La historia de la física: de la filosofía natural a la mecánica clásica

Orígenes de la física: filosofía natural

La física es la ciencia que estudia en sí misma la naturaleza. Estudia los componentes fundamentales del universo: la energía, la materia, el espacio-tiempo y las interacciones fundamentales. Esta ciencia guarda una amplia relación con las explicaciones que el hombre tiene del funcionamiento de la naturaleza. Ya en la antigüedad, ciertas civilizaciones hicieron las primeras preguntas sobre los sucesos de la naturaleza, muchas veces dando explicaciones sobrenaturales o místicas a los fenómenos naturales. Hasta que, con el uso de la lógica, los primeros pensadores empiezan a dar interpretaciones sobre el mundo que lo rodea. Esto llevó a hacer análisis de carácter filosófico más que físico para intentar describir la realidad.

Surge en la Antigua Grecia con el concepto de filosofía natural. Es allí donde son realizados los primeros estudios científicos. Científicos, claro, para la época. Las primeras explicaciones que aparecieron en la Antigüedad se basaban en consideraciones puramente lógicas, sin verificarse experimentalmente, llevando a construcciones falsas o incompletas de la realidad. Esto se debe a que los griegos daban prioridad al pensamiento deductivo, y este no siempre funciona para ciertos fenómenos naturales.

Uno de los primeros filósofos en intentar dar respuesta a cómo estaba constituida la materia fue Tales de Mileto. Él propuso que la materia base, o elemento que formaba todas las cosas en el universo, era el agua, ya que de todas las sustancias es la que aparece en mayor cantidad en la atmósfera. A esto lo llamó arché, término que en la filosofía griega significa "principio" u "origen", y que se refiere a ese elemento fundamental a partir del cual se genera todo lo demás.

Otros filósofos sugirieron otros elementos naturales como el aire, el fuego o la tierra, lo que sugiere que en este tipo de análisis podemos ver indicios de ese pensamiento deductivo que caracterizaba a estos filósofos. Hoy sabemos que no es suficiente para comprender el universo, pero para la época era una gran revolución.

A menudo, Tales es considerado el iniciador de la especulación científica y filosófica greco-occidental. Sin embargo, la contribución más importante de los griegos fue la primera teoría atómica, concebida por Leucipo de Mileto y desarrollada luego por Demócrito. De acuerdo con Demócrito, si un pedazo de materia se dividía continuamente, llegaría a un punto en el que sería indivisible. A esta unidad fundamental la llamó átomo.

Otro filósofo natural fundamental fue Aristóteles, destacado entre todos por ser uno de los primeros y el que más aportes hizo a la filosofía natural. Aristóteles estudió la naturaleza y tiene abundantes escritos sobre plantas, astros y animales. Sus estudios sirven hoy en día para hacer una distinción de lo que se consideraba física en la antigüedad y lo que es ahora. Introdujo conceptos esenciales que influenciaron profundamente el pensamiento científico, como su enfoque lógico, basado en la observación empírica, y el estudio de las causas. Su lógica buscaba explicar la naturaleza a partir de relaciones de causa y efecto, lo que alentó un método de investigación que, aunque limitado para su época, sentó una base que seguiría siendo relevante hasta el desarrollo de la ciencia moderna.

La primera revolución científica

A pesar de la gran aportación de Aristóteles, durante muchos siglos sus estudios fueron tomados como verdades indiscutibles, permaneciendo casi como un dogma por aproximadamente 2000 años sin que nadie los cuestionara, en especial por la aceptación de la Iglesia católica, que en aquellos años tenía autoridad sobre las descripciones de la realidad. De esta manera, por una cuestión de autoridad, se dio credibilidad a teorías muchas veces erróneas o incompletas. Un ejemplo de ello es la adopción del modelo geocéntrico de la Tierra para explicar el funcionamiento del universo. modelo que cuestionarían pensadores de la época.

Diversos pensadores comenzaron a construir explicaciones sustentadas no solo en la deducción lógica, sino en experimentos, datos cuantificables y observaciones verificables. Así surgió la primera gran revolución de la física, gracias a Nicolás Copérnico, quien en el siglo XVI propuso el modelo heliocéntrico del sistema solar. En él que el Sol ocupaba el centro, mientras que la Tierra y los demás planetas giraban a su alrededor a diferencia del modelo geocéntrico donde la tierra era el centro. Estas ideas comenzarían por cuestionar los conocimientos de la época para dar lugar a una nueva era de pensamiento.

Más adelante, Johannes Kepler propuso las tres leyes del movimiento planetario entre 1609 y 1618. En ellas establece que los planetas del sistema solar se mueven en órbitas elípticas. Kepler contribuyó al estudio de la física y de la óptica. El trabajo de Copérnico y Kepler liberó a los astrónomos europeos del yugo aristotélico. Ahora el funcionamiento de los cielos podría ser explicado por las mismas leyes físicas de la Tierra.

Aunque el dogma había sido cuestionado, aún había instituciones que querían conservar las nociones dichas por Aristóteles. Sin embargo, un personaje llegaría para dar sentido a los trabajos de Copérnico y Kepler, y consolidar así la revolución científica. Este personaje fue Galileo Galilei, quien llegó para dar forma a la ciencia. Por eso es considerado el padre de la astronomía moderna, el padre de la física moderna y hasta el padre de la ciencia. Con ayuda de la invención y mejora del telescopio, se convirtió en el responsable de una gran variedad de observaciones astronómicas que dieron a conocer la naturaleza del universo.

Observó la Luna, los planetas y nuestro lugar en el universo. De manera que gracias al telescopio se pudieron tener pruebas que consolidaron lo que empezó Copérnico y que Kepler desarrolló. Con estas nuevas observaciones se demostró la incompatibilidad con el modelo geocéntrico, lo cual le trajo conflicto con la Iglesia católica, la cual poseía una gran autoridad para la época. Estos hechos reflejan la lucha entre lo que es un conflicto entre el razonamiento inductivo y el razonamiento deductivo. Galileo usó por primera vez el método científico, basado en la observación de la realidad, ofreciendo pruebas experimentales de sus afirmaciones y publicando los resultados para que pudieran ser repetidos.

Consolidó un nuevo modelo de obtención del conocimiento que competía contra la deducción basada en la autoridad, bien de filósofos como Aristóteles o de las sagradas escrituras. Galileo siempre se basó en datos extraídos de observaciones experimentales que demostraban la validez de sus argumentos. Por lo que su forma de hacer ciencia era considerada moderna. La tarea de la ciencia después de este siglo fue encontrar técnicas precisas para tener el control racional de la experiencia y mostrar cómo conceptos matemáticos se pueden utilizar para explicar los fenómenos naturales. Así Galileo logró que la física adoptara un modelo científico, modelo que debería seguir todo saber que quisiera alcanzar la categoría de conocimiento científico real.

A esto se suma el filósofo, matemático y físico René Descartes, quien continuando con la revolución científica y las críticas a la visión aristotélica, hizo importantes contribuciones a la filosofía moderna y a la física con las coordenadas cartesianas. Descartes aplica su duda metódica y, tras dudar de todo, descubre que el sujeto que duda tiene que existir: cogito ergo sum.

Gracias a sus aportes a la filosofía, Descartes identifica la materia como la extensión espacial, pues esta es la única propiedad clara y distinta sin la cual no se pueden concebir los cuerpos. Su programa mecánico consistía en reducir todos los fenómenos a los movimientos, conectando todo el universo con la geometría. Por lo tanto, no acepta en física principios que no sean aceptados en matemáticas. Materia y movimiento son, para él, los principios últimos de toda explicación física.

De esta manera, se comprende el mecanicismo del universo. Galileo lo hace reduciendo el movimiento de caídas a fórmulas matemáticas, y Descartes con su contribución a la geometría. Este mecanismo puede ser visto como el indicio del principio de causalidad: todo tiene una causa y un efecto. Principio adoptado con profundidad siglos después. De esta manera, Galileo y Descartes descubren el lenguaje del universo, dejándolo en evidencia en esta cita:

"La filosofía está escrita en este gran libro, continuamente abierto ante nuestros ojos, me refiero al universo. Pero no se puede comprender si antes no se ha comprendido su lenguaje y nos hemos familiarizado con los caracteres en los que está escrito. Está escrito en el lenguaje matemático, y los caracteres son triángulos, círculos y demás figuras geométricas, sin los cuales es humanamente imposible entender ni una sola palabra; sin ellos se da vueltas en vano por un oscuro laberinto."

Así, la física encontró en la matemática no solo un método, sino un idioma para descifrar las leyes más profundas de la realidad.