Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (2 page)

Richard Feynman, el más grande de los físicos del siglo
XX
, en una conferencia que pronunció en 1964, dio cuenta detallada de este método científico utilizando la palabra «ley», pero realizando unas observaciones contundentes que se pueden aplicar igualmente a los modelos:

En general, para buscar una nueva ley seguimos el proceso que detallaré a continuación. En primer lugar, hacemos una suposición sobre dicha ley. Luego calculamos las consecuencias de dicha suposición para ver qué implicaría esta ley si lo que hemos supuesto fuera correcto. A continuación, comparamos los resultados del cálculo con lo que se produce en la naturaleza, mediante un experimento o a través de la experiencia, es decir, lo comparamos directamente con lo que se observa, para ver si funciona. Si no concuerda con el experimento, entonces es falso. En esta afirmación tan sencilla está la clave de la ciencia. No importa lo maravilloso que nos parezca aquello que hemos supuesto. Tampoco importa lo ingeniosos que seamos, ni quién realizó la suposición, ni cómo se llama el que la formuló: si no concuerda con el experimento, es falso.

En esto consisten la ciencia y los modelos científicos.
Si no concuerda con el experimento, es falso
. Sin embargo, hay una cuestión más sutil. Incluso
si concuerda
con el experimento, esto no quiere decir que el modelo sea «correcto» en el sentido de ser algo eterno, esto es, la verdad absoluta y última sobre la naturaleza de las cosas que se están estudiando. Aunque las moléculas se puedan tratar como pequeñas bolas duras con el fin de calcular la presión del gas en la habitación, esto no significa que las moléculas
sean
en realidad pequeñas bolas duras. Sólo significa que, en determinadas circunstancias, se comportan
como
si lo fueran. Los modelos funcionan dentro de unos límites generalmente bien definidos, y fuera de dichos límites puede que tengan que ser reemplazados por otros modelos.

Para clarificar todo esto, veamos con otra perspectiva la imagen de las moléculas de gas que están en el aire en mi habitación. Algunas de esas moléculas serán de vapor de agua, y las moléculas de agua, como sabe cualquier niño que va a la escuela, están constituidas por tres átomos —dos de hidrógeno y uno de oxígeno, con la fórmula H
₂
O. En algunos casos, para determinados fines, un modelo conveniente de la molécula de agua es el que se realiza mediante dos bolas duras más pequeñas (los átomos de hidrógeno) unidas a una única bola dura de mayor tamaño (el átomo de oxígeno), todo ello en forma de V, de tal manera que el oxígeno está en el vértice de la V.

En este caso, los enlaces entre los átomos se pueden considerar como pequeños muelles rígidos, de tal modo que los átomos de la molécula pueden moverse vibrando hacia un lado y hacia el otro. Este tipo de vibración va asociado a una determinada longitud de onda de una radiación, ya que los átomos son portadores de carga eléctrica (esto lo ampliaremos más adelante). Además, si se ven obligados a vibrar de esta manera, emitirán una radiación de microondas y, a la inversa, si se envía a estas moléculas el tipo adecuado de radiación de microondas, las moléculas vibrarán en simpatía.

Esto es exactamente lo que sucede en un horno microondas. Las microondas sintonizan con las longitudes de onda que hacen vibrar las moléculas de agua, llenan el horno y hacen que vibren las moléculas de agua que contienen los alimentos, de tal manera que absorben energía y calientan dichos alimentos.

Este comportamiento no sólo se ve en la cocina o en el laboratorio. Estudiando la radiación de microondas procedente de las nubes de gas que estaban en el espacio fue como los astrónomos detectaron allí la presencia de moléculas de agua, junto con otras muchas moléculas.

Por lo tanto, para un radioastrónomo que busque moléculas de agua en el espacio, o para un ingeniero eléctrico que diseñe un horno microondas, el modelo de molécula de agua hecha de bolas y varillas es un buen modelo, con tal de que las varillas que unen los átomos tenga un poco de la elasticidad de los muelles. En estos casos ya no se considera la totalidad de la molécula de agua como una sola esfera dura, sino que se consideran los átomos individualmente como si cada uno de ellos (por ejemplo, los átomos de oxígeno) fuera una esfera dura.

Un químico que analizara la composición de una sustancia lo haría, sin embargo, con otra perspectiva. Si se desea saber qué tipos de átomos están presentes en una sustancia, un modo de averiguarlo es estudiar la luz que dichos átomos irradian cuando se calientan. Las distintas clases de átomos irradian colores diferentes, unas líneas muy nítidamente definidas en el espectro del arco iris de la luz; uno de los ejemplos más conocidos es el brillante color naranja amarillento del alumbrado público cuando contiene compuestos de sodio. Son los átomos de sodio (en este caso, excitados por una corriente eléctrica, en vez de por el calor) los que irradian este color especial de la luz.

El modelo utilizado para describir cómo se produce esta luz no considera al átomo como una sola esfera dura, sino como un diminuto núcleo central rodeado por una nube de diminutas partículas con carga eléctrica, llamadas electrones. El núcleo central tiene carga eléctrica positiva, mientras que cada uno de los electrones tiene carga eléctrica negativa, por lo que el átomo en conjunto tiene carga eléctrica cero. Las líneas brillantes del espectro que van asociadas a un tipo particular de átomo se explican considerando el modo en que los electrones se mueven en la parte externa del átomo. Lo que hace que se distinga un tipo de átomo de otro es, hablando en términos químicos, el número de electrones (8 para el oxígeno, sólo 1 para el hidrógeno y 11 para el sodio). Debido a que cada tipo de átomo tiene su propia y única disposición de los electrones, cada tipo de átomo produce un único patrón de líneas de color en el espectro.

Podría continuar, pero la cuestión ya está clara. El modelo que considera las moléculas de aire como pequeñas bolas duras es un buen modelo, porque funciona cuando se utiliza para calcular las variaciones que experimenta la presión cuando cambia la temperatura. El modelo que representa las moléculas como si estuvieran formadas por esferas rígidas de menor tamaño (átomos) que se mantienen unidas como las uvas en los racimos es también un buen modelo, porque funciona cuando se utiliza para calcular el modo en que las moléculas, cuando vibran, emiten ondas de radio. Y el modelo que representa a los átomos, no como esferas duras indivisibles, sino como diminutos núcleos rodeados de nubes de electrones también es bueno, porque funciona cuando se utiliza para predecir el color de la luz asociada a una clase concreta de átomo.

Ninguno de los modelos constituye la verdad absoluta y última, pero todos representan un papel en esta función teatral. Son herramientas que usamos para ayudar a nuestra mente a crear una imagen de lo que está sucediendo y a calcular cosas que podemos comprobar directamente realizando mediciones, como es el caso de la presión del aire en una habitación o el color de la luz que irradia una sustancia caliente.

Del mismo modo que un carpintero no utilizaría un escoplo para realizar el mismo trabajo que haría con un mazo, también un científico debe elegir el modelo adecuado para el trabajo que tiene entre manos. Cuando Feynman dice: «Si no concuerda con el experimento, es falso», lo que quiere decir es: «Si no concuerda con el experimento adecuado». El modelo de una molécula de vapor de agua como una única esfera dura no permite la posibilidad del tipo de vibración asociado con las microondas, es decir, predice que el vapor de agua no emitirá microondas. Esto significa que es un modelo erróneo para utilizarlo cuando lo que nos interese sean las microondas. Pero no significa que el modelo sea erróneo para utilizarlo si lo que nos interesa es cómo se ve afectada la presión del aire en una habitación cuando la temperatura aumenta.

En la ciencia todo consiste en modelos y predicciones, en hallar la manera de conseguir crear dentro de nuestras mentes una imagen de cómo funciona el universo y en encontrar el modo de efectuar cálculos que predigan lo que sucederá en determinadas circunstancias. Cuanto más nos alejemos del mundo ordinario de la vida cotidiana, ya sea hacia una escala muy pequeña, o hacia una escala muy grande, más tendremos que confiar en las analogías: un átomo es, en determinadas circunstancias, «como» una bola de billar; un agujero negro es, en cierto sentido, «como» una abolladura en un trampolín.

Resultaría tedioso seguir de esta manera precisando las calificaciones relativas al uso de los distintos modelos, por lo que, ahora que ya me he desahogado, me abstendré de hacerlo y confiaré en que el lector recuerde la precisión que he realizado en el sentido de que el mejor modelo sólo es bueno en su propio contexto, y que los escoplos nunca se deben usar para hacer el trabajo que tienen que hacer los mazos. Siempre que nos refiramos a algo calificándolo de «real», lo que queremos decir es que es el mejor modelo que se puede utilizar en las circunstancias del caso.

Con esta condición, partiendo de la escala de los átomos, invitaré al lector a que descienda al mundo de lo muy, muy pequeño y, más adelante, a que salga al universo a gran escala, ofreciéndole la mejor explicación moderna (el mejor mo delo) de la naturaleza de las cosas dentro de cada escala. Todas serán ciertas, en el sentido de que concuerdan con los experimentos; todas van a encajar unas con otras, como las piezas de un rompecabezas, para dar una imagen coherente de cómo funciona el universo y todo lo que contiene; y todo lo podrá comprender, al menos en líneas generales, cualquier mente humana con una capacidad mediana. Existe otra característica de la ciencia, un punto de vista del que soy firme partidario y que ha configurado la estructura de este libro (y toda mi carrera), pero que no todos los científicos comparten necesariamente. Para mí, la ciencia es primordialmente la investigación sobre nuestro lugar en el universo, el lugar que ocupan los seres humanos en un mundo que se extiende desde las más diminutas partículas subatómicas hasta las extensiones más largas en el espacio y el tiempo. No existimos de manera aislada, por lo que la ciencia es una actividad humana cultural, no un mero esfuerzo desapasionado por alcanzar la verdad, al margen de lo duramente que nos esforcemos. Aquello de lo que se trata es siempre de dónde venimos y a dónde vamos. Por eso es la historia más emocionante que se ha relatado jamás.

En 1962, en una serie de conferencias para estudiantes universitarios impartidas en Caltech, Richard Feynman situó el modelo del átomo como centro de la explicación científica del mundo. Dijo lo siguiente:

Si por un cataclismo resultaran destruidos todos los conocimientos científicos y sólo una frase pudiera pasar a las generaciones siguientes, ¿qué sentencia contendría el máximo de información en el mínimo de palabras? Yo creo que es la
hipótesis atómica
(o el
hecho
atómico, o como quieran llamarlo), según la cual
todas las cosas están hechas de átomos —pequeñas partículas que se encuentran en perpetuo movimiento y se atraen entre sí cuando se sitúan a una corta distancia, pero que se repelen si se intenta introducir a la una en la otra—
. Sólo con que se utilice un poco de imaginación y de reflexión, en esta única frase, como verán, está contenida una enorme cantidad de información sobre el mundo.

La cursiva es de Feynman y se puede encontrar el texto completo en su libro Six Easy Pieces (Seis piezas fáciles)) Atendiendo a esta idea de Feynman, comenzamos nuestra guía de la ciencia hablando de los átomos. A menudo se señala que la idea de los átomos como últimas piezas indivisibles de las que está compuesta la materia se remonta a los tiempos de los antiguos griegos, cuando, en el siglo
V
a.C., Leucipo de Mileto y su alumno Demócrito de Abdera hablaban de estos entes fundamentales. De hecho, aunque Demócrito dio a los átomos este nombre (que significa «indivisible»), el asunto tiene algo de señuelo para despistar. Sus contemporáneos no se tomaron en serio esta idea, ni tampoco nadie durante más de dos mil años. El auténtico desarrollo del modelo del átomo data de finales del siglo
XVIII
, cuando los químicos comenzaron a trabajar en la moderna investigación de las propiedades de los elementos.

El concepto de elementos —sustancias fundamentales de las que está hecha toda la complejidad del mundo cotidiano— se remonta también a los primeros filósofos griegos, a los que se les ocurrió la idea de que todo está hecho de dis tintas mezclas de cuatro elementos: aire, tierra, fuego y agua. Aparte del nombre «elemento» y de la idea de que un elemento no se puede descomponer en formas químicas más sencillas, no queda nada del concepto griego de elemento en la química moderna, que se ha construido a partir de la obra de Robert Boyle, desarrollada a mediados del siglo
XVII
.

Boyle fue la primera persona que enunció la definición de elemento como una sustancia que se podía combinar con otros elementos para formar compuestos, pero tal que ella misma no se podía descomponer en ninguna sustancia más simple. El agua, por ejemplo, es un compuesto que se puede descomponer químicamente en las partes que lo componen, es decir, oxígeno e hidrógeno. Pero el oxígeno y el hidrógeno son elementos, porque no se pueden descomponer a su vez por medios químicos. No están hechos de otros elementos. El número de elementos conocidos fue aumentando a medida que los químicos desarrollaban nuevas técnicas para descomponer los compuestos; pero en el siglo
XIX
ya iba quedando claro qué sustancias eran realmente indivisibles.

El progreso definitivo en la comprensión del modo en que los elementos se combinan para dar compuestos llegó cuando John Dalton retomó el concepto de átomo a principios del siglo
XIX
. Basó su modelo en el descubrimiento de que, dado un compuesto concreto, independientemente de cómo haya sido preparado, la proporción entre los pesos de los diferentes elementos presentes en él es siempre la misma. Por ejemplo, en el agua la proporción de oxígeno respecto al hidrógeno es siempre 8:1 en cuanto al peso; en el carbonato cálcico (cal común) la proporción de calcio, carbono y oxígeno es siempre 10:3:12 en cuanto al peso.

La explicación de Dalton consistió en decir que cada clase de elemento está formado por una clase de átomos idénticos y que es la naturaleza de estos átomos la que determina las propiedades del elemento. Según esta idea, la característica diferenciadora clave para que sea posible decir que un elemento es distinto de otro es su peso. Cuando se combinan dos o más elementos, son realmente los átomos de los diferentes elementos los que se unen para formar lo que ahora se conoce como moléculas. Cada molécula de un compuesto contiene el mismo número de átomos que cualquier otra molécula del compuesto, teniendo cada una el mismo número de átomos de cada uno de los elementos que intervienen en cada molécula. Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H
₂
0); una molécula de carbonato cálcico está formada por un átomo de calcio, un átomo de carbono y tres átomos de oxígeno (CaCO
₃
). Además, actualmente sabemos que en el caso de algunos elementos los átomos pueden unirse entre sí para formar moléculas, sin que intervengan en esto otros elementos. El oxígeno que hay en el aire que respiramos, por ejemplo, está constituido por moléculas diatómicas, 0
₂
, las cuales no se consideran compuestos.