos de la física durante los años anteriores a la llegada del presente siglo. Varias teorías físicas avanzadas, basadas en la física clásica, sólo pudieron alcanzar un éxito muy limitado al tratar de resolverlo.
Wilhelm Wien derivó una expresión teórica para la radiancia espectral de la cavidad, aplicando las leyes de la termodinámica a la radiación en ella.
La ley de Wien corresponde bastante bien a las longitudes de ondas cortas, sin embargo, para las longitudes de ondas largas, se ve que cada vez se encuentra en mayor desacuerdo con el experimento.
Lord Rayleigh derivó también una formula de la radiación , perfeccionada después por Sir James . La fórmula Rayleigh-Jeans falla rotundamente para el margen de longitudes de onda cortas, sin embargo la fórmula corresponde bastante bien a longitudes de onda muy grandes.
Las fórmulas de Wien y de Rayleigh-Jeans, representan la mejor opción que la física clásica puede ofrecer como intento de solución para el problema de la radiación de cavidad.
Sin embargo observamos que allí donde una de las fórmulas tiene validez, la otra falla y viceversa.
Fue Max Planck quien tratando de reconciliar ambas fórmulas hizo una interpolación muy ingeniosa entre ellas y logró hacer que los datos correspondieran completamente bien para todas las longitudes de ondas.
Una de las suposiciones radicales que tuvo que hacer Plank, es que los osciladores no radian energía en forma continua, sino sólo en saltos o cuantos.
La dualidad onda-partícula y el desarrollo de la mecánica cuántica
Luis de Broglie dio el primer paso para el desarrollo de la nueva mecánica cuántica.
Durante largo tiempo la radiación electromagnética ha sido considerada como un fenómeno ondulatorio, aunque el trabajo de Einstein había demostrado que en ciertos experimentos estas “ondas” tenían las propiedades de las partículas. De Broglie dio origen a una satisfactoria mecánica cuántica estableciendo que los electrones y fotones tienen una naturaleza dual; en alguno experimentos sus propiedades de onda serían más evidentes, y en otros ellos se comportarán como partículas.
El principio de Incertidumbre
El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que hay un límite entre la precisión con que se pueden determinar simultáneamente la posición y el momento de una partícula. Este principio nos revela que existe un límite en la exactitud para conocer la trayectoria de una partícula ( ya sea en lo que hace a la velocidad o a la posición de la misma).

La ecuación de Schrodinger
A partir de las conclusiones de De Broglie Schrodinger pudo pronosticar la conducta de las partículas que se mueven libremente.
La esencia de su teoría es que podían encontrarse las energías permitidas de los sistemas físicos resolviendo una ecuación que se parece tanto a las ecuaciones de la teoría clásica ondulatoria que es llamada ecuación de onda.
La energía y los números cuánticos son ahora una consecuencia de la teoría de Schrodinger y no tienen que ser superpuestos a la mecánica newtoniana como lo hacía Bohr.

Conclusión

La aparición de la teoría cuántica produce una ruptura con el determinismo que hasta entonces se hallaba asociado a la física. Los cuantos introducen la discontinuidad en la radiación.
La ley científica pierde la posibilidad de la certeza absoluta y la naturaleza la rigidez explicitada en la necesidad de la relación causa-efecto.
En cambio, la ciencia gana en sus formulaciones estadísticas y reconoce las limitaciones que la fusión de objeto y método le impone.
La imagen de la naturaleza varía, así como se modifican los pincipios científicos que posibilitan aquella imagen.
El continuo ciencia-técnica hace volver pensar las posibilidades y los límites del conocimiento científico y descubre el objeto de la ciencia natural, no ya como un objeto en sí mismo, sino como un objeto en interacción con el intrumental científico.
Heisenberg, confirma en el ámbito de la ciencia aquello que Kant había sostenido en la crítica de la razón pura.
La filosofía y la ciencia encuentran así un punto en común a partir del reconocimiento de sus propios límites.