Ensayo: Del método científico y los sistemas de unidades

Del método científico y los sistemas de unidades.
Por: Mauricio Barragán P.

No se puede saber a ciencia cierta en que momento de la historia el homo sapiens empezó a observar la naturaleza que lo rodeaba y empezó a discernir sobre las leyes universales, lo que si es cierto es que las grandes civilizaciones antiguas, edificaron sus culturas en torno a calendarios basados en los movimientos de las estrellas y los planetas, sin lugar a dudas el hombre de la antigüedad tenía la intuición de encontrarse inmerso en un universo desproporcionadamente gigante gobernado por dioses, esta antiquísima visión aun hoy en dia no ha cambiado y ha llevado al hombre a construir sondas espaciales para explorar los astros y los planetas más cercanos que tenemos con el fin de entender más sobre los misterios del universo.

Si me preguntaran que es la física yo diría que es la ciencia que estudia el universo, por que a partir de observaciones puede generar hipótesis que a su vez se convierten en teorías, y estas al final en leyes universales. Es así como Arquímedes de Siracusa (287-212 AC) hoy en día es recordado por su célebre aplicación el principio que lleva su nombre para determinar si la corona del Rey de Hieron II estaba fundida legítimamente en oro o si al contrario los orfebres le habían engañado, Arquímedes pudo resolver el problema gracias a su observación que cuando se sumergía en la bañera el volumen del agua aumentaba y notar que podía hallar el volumen de un sólido irregular sumergiéndolo, es así como dos cantidades relacionadas entre sí masa y volumen dieron soporte a las observaciones de Arquímedes.

De este modo los físicos abstraen el universo en unidades primarias como longitud, masa y tiempo, para poder derivar otras propiedades físicas de la materia como la densidad utilizada en el principio de Arquímedes, imaginémonos como seria de limitado nuestro pensamiento si no pudiésemos expresar que es la velocidad o aplicar el principio de la palanca, la información que hoy en día tenemos sobre nuestro mundo cercano y el universo que lo rodea es un trabajo de observación de milenios donde astrónomos, físicos, matemáticos e ingenieros, han aportado en la construcción de los saberes de la física.

El nombre que primero recibió esta ciencia fue el de filosofía de la naturaleza ya que los primeros filósofos como Aristóteles, Tales de Mileto y Demócrito trataron de razonar la naturaleza y el entorno universal, el auge del pensamiento de la antigua Grecia tarda muchos siglos en prosperar, todas las antiguas ideas de la descripción de la naturaleza se concentran en la teoría geocéntrica durante el auge y caída del imperio Romano, es muy probable que solo hasta la invención del telescopio las observaciones del hombre hallan estado limitadas por una corriente de pensamiento mas no por su imaginación acerca de las estrellas en el firmamento, los telescopios empezaron a aparecer en Europa a principios del siglo XVII, justo en la época de Galileo Galilei (1564-1642) este catedrático de la Universidad de Pisa, utilizo el método científico por primera vez y trabajo el concepto de fuerza de gravedad, plano inclinado y se enfrentó a la inquisición de la iglesia católica de roma por desafiar la teoría geocéntrica. Su antecesor Nicolás Copérnico (1473-1543) astrónomo polaco publico la teoría heliocéntrica del sistema solar como la había concebido siglos atrás Aristarco de Samos (310-230 AC).

La física no es solo una ciencia del desarrollo del pensamiento y la observación, también es una ciencia demostrativa y experimental, de ahí es de donde surge su gran riqueza y gran aporte a la humanidad, a su lado siempre ha estado acompañada de la invención, por que gracias a  sus resultados experimentales van surgiendo ideas para crear artefactos útiles para el hombre, no es de extrañar que en la Biblioteca de Alejandría se hallan descubierto los primeros manuscritos referentes a la máquina de vapor, en el antiguo Egipto también se ponía en práctica el movimiento de los astros en la agricultura y la utilización de la energía hidráulica  fue ampliamente desarrollada por el imperio romano.

Uno de los hechos físicos fundamentales y que inquieto a grandes pensadores como Galileo fue el de la fuerza de gravedad, hoy en día sabemos que la masa no influye en la caída de un objeto, observación que Galileo llego a realizar al lanzar piedras de diferente tamaño desde la torre inclinada de Pisa, un experimento moderno es dejar caer una pluma y un balín a la misma altura en tubos de vacio donde no hay aire para observar que los dos objetos caen al mismo tiempo, podemos decir que Galileo estuvo un tanto asi de cerca de descubrir la ley de gravitación universal propuesta por Isaac Newton unos años mas tarde en su libro de 1867 Philosophiæ naturalis principia mathematica.

El trabajo de Isaac Newton (1642-1727) es una revolucion para el pensamiento de la época por que deja sentadas las bases de la física moderna (física mecánica) y explica la ley de gravitación universal, ya en esta etapa del conocimiento las leyes de Newton explican todos los fenómenos cotidianos con una descripción matemática precisa. El hombre se ve enfrentado a nuevos retos al abordar el universo y la materia desde lo macro (astronomia) y lo micro (el atomo), Newton era alquimista ya desde la antigua Grecia se conocía el concepto de átomo que quiere decir “indivisible” en ese sentido es la ultima fracción de la materia que no se puede dividir.

Tambien cabe resaltar que Newton invento paralelo a Leibnitz el cálculo diferencial crucial para el área de investigación de la ingenieria que le aporta mucho a la física con materias de investigación como la termodinámica, la mecánica de fluidos, la electrónica y el electromagnetismo entre otras, el concepto de sistema se hace mas claro para los desarrollos tecnológicos de la época, es así como la maquina de vapor y la termodinámica encuentran al fin una estrecha relación que lleva a Inglaterra a la revolución industrial, se empezaron a construir barcos de vapor y se mejoraron los instrumentos de medición  Nunca antes de la obra de Newton se habían encontrado manuscritos que describieran las leyes de la naturaleza de manera que permitieran al hombre descubrir su mundo de una manera simple y racional.

La relación entre la física y la matemática siempre ha sido indispensable por que solo la certeza de los números puede explicar las observaciones de los experimentos, esto fue algo que entendieron muy bien los antiguos pensadores, además de la exactitud matemática los teóricos del renacimiento empezaron a utilizar el método científico para poder llevar a cabo procedimientos de rigor en sus observaciones. Pensemos por un momento en la balística es un movimiento parabólico que los romanos dominaban muy bien no en los números sino en la aplicación en el terreno de batalla, así mismo construyeron complejos artefactos para disparar flechas simultáneamente, ahora imaginémonos el grado de sofisticación de sus armas de haber tenido una formulación físico-matemática adecuada para esa época.     

Debido a la física mecanicista de Newton los fenómenos naturales son más fáciles de estudiar a pequeña y gran escala, es asi como van surgiendo los tratados de electro-magnetismo y la estrecha relación que guarda la electricidad y el magnetismo de la mano de Michael Faraday (1791-1867) y James Clerk Maxwell (1831-1879), entonces el átomo se hace más palpable porque se puede cuantificar si consideramos la ecuación de campo eléctrico con la ecuación de campo gravitacional de Newton podemos observar que es la misma ecuación, entonces para el físico moderno los fenómenos que ocurren a nivel macro son similares o iguales a los que ocurren a nivel micro, no por que la ley de gravitación lo imponga, si no por que descubrir su similitud es lo que nos asombra.

   Ecuacion de campo gravitatorio de Newton

  Ecuación de campo eléctrico

La ecuación de campo gravitatorio simplemente explica que la fuerza que experimenta una masa 1 es inversamente proporcionalmente al cuadrado de la distancia de una masa 2 en dirección de un vector unitario y la ecuación de campo eléctrico dice lo mismo pero en vez de masas son cargas eléctricas.

Pero un nuevo giro en las deducciones del universo se originaria con la aparición en escena de Albert Einstein (1879-1955) el físico que descubrió la curvatura del espacio-tiempo, abordo el problema de la relatividad en los sistemas, hasta ese momento los sistemas de referencia eran absolutos, a partir de Einstein los sistemas se vuelven relativos a la noción espacio-temporal de la materia, por ejemplo dentro de un vehiculo en movimiento todo en el vehiculo esta inmóvil para sus ocupantes respecto al vehiculo pero para el observador, el vehiculo y sus ocupantes están en movimiento constante respecto a la tierra.

Una de las grandes hazañas del pensamiento de Einstein fue haber descubierto que las estrellas en el firmamento no se observan donde es su posición real, si no al transcurrir el tiempo que demora la luz en llegar al observador lo que se ve es su posición en un tiempo pasado, similar a lo ocurre en la teoría del sonido cuando vemos un trueno escuchamos el sonido un tiempo después de que el trueno ha caido, esta demostración se pudo hacer con 2 telescopios ubicados en continentes diferentes durante un eclipse solar, su resultado fue positivo y marco un punto importante en la historia de la física.

Para el hombre del común es muy fácil asimilar los fenómenos que ocurren a diario con la física mecánica, pero es un tanto difícil razonar la física relativista de Einstein, de hecho para el mismo Einstein era un poco difícil explicar su propia teoría con ecuaciones, pero si revisamos su legado nos encontramos con explicaciones muy sencillas acerca de estas observaciones, por ejemplo la paradoja del tiempo dice que dos sujetos de la misma edad que están en un sistema absoluto y uno de ellos parte en un viaje a la velocidad de la luz y vuelve después de un año a donde está el otro sujeto, el que partio de viaje encontrara a su compañero envejecido como si hubieran pasado décadas mientras que para el otro sujeto solo ha pasado un año, esto ocurre por que para el que viajo a la velocidad de la luz el tiempo se dilato.
    

A diferencia de muchos otros físicos Einstein publico la teoría de la relatividad, en una oficina de patentes en Berna Suiza en el año de 1905 a la edad de veintiséis años bastante joven para haber llegado a sus conclusiones, todo estaba explicado de una manera muy clara y sencilla, afirmando el trabajo de sus antecesores  Henri Poincaré y  Hendrik Lorentz, si tomamos la ecuación mas conocida de Einstein acerca de la energía

Donde C es la velocidad de la luz y m es masa

La encontramos muy similar a la ecuación de la energía cinética de la física mecánica.

Donde V es la velocidad y m es masa

El método científico lleva a los pensadores a cimentar sus conocimientos sobre la veracidad de unos hechos y los que se ponen en duda son sometidos a ensayo y error para poder establecer verdades. Bajo esta perspectiva la ecuación de la energía de Einstein es una demostración más extendida de la energía potencial y cinética que ocurre en la mecánica clásica.

Pero la corriente de pensamiento no para con la muerte de Einstein, siguen surgiendo nuevos hallazgos el hombre construye aceleradores de partículas para poder estudiar la materia indivisible y así seguir develando los misterios del átomo que son los misterios del universo, hoy en día hablamos de lo micro quasars y lo macro agujeros negros, conceptos que muy difícilmente se hubieran podido dar en la antigua Grecia, además se construyen sondas espaciales para explorar nuestros astros más cercanos. Todo esto no hubiera sido posible si los antiguos pensadores no hubieran definido cosas como torque, momento angular, trabajo, potencia, energía y la mayoría de conceptos establecidos.  

El Sistema Internacional de unidades se instauró en 1960, define siete unidades básicas como se ilustra en la tabla 1, en la XI Conferencia General de Pesas y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica: el mol.

Magnitud física (simbolo)	Unidad básica (simbolo)
Longitud (l)	Metro (m)
Masa(m)	Kilogramo (kg)
Tiempo(t)	Segundo (s)
Corriente eléctrica(I)	Amperio (A)
Temperatura termodinámica(T)	Kelvin (K)
Intensidad luminosa(Iv)	Candela (Cd)
Cantidad de sustancia(n)	Mol (mol)

La importancia del sistema internacional de pesos y medidas consiste en marcar pautas para la trazabilidad de los instrumentos de medición, es decir calibrar los instrumentos con medidas estándares internacionales a fin de lograr intercambiabilidad en las mediciones de los experimentos.

Se concluye que la física es una corriente de pensamiento que se transmite de generación en generación, es una ciencia de la observación y sujeta al método científico, sin ella no sería posible imaginar el mundo moderno con la facilidad con la que explica las cosas. La física moderna al igual que en la antigua Grecia busca develar al átomo y al universo.