Filosofía de la Física

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Nota: Podría decirse que la filosofía de la mecánica cuántica, no reconocida como tal por muchos metafísicos, es una parte de la filosofía física.

Filosofía de la Física

Filosofía de la física, especulación filosófica sobre los conceptos, métodos y teorías de las ciencias físicas, especialmente la física.

La filosofía de la física no es tanto una disciplina académica -aunque sí lo es- como una frontera intelectual a través de la cual la física teórica y la filosofía occidental moderna se han informado e inquietado mutuamente durante más de 400 años. Muchos de los compromisos intelectuales más profundos de la cultura occidental -sobre el carácter de la materia, la naturaleza del espacio y el tiempo, la cuestión del determinismo, el significado de la probabilidad y el azar, la posibilidad del conocimiento y muchas otras cosas- se han cuestionado vivamente desde el inicio de la ciencia moderna, empezando por la obra de Galileo (1564-1642).Entre las Líneas En la época de Sir Isaac Newton (1642-1727), ya estaba en marcha una animada conversación entre la física y una tradición filosófica occidental claramente moderna, un intercambio que ha florecido hasta nuestros días. Esa conversación es el tema de este artículo.

Este texto analiza las estructuras lógicas de las teorías físicas más generales de la ciencia moderna, junto con sus motivaciones e implicaciones metafísicas y epistemológicas. Para el tratamiento de los elementos de la investigación científica desde una perspectiva filosófica, véase ciencia (para un examen del concepto, véase que es la ciencia y que es una ciencia física), filosofía de la ciencia.

La filosofía del espacio y del tiempo

La concepción newtoniana del universo

Según Newton, el mobiliario físico del universo está formado en su totalidad por puntos materiales infinitesimales, comúnmente denominados partículas.

Más Información

Los objetos extensos, o que ocupan volúmenes finitos de espacio, se tratan como conjuntos de partículas, y los comportamientos de los objetos están determinados, al menos en principio, por los comportamientos de las partículas que los componen. Las propiedades de las partículas incluyen la masa, la carga eléctrica y la posición.

La concepción newtoniana es completa y determinista. Es completa en el sentido de que, si fuera posible enumerar, para cada momento del tiempo pasado, qué partículas existieron, cuáles fueron sus masas, cargas eléctricas y otras propiedades intrínsecas, y qué posiciones ocuparon, la lista representaría absolutamente todo lo que podría decirse sobre la historia física del universo; contendría todo lo que existió y cada acontecimiento que ocurrió. La concepción newtoniana es determinista en el sentido de que, si fuera posible enumerar, para un momento concreto del tiempo, la posición y otras propiedades intrínsecas de cada partícula del universo, así como la forma en que la posición de cada partícula va cambiando a medida que avanza el tiempo, toda la historia futura del universo, en cada detalle, sería predecible con absoluta certeza. Sin embargo, muchos pensadores han considerado que este determinismo es incompatible con ideas profundas e importantes sobre lo que es ser un ser humano o llevar una vida humana: ideas como la libertad y la responsabilidad, la autonomía (véase qué es, su concepto; y también su definición como “autonomy” en el contexto anglosajón, en inglés), la espontaneidad, la creatividad y la aparente “apertura” del futuro.

La estructura lógica de la mecánica newtoniana

El ritmo al que cambia la posición de una partícula en un momento determinado, a medida que el tiempo avanza, se llama velocidad de la partícula en ese momento. El ritmo al que cambia la velocidad de una partícula en un momento determinado, a medida que el tiempo avanza, se denomina aceleración de la partícula en ese momento. La concepción newtoniana estipula que la fuerza, que actúa para mantener o alterar el movimiento de una partícula, surge exclusivamente entre pares de partículas; además, las fuerzas que dos partículas cualesquiera ejercen una sobre la otra en un momento dado dependen únicamente de qué clase de partículas son y de sus posiciones una respecto a la otra. Así pues, en la mecánica newtoniana (la ciencia del movimiento de los cuerpos bajo la acción de las fuerzas), la especificación de las posiciones de todas las partículas del universo en un momento determinado y de los tipos de partículas que son equivale a una especificación de las fuerzas que operan sobre cada una de esas partículas en ese momento.

Según la segunda ley del movimiento de Newton, existe una relación matemática muy sencilla entre la fuerza total sobre cualquier partícula en un momento determinado, su aceleración en ese momento y su masa; la fuerza que actúa sobre una partícula es igual a la masa de la partícula multiplicada por su aceleración.

La aplicación de esta ley (en adelante “ley del movimiento de Newton”) puede ilustrarse con detalle en el siguiente ejemplo. Supongamos que se desea calcular, para cada partícula i de un determinado subsistema del universo, la posición de esa partícula en un tiempo futuro t = T. Para cada partícula en un tiempo inicial t = 0, se da la posición de la partícula (x0i), la velocidad (v0i), la masa (mi), la carga eléctrica (ci) y todas las demás propiedades intrínsecas.

Una forma de realizar el cálculo es mediante una sucesión de aproximaciones progresivamente mejores. Así, la primera aproximación podría consistir en calcular las posiciones de todas las partículas en t = T suponiendo que sus velocidades son constantes e iguales a v0i en t = 0 a lo largo de todo el intervalo entre t = 0 y t = T. Esta aproximación situaría a la partícula i en x0i + v0i(T) en t = T. Sin embargo, es evidente que la aproximación no sería muy exacta, porque de hecho las velocidades de las partículas no permanecerían constantes a lo largo del intervalo (a menos que no actuaran fuerzas sobre ellas).

Una aproximación algo mejor podría obtenerse dividiendo el intervalo de tiempo en cuestión en dos, un intervalo que se extiende desde t = 0 hasta t = T/2 y el otro que se extiende desde t = T/2 hasta t = T. Entonces las posiciones de todas las partículas en T/2 podrían calcularse suponiendo que sus velocidades son constantes e iguales a sus valores en t = 0 a lo largo del intervalo entre t = 0 y t = T/2; esto situaría a la partícula i en x0i + v0i(T/2) en T/2. Las fuerzas que actúan sobre cada una de las partículas en t = 0 podrían entonces calcularse, según la concepción newtoniana, a partir de sus posiciones en t = 0 junto con sus masas, cargas y otras propiedades intrínsecas, todas ellas dadas al principio.

Las velocidades de las partículas en T/2 podrían obtenerse introduciendo los valores de estas fuerzas en la ley del movimiento de Newton, F = ma, y suponiendo que, a lo largo del intervalo de t = 0 a t = T/2, sus aceleraciones son constantes e iguales a sus valores en t = 0. Esto haría que la velocidad de la partícula i fuera igual a v0 + a0i(T/2), donde a0i es igual a la fuerza sobre la partícula i en t = 0 dividida por la masa de la partícula i (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Finalmente, la posición de la partícula i en t = T podría calcularse suponiendo que i mantiene la nueva velocidad durante todo el intervalo entre t = T/2 y t = T.

Aunque esta aproximación también sería inexacta, supone una mejora con respecto a la primera, ya que los intervalos durante los cuales las velocidades de las partículas se suponen erróneamente constantes son más cortos en el segundo cálculo que en el primero. Por supuesto, esta mejora puede mejorarse dividiendo el intervalo en 4, 8 o 16 intervalos.

A medida que el número de intervalos se acerca al infinito, el cálculo de las posiciones de las partículas en t = T se acerca a la perfección. Así, dada una especificación suficientemente sencilla de la dependencia de las fuerzas a las que están sometidas las partículas con respecto a sus posiciones relativas, se pueden utilizar las técnicas del cálculo integral para realizar el cálculo perfecto de las posiciones de las partículas. Como T puede tener cualquier valor positivo, las posiciones de todas las partículas del sistema en cuestión en cualquier momento entre t = 0 y t = ∞ (infinito) pueden, en principio, calcularse con exactitud y certeza a partir de sus posiciones, velocidades y propiedades intrínsecas en t = 0.

¿Qué es el espacio?

Relacionismo y absolutismo

La mecánica newtoniana predice los movimientos de las partículas, o cómo las posiciones de las partículas en el espacio cambian con el tiempo.Si, Pero: Pero la posibilidad misma de que exista una teoría que prediga cómo cambian las posiciones de las partículas en el espacio con el tiempo requiere que haya una cuestión de hecho determinada sobre qué posición ocupa cada partícula en el espacio.Entre las Líneas En otras palabras, tal teoría requiere que el espacio en sí mismo sea una cosa existente de forma independiente -el tipo de cosa en la que una partícula podría ocupar una parte determinada, o el tipo de cosa en relación con la cual una partícula podría moverse. Sin embargo, hay una larga y distinguida tradición filosófica que duda de que tal cosa pueda existir.

La duda se basa en el hecho de que es difícil incluso imaginar cómo podría llevarse a cabo una medición de la posición absoluta en el espacio de cualquier partícula, o de cualquier conjunto de partículas. ¿Qué observación, por ejemplo, podría determinar si cada partícula del universo se ha movido de repente a una posición exactamente un millón de kilómetros a la izquierda de donde estaba antes? Según algunos filósofos, es al menos erróneo, y quizá incluso incoherente, suponer que hay cuestiones de hecho sobre el universo a las que los seres humanos no pueden, en principio, tener acceso empírico. Un “hecho” es necesariamente algo que es verificable, al menos en principio, mediante algún tipo de medición.

Una Conclusión

Por lo tanto, algo puede ser un hecho sobre el espacio sólo si es relacional, un hecho sobre las distancias entre partículas. Hablar de hechos sobre posiciones “absolutas” no tiene sentido.

El relacionismo, como se denomina esta visión de la naturaleza del espacio, afirma que el espacio no es una cosa que exista de forma independiente, sino simplemente una representación matemática de la infinidad de relaciones espaciales diferentes que las partículas pueden tener entre sí.Entre las Líneas En el punto de vista opuesto, conocido como absolutismo, el espacio es una cosa independientemente existente, y los hechos sobre el universo que pueda haber no coinciden necesariamente con lo que en principio puede establecerse mediante la medición.

A primera vista, el sistema newtoniano del mundo está comprometido con una idea absolutista del espacio. La mecánica newtoniana hace afirmaciones sobre cómo las posiciones de las partículas -y no sólo sus posiciones relativas- cambian con el tiempo, y hace afirmaciones sobre qué leyes regirían el movimiento de una partícula completamente sola en el universo. El relacionismo, por el contrario, se compromete a proponer que no tiene sentido ni siquiera preguntar cuáles podrían ser esas leyes.

La crítica relacionalista al espacio absoluto se originó con el filósofo alemán Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), y la defensa del absolutismo comenzó, como es lógico, con el propio Newton, junto con su acólito filosófico Samuel Clarke (1675-1729). El debate entre ambas posturas ha continuado hasta nuestros días, adoptando muchas formas diferentes y teniendo muchas ramificaciones importantes.

Unos 150 años después de la muerte de Newton, los rasgos esenciales del debate se demostraron vívidamente en un experimento mental propuesto por el filósofo alemán de la Ilustración Immanuel Kant (1720-1804). Según Kant, el relacionismo no puede ser correcto, porque reconoce menos hechos espaciales sobre el mundo de los que hay manifiestamente.

Consideremos un par de universos posibles, en uno de los cuales el único objeto es un guante para diestros y en el otro un guante para zurdos (por lo demás idéntico).

Informaciones

Los dos universos no difieren con respecto a ningún hecho espacial reconocido por el relacionista: las relaciones espaciales entre las partículas que componen el guante diestro son las mismas que entre las partículas que componen el guante zurdo (es decir, los guantes son “relacionalmente idénticos”). Sin embargo, los dos universos son diferentes, porque las formas de los guantes son tales que no se pueden hacer coincidir exactamente, por mucho que se giren o roten. Por tanto, concluyó Kant, el relacionismo es falso.

La respuesta relacionalista al argumento de Kant consistía esencialmente en negar que los dos universos (o guantes) fueran intrínsecamente diferentes de la forma que Kant sugería. La respuesta puede expresarse en forma general como sigue.

Consideremos el conjunto de todas las formas materiales matemáticamente posibles, es decir, todas las disposiciones de partículas matemáticamente posibles. Algunas de estas formas pueden, y otras no, hacerse coincidir exactamente con sus imágenes especulares. Los pantalones y los sombreros, por ejemplo, pueden hacerse coincidir con sus imágenes especulares, mientras que los guantes y los zapatos no; estos últimos son “diestros” y los primeros son “no diestros”.Si, Pero: Pero mientras que ser diestro y ser zurdo no son predicados relacionalistas legítimos, ser diestro sí lo es. Es decir, que el hecho de que una determinada forma sea diestra o no dependa sólo de las distancias entre las partículas que la componen. Además, el hecho de que la lateralidad de dos objetos relacionalmente idénticos, como por ejemplo un par de guantes, sea igual o diferente -si los dos objetos pueden coincidir exactamente en el espacio- viene determinado exclusivamente por las distancias entre las partículas constituyentes del primer objeto y las correspondientes partículas constituyentes del segundo objeto (por ejemplo, la partícula de la punta del pulgar del primer guante y la partícula de la punta del pulgar del segundo guante). No hay nada más allá de estas relaciones espaciales que pueda suponer una diferencia.

Si lo único que determina si la lateralidad de un par de objetos relacionalmente idénticos es igual o diferente son las relaciones espaciales entre sus correspondientes partículas, entonces no puede haber ninguna diferencia “intrínseca” entre dos objetos de lateralidad opuesta. La impresión de que debe haber tal diferencia se debe a que el tipo particular de relación en cuestión -a pesar de que es perfecta y exclusivamente espacial- es uno que ninguna combinación de rotaciones y traslaciones tridimensionales puede alterar.

De este análisis se desprende que no puede haber ninguna cuestión de hecho respecto a si los dos guantes del experimento mental de Kant tienen la misma lateralidad. Esto se debe a que no puede haber ninguna relación espacial entre las correspondientes partículas de los guantes que constituyen dos universos separados y distintos.

El debate entre el absolutismo y el relacionismo no avanzó de forma apreciable más allá de este punto hasta mediados del siglo XX, cuando se descubrieron nuevas leyes físicas fundamentales que aparentemente no pueden expresarse en lenguaje relacionista. Las leyes en cuestión se refieren a los productos de desintegración de ciertas partículas elementales. Las configuraciones espaciales en las que aparecen sus productos de desintegración son invariablemente diestras; además, algunas de estas partículas elementales tienen más probabilidades de desintegrarse en una versión diestra de la configuración que en una zurda (o viceversa). Estas leyes, por supuesto, simplemente no se pueden decir en el vocabulario de los relacionistas.

Pero los relacionistas fueron capaces de argumentar que las leyes podían ser reformuladas para decir sólo que (1) dada una única partícula elemental de este tipo, sus productos de desintegración mostrarán necesariamente una configuración de mano de un cierto tipo, (2) las configuraciones de los productos de desintegración de cualquier grupo grande de tales partículas elementales es probable que caigan en dos clases de manos opuestas, y (3) estas dos clases es probable que sean desiguales en tamaño.

Aunque la consistencia interna y la adecuación empírica de la posición relacionista son inatacables, tienen un cierto precio conceptual, ya que parece que las leyes de las desintegraciones de las partículas en cuestión tienen ahora un carácter curiosamente “no local”, en el sentido de que parecen requerir una acción tanto a distancia espacial como temporal. Es decir, en esta interpretación del mundo, lo que las leyes aparentemente requieren de cada nuevo evento de desintegración es que tenga la misma lateralidad que la mayoría de las desintegraciones de tales partículas elementales que tuvieron lugar en otro lugar y antes.

La cuestión del movimiento

Mucho antes de Kant, el propio Newton diseñó un experimento mental para demostrar que el relacionismo debía ser falso. Lo que pretendía establecer era que el relacionismo se derrota a sí mismo, porque no puede haber una explicación relacionista de las propiedades del mundo que el propio relacionismo pretende describir.

Consideremos un universo que consiste enteramente en dos bolas unidas a los extremos opuestos de un muelle. Supongamos que la longitud del muelle, en su configuración relajada -sin estirar y sin comprimir- es L. Imaginemos también que hay algún momento particular en la historia de este universo en el que (1) la longitud del muelle es mayor que L y (2) no hay dos componentes materiales de este universo cuya distancia entre sí cambie con el tiempo -es decir, no hay dos componentes materiales cuya velocidad relativa sea distinta de cero-. Supongamos, por último, que se desea saber algo sobre la evolución dinámica de este universo en el futuro inmediato: ¿Oscilará el muelle o no?

Según la forma convencional de entender la mecánica newtoniana, que el muelle oscile depende de si, y en qué medida, en el momento en cuestión, está girando con respecto al espacio absoluto. Si el muelle está inmóvil, oscilará, pero si está girando a la velocidad adecuada, permanecerá estirado. El problema para el relacionista es que el relacionismo no puede acomodar la rotación con respecto al espacio absoluto. El relacionista, que debe sostener que no hay ninguna cuestión de hecho sobre si el muelle está girando, no puede predecir si el muelle oscilará o explicar por qué algunos de esos muelles empiezan a oscilar y otros no.

La respuesta estándar de los relacionistas a este argumento es señalar que el universo real contiene mucho más que el universo hipotético del experimento mental de Newton. La idea es que hay una miríada de otras cosas que podrían servir como un sustituto material concreto del espacio absoluto, un sistema material concreto de referencia en el que podría basarse un análisis plenamente relacionista de la rotación.

El físico austriaco Ernst Mach (1838-1916), hablando en lenguaje absolutista, señaló que el propio universo parece no estar girando (es decir, el momento angular total del universo real parece ser cero).

Una Conclusión

Por lo tanto, en lo que respecta al universo real, la rotación con respecto al espacio absoluto equivale precisamente a la rotación con respecto al propio centro de gravedad del universo o a su “masa mayor” o a sus “estrellas fijas” (que, en la época de Mach, se pensaba que constituían la inmensa mayoría de la masa mayor del universo). La propuesta de Mach era, pues, que la rotación se definiera simplemente como la rotación con respecto a la masa del universo y que el movimiento en general se definiera simplemente como el movimiento con respecto a la masa del universo. Si se aceptara esta propuesta, entonces una teoría relacionalista del movimiento de las partículas podría formularse como F = ma, donde a se entiende como la aceleración con respecto a la masa del universo.

Nótese que el coste del relacionismo en este caso, como en el caso de la respuesta relacionista al argumento de las contrapartes incongruentes, es la no localidad. Mientras que la ley newtoniana del movimiento gobierna las partículas a través de un espacio absoluto que está siempre y en todas partes exactamente donde están las propias partículas, lo que las leyes maquianas gobiernan son meramente los ritmos a los que las relaciones espaciales (distancias) entre las diferentes partículas cambian con el tiempo -y estas partículas pueden en principio estar arbitrariamente alejadas (ver más abajo No localidad).

Hay al menos otra forma de realizar las aspiraciones del relacionista en el contexto de una mecánica clásica de los movimientos de las partículas. La idea sería no buscar un sustituto material concreto para el espacio absoluto, sino descartar sistemáticamente los compromisos de la mecánica newtoniana en relación con el espacio absoluto que no tienen que ver directamente con los ritmos de cambio de las distancias entre las partículas a lo largo del tiempo, manteniendo todos y sólo aquellos que sí lo tienen.

Una vez concebido el problema en estos términos, su solución es perfectamente sencilla. Una teoría relacionista completa de los movimientos de las partículas podría formularse como sigue:

Una historia dada de cambios en las distancias entre ciertas partículas es físicamente posible si, y sólo si, puede concebirse que tiene lugar dentro del espacio absoluto newtoniano de tal manera que satisfaga F = ma.

Esta teoría, al igual que la de Mach, satisface todos los desideratos relacionistas estándar: se ocupa exclusivamente de los cambios en las distancias entre las partículas a lo largo del tiempo; no hace afirmaciones sobre el movimiento de una sola partícula en el universo o sobre el movimiento de la masa del universo; y es invariante bajo todas las transformaciones que dejan invariantes las evoluciones temporales de las distancias entre las partículas.

Sin embargo, a diferencia de la teoría de Mach, ésta reproduce todas las consecuencias de la mecánica newtoniana para las evoluciones temporales de las distancias entre partículas. Puede explicar por qué el resorte del experimento mental de Newton oscila o no oscila, porque no necesita suponer que el momento angular total del universo es cero. Aunque la teoría no es menos no local que la de Mach, implica que la ley de movimiento que rige los subsistemas aislados del universo no hará referencia a lo que ocurre en el resto del universo.

El tiempo

Es evidente que las consideraciones empíricas que se han aportado a las cuestiones sobre la naturaleza del espacio también tienen implicaciones para la naturaleza del tiempo.Entre las Líneas En primer lugar, hay que tener en cuenta que la posición de uno en el “tiempo absoluto” no es más detectable que la ubicación de uno en el espacio absoluto.

Una Conclusión

Por lo tanto, desde una perspectiva empirista, no puede haber ninguna cuestión de hecho sobre qué tiempo absoluto es actualmente. Mach razonó, además, que no puede haber un acceso observacional directo a las longitudes de los intervalos de tiempo; lo más que se puede determinar es si un evento dado ocurre antes, después o simultáneamente con otro evento.

En la mecánica newtoniana, un “reloj” (o un “buen reloj”) es un sistema físico con un cierto tipo de estructura dinámica. Desde una perspectiva relativista, que algo sea un reloj (o un buen reloj) no tiene nada que ver con las correlaciones entre la configuración de la esfera del reloj y “qué hora es” o entre los cambios en la configuración de la esfera del reloj y “cuánto tiempo ha pasado”, ya que, para un relativista, no hay hechos sobre qué hora es o sobre cuánto tiempo dura un determinado proceso. Un buen reloj es simplemente un sistema físico con piezas cuyas posiciones están correlacionadas con las propiedades físicas del resto del universo mediante una ley simple y poderosa.Entre las Líneas En la medida en que los intervalos de tiempo son incluso inteligibles, desde este punto de vista, no se miden sino que se definen por los cambios en las esferas del reloj.

La técnica utilizada anteriormente para elaborar una teoría relacionalista del espacio puede aplicarse de forma más general para diseñar una teoría relacionalista tanto del espacio como del tiempo. Es decir, se procede descartando sistemáticamente los compromisos de la mecánica newtoniana relativos al espacio absoluto y al tiempo absoluto que no tienen que ver directamente con las secuencias de distancias entre partículas, manteniendo sólo los que sí lo hacen.

La teoría resultante puede formularse como sigue:

Una historia dada de cambios en las distancias entre ciertas partículas es físicamente posible si, y sólo si, puede concebirse que tiene lugar dentro del espacio-tiempo absoluto newtoniano de tal manera que satisfaga F = ma.

Naturalmente, las conclusiones de la sección anterior -sobre la equivalencia empírica de la teoría relacionalista con la mecánica newtoniana, sobre la localidad y sobre la aplicabilidad de la teoría a subsistemas aislados del universo- se aplican también a la teoría relacionalista del espacio y el tiempo.

La teoría especial de la relatividad

Imaginemos dos observadores, uno de los cuales está en reposo con respecto al espacio absoluto y el otro se mueve a lo largo de una línea recta con una velocidad constante.

Más Información

Los observadores como éstos, cuyas aceleraciones con respecto al espacio absoluto son nulas, se denominan “inerciales”. Puede decirse que cada observador representa un marco de referencia completo, del que es el origen espacial. Llamemos a uno de estos observadores (y su marco de referencia asociado) K y al otro (y su marco de referencia asociado) K′.Entre las Líneas En relación con estos marcos de referencia, a cualquier suceso localizado espaciotemporalmente se le puede asignar un triplete único de coordenadas espaciales y un tiempo. Llamemos a los ejes de coordenadas espaciotemporales de K x, y, z, y t, y llamemos a los ejes de coordenadas espaciotemporales de K′ x′, y′, z′, y t′. Por último, supongamos que K′ está en movimiento respecto a K en la dirección x positiva con velocidad v, y supongamos que K y K′ coinciden en el tiempo t = t′ = 0.

Entonces se deduce de lo que parecen ser consideraciones geométricas elementales e inevitables que la relación entre la dirección espaciotemporal que K asigna a cualquier suceso y la dirección espaciotemporal que K′ asigna al mismo suceso viene dada por las llamadas transformaciones galileanas:
x = x′ – vt; y = y′; z = z′; t = t′.

Dos consecuencias triviales de estas transformaciones figurarán en la discusión que sigue: (1) si un cuerpo se desplaza en la dirección x con velocidad j desde la perspectiva de K, entonces se desplaza en la dirección x′ con velocidad j – v desde la perspectiva de K′, y (2) la aceleración de cualquier cuerpo juzgada desde la perspectiva de K es siempre idéntica a su aceleración juzgada desde la perspectiva de K′ (de hecho, será idéntica a su aceleración juzgada desde la perspectiva de cualquier observador que no esté acelerando con respecto a K).

Si K mide las posiciones y las velocidades y aceleraciones de las partículas respecto a él, lo que encontrará, según la mecánica newtoniana, es que todas esas cantidades evolucionan en el tiempo de acuerdo con la ecuación F = ma. Todos los observadores coincidirán con K en la masa de cada partícula y en la magnitud y dirección de las fuerzas a las que está sometida cada partícula, en un momento determinado. Además, dado (2) anterior, todos los observadores que no aceleren con respecto a K estarán de acuerdo con K en la aceleración de cada partícula en cualquier momento particular.

Una Conclusión

Por lo tanto, si los movimientos de todas las partículas del universo son tales que obedecen a F = ma con respecto al espacio absoluto, entonces necesariamente obedecerán a F = ma con respecto a cualquier marco de referencia que se mueva con una velocidad constante con respecto al espacio absoluto (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). F = ma se describe así en la literatura física como “invariante bajo transformaciones entre diferentes marcos de referencia inerciales”.

De este relato se deduce que el movimiento con velocidad constante respecto al espacio absoluto es completamente indetectable, en un universo newtoniano, mediante cualquier tipo de experimento físico. Precisamente por esta razón, el debate entre absolutistas y relacionistas sobre la naturaleza del espacio, el tiempo y el movimiento se centra por completo en los casos de aceleración y rotación. A mediados del siglo XIX, la tesis muy general de que todas las leyes fundamentales de la física deben ser invariantes bajo transformaciones entre diferentes marcos de referencia inerciales -invariantes bajo “impulsos”- se había convertido en un profundo artículo de fe en la física teórica.

Sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX, el físico escocés James Clerk Maxwell propuso una teoría física fundamental, la teoría del electromagnetismo, según la cual la velocidad de la luz al propagarse por el espacio vacío es siempre la misma. Una ley así no sería invariable bajo las transformaciones galileanas. Sorprendentemente, varios intentos experimentales de medir la velocidad de la luz desde la perspectiva de diferentes marcos de referencia inerciales dieron el mismo resultado: la velocidad era precisamente el valor predicho por la teoría de Maxwell.

El primer intento significativo de explicar este hecho se debió principalmente al físico holandés Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928). El planteamiento de Lorentz incluía violaciones explícitas de la invariancia de las leyes fundamentales de la física bajo transformaciones de “impulso”. Propuso explicar los desconcertantes resultados de los experimentos descritos anteriormente mediante una teoría del “mal funcionamiento” sistemático y legal de los relojes y las varillas de medición que están en movimiento con respecto al espacio absoluto. Así, según Lorentz, existen hechos reales y físicamente significativos sobre las velocidades de los cuerpos con respecto al espacio absoluto que, por principio, no pueden ser verificados experimentalmente.

El segundo intento, y a la postre mucho más importante, de resolver la anomalía que representa la teoría de Maxwell se debe a Albert Einstein (1879-1955). El planteamiento de Einstein consistía en ver lo que podría derivarse de la insistencia decidida en que la velocidad de la luz es la misma con respecto a todos los marcos de referencia inerciales. La única manera de satisfacer los requisitos del programa de Einstein era rechazar las “consideraciones geométricas elementales e inevitables” que llevaron a las transformaciones galileanas en primer lugar. Y esto era nada más y nada menos que abandonar toda idea previamente sostenida sobre la estructura del espacio y el tiempo.

Mediante una serie de experimentos mentales muy sencillos, Einstein pudo demostrar que, si la ley de la velocidad de la luz es constante y si esta ley es invariable bajo transformaciones entre marcos de referencia relativamente móviles, el hecho de que dos sucesos sean simultáneos debe depender del marco de referencia desde el que se vean. De forma más general, los hechos sobre los intervalos de tiempo y las distancias espaciales entre determinados sucesos también deben depender del marco de referencia. Tales juicios están a la par de los juicios sobre qué objetos están a la derecha o a la izquierda de otros: son cuestiones sobre las que simplemente no hay hechos absolutos, ya que dependen de la propia perspectiva, o punto de vista físico.

Estos resultados pueden extenderse sin mucha dificultad a un conjunto más complicado de ecuaciones para transformar entre marcos de referencia que están en movimiento uno respecto del otro con velocidades uniformes. Las llamadas transformaciones de Lorentz representan un reemplazo relativista especial de las transformaciones galileanas mencionadas anteriormente. Así, el contenido físico de la teoría especial de la relatividad consiste esencialmente en la exigencia de que las leyes fundamentales de la física sean invariantes bajo las transformaciones de Lorentz, en lugar de las galileanas.

La relatividad de la simultaneidad no es más que la tesis de que no existe un “presente” independiente de la perspectiva.Entre las Líneas En otras palabras, no hay ningún hecho independiente de la perspectiva sobre lo que está sucediendo, en cualquier lugar dado, precisamente ahora. Esta tesis resultó especialmente chocante para las visiones filosóficas convencionales del tiempo, que sostenían (por ejemplo) que sólo el presente es real o que el tiempo pasa por una sucesión continua de “ahora” o que el pasado (pero no el futuro) está metafísicamente establecido.

Por otra parte, la noción popular de que el resultado del gran logro de Einstein es que en algún sentido todos los fenómenos físicos son “relativos” no es ciertamente cierta y probablemente ni siquiera inteligible. Al fin y al cabo, la teoría especial de la relatividad se diseñó explícitamente para garantizar que la velocidad de la luz en el espacio vacío es en todas partes y siempre aproximadamente 186.000 millas (300.000 km) por segundo. Además, la teoría implica que existe una determinada combinación algebraica de distancias espaciales y temporales entre cualquier par de sucesos -el llamado “intervalo espacio-temporal”- en la que todos los observadores inerciales estarán necesariamente de acuerdo. Por ello, la teoría especial de la relatividad se describe a menudo como el descubrimiento de que lo que antes se denominaba espacio y tiempo son partes de una única estructura geométrica llamada espacio-tiempo.

Curiosamente, la teoría especial de la relatividad es mucho menos complaciente con las aspiraciones relacionistas que la concepción newtoniana del universo. De hecho, todas las estrategias relacionistas estándar resultan imposibles en el contexto de la relatividad especial. Así, es imposible sustituir el discurso sobre las evoluciones temporales de las posiciones en el espacio absoluto por el discurso sobre las evoluciones temporales de las distancias entre partículas, porque, en un contexto relativista, no existen tales distancias puramente espaciales. De la misma manera, el proyecto de formular una teoría física fundamental que sea invariante bajo transformaciones entre marcos de referencia relativamente acelerados no va mejor, porque, en un contexto relativista, los marcos de referencia globales para observadores acelerados no pueden ser definidos coherentemente.

Consideremos una sociedad de seres bidimensionales que viven en una superficie casi perfectamente plana.Entre las Líneas En un lugar la superficie contiene un bulto, que es visible desde la perspectiva de un espacio tridimensional más grande en el que está contenida la superficie.

Desde la perspectiva tridimensional, imaginemos un punto P en la parte superior de la protuberancia, un círculo L en su base y varias líneas, R1, R2, R3, … Rn, que van desde P hasta distintos puntos de L.

Los seres bidimensionales no tendrán ningún problema en confirmar, totalmente mediante mediciones realizadas con sus reglas bidimensionales sobre su superficie bidimensional, que todas las líneas R tienen la misma longitud y que, por tanto, todos los puntos extremos de las líneas R en L son equidistantes de P.Entre las Líneas En otras palabras, les resultará fácil confirmar que P es un círculo. Los seres también pueden realizar fácilmente una medición de la circunferencia de L. Cuando lo hagan, sin embargo, descubrirán que la relación entre la circunferencia de este círculo y su radio (la longitud de cualquier línea R) es menor que 2π. De este modo, los seres podrán descubrir que la superficie dentro de L no es plana: su mundo contiene una dimensión extra que ellos mismos no pueden experimentar directamente.

Hasta mediados del siglo XIX, nadie albergaba la más mínima sospecha de que consideraciones como éstas pudieran aplicarse al espacio tridimensional: que el espacio ordinario pudiera contener dimensiones adicionales que los seres humanos no pueden experimentar directamente. La posibilidad matemática de que los espacios de tres y más dimensiones sean curvos y cuya curvatura pueda ser descubierta, en principio, por los observadores que se encuentren en ellos, fue articulada con magnífico y profundo detalle por Bernhard Riemann (1826-66), Nicolay Ivanovich Lobachevsky (1792-1856) y otros. Desarrollaron una poderosa e intuitiva generalización de la noción de “línea recta” para las geometrías no euclidianas: una línea que es precisamente tan recta como lo permita el espacio que atraviesa. Estas “líneas rectas generalizadas” se denominan geodésicas en la literatura matemática.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

A Einstein le intrigaba el hecho de que la masa que figura en la ley del movimiento de Newton, F = ma -la masa que mide la resistencia de los cuerpos materiales a ser acelerados por una fuerza impresa (masa inercial)- es invariablemente exactamente la misma que la masa que determina el grado en que cualquier cuerpo material ejerce una fuerza gravitatoria atractiva sobre cualquier otro. Ambos conceptos parecen no tener nada que ver.Entre las Líneas En el contexto de la mecánica newtoniana, el hecho de que sean siempre idénticos equivale a una sorprendente y misteriosa coincidencia.

Es esta equivalencia la que implica que cualquier campo gravitatorio acelerará dos cuerpos materiales cualesquiera, sea cual sea su peso o su constitución, exactamente en el mismo grado. Esta equivalencia también implica que dos cuerpos materiales cualesquiera, sea cual sea su peso o su constitución, compartirán precisamente el mismo conjunto de trayectorias físicamente posibles en presencia de un campo gravitatorio, al igual que lo harían en el espacio vacío.

La observación de que los efectos de un campo gravitatorio sobre los movimientos de un cuerpo son completamente independientes de las propiedades físicas del mismo, exigía positivamente una comprensión geométrica de la gravitación. La idea sería que existe una única y simple ley de los movimientos de los cuerpos materiales, tanto en el espacio libre como en presencia de campos gravitatorios. La ley afirmaría que las trayectorias de los cuerpos materiales son geodésicas y no líneas rectas euclidianas y que la gravitación no es una fuerza, sino una desviación de las leyes de la geometría euclidiana. Dicha ley estaría fuera de lugar si la geometría implicada fuera la del espacio físico tridimensional.

Einstein comenzó proponiendo un principio de equivalencia local de los campos inerciales y gravitatorios, una versión más potente y general de la equivalencia de la masa inercial y gravitatoria. Según este principio, las leyes que rigen las evoluciones temporales de todos los fenómenos físicos en relación con un marco de referencia que cae libremente en un campo gravitatorio son precisamente las mismas que las leyes que rigen las evoluciones temporales de esos fenómenos en relación con un marco inercial. Tras años de prodigioso esfuerzo, Einstein pudo desarrollar este principio en una teoría de la gravitación totalmente relativista y totalmente geométrica: la teoría general de la relatividad.

Lo que Einstein produjo al final fue un conjunto de ecuaciones diferenciales, las llamadas ecuaciones de campo de Einstein, que relacionan la geometría del espacio-tiempo con la distribución de la masa y la energía en él. La teoría general de la relatividad consiste en una ley según la cual la geometría cuatridimensional del espacio-tiempo y la distribución cuatridimensional de la masa y la energía dentro del espacio-tiempo deben equivaler a una solución de las ecuaciones de campo de Einstein.

En esta teoría, el espacio-tiempo ya no es un telón de fondo fijo en el que se desarrolla la historia física del mundo, sino un participante activo por derecho propio, una entidad dinámica al mismo nivel que todas las demás. Aunque esto puede sugerir una concepción relacionalista del espacio-tiempo, hoy en día se acepta ampliamente que tal proyecto es imposible. La relatividad general se compromete a afirmar qué movimientos son y no son posibles para una sola partícula completamente sola en el universo, y también permite la existencia de universos cuyo momento angular total es distinto de cero. Además, hereda toda la hostilidad estructural al relacionismo característica de la teoría especial, como se ha descrito anteriormente.

Hay soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein que dan lugar a universos que son finitos pero que no tienen límites o “exterior” -universos en los que, por ejemplo, una línea recta extendida lo suficientemente lejos en cualquier dirección del espacio acabará volviendo a su punto de partida. Otras soluciones dan lugar a universos en los que es posible viajar en el tiempo hacia el pasado. Este ejemplo en particular ha sido objeto de mucho escrutinio científico y filosófico en los últimos años, ya que parece llevar a una contradicción lógica absoluta, como en el caso de la persona que viaja al pasado y asesina a sus padres antes de su propio nacimiento.

Perspectivas y conexiones
La teoría cuántica y la estructura del espacio-tiempo
Existen varias tensiones fundamentales entre la teoría cuántica y la teoría especial de la relatividad. Aunque han estado a la vista desde la década de 1970, la decisión de abordarlas directamente no se impuso hasta el comienzo del siglo XXI.

En primer lugar, todas las versiones de la mecánica cuántica (todos los intentos de resolver el problema de la medición) se comprometen a describir los estados de los sistemas físicos, al menos en parte, en términos de funciones de onda. Sin embargo, las funciones de onda de los sistemas que constan de más de una partícula simplemente no son expresables como funciones de espacio y tiempo; son invariablemente funciones de tiempo y posición en un espacio dimensional mucho mayor, conocido como espacio de configuración. Y en un espacio de configuración parece que el requisito relativista fundamental de la invariancia de Lorentz (la exigencia de que las leyes fundamentales de la física sean invariantes bajo las transformaciones de Lorentz) ni siquiera puede definirse (véase más arriba La teoría especial de la relatividad).

Además, existe una conexión muy íntima, que se remonta al principio de la teoría especial de la relatividad, entre la invariancia de Lorentz y la localidad. Aunque ahora se entiende que la conexión no es una cuestión de implicación lógica, ninguno de los modelos no locales invariantes de Lorentz de las teorías físicas simples tiene el mismo tipo de no localidad que la mecánica cuántica.Entre las Líneas En otras palabras, todas las versiones de la mecánica cuántica (con la excepción de las teorías en la tradición de Everett) implican que la invariancia de Lorentz es falsa. Cada una de esas propuestas, además, requiere que exista una norma absoluta de simultaneidad no invariante de Lorentz.

Estas tensiones han generado un renacimiento amplio y sin precedentes del interés por el enfoque de Lorentz, largamente olvidado, sobre los fenómenos físicos asociados a la teoría especial de la relatividad. No cabe duda de que estas cuestiones -y sus ramificaciones para el tan debatido proyecto de reconciliar la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad- serán una preocupación central de los fundamentos filosóficos de la física en el futuro inmediato.

La teoría cuántica y los fundamentos de la mecánica estadística
Durante muchos años ha existido una noción algo vaga en la física teórica de que existe una profunda conexión entre el carácter probabilístico y asimétrico en el tiempo de la experiencia cotidiana y la naturaleza probabilística y asimétrica en el tiempo de muchas de las soluciones propuestas al problema de la medición en la mecánica cuántica. Por ejemplo, si algo como la teoría GRW del colapso de las funciones de onda de la mecánica cuántica es cierto, entonces se puede demostrar que los procesos físicos cotidianos como el derretimiento del hielo, el enfriamiento de la sopa, la rotura del vidrio y el paso de la juventud son el tipo de transiciones que tienen una probabilidad abrumadora de ocurrir, y una probabilidad abrumadora de ocurrir a la inversa, independientemente de cuáles hayan sido las condiciones iniciales del universo.

Fronteras
La investigación de los fundamentos filosóficos de la física se ha centrado tradicionalmente en la aclaración de las estructuras lógicas, los compromisos filosóficos y las relaciones interteóricas de las distintas teorías físicas, como la teoría general de la relatividad, la mecánica estadística y la teoría cuántica de campos. Sin embargo, en las últimas décadas ha tomado forma un proyecto mucho más ambicioso: una investigación sobre el funcionamiento del conjunto de la ciencia física.

Antes de finales del siglo XIX, ninguna teoría física invitaba a ser considerada como candidata a una explicación completa de los comportamientos de los sistemas físicos; cada una de ellas dejaba fuera vastos ámbitos de los fenómenos físicos. Sin embargo, en la década de 1920 todo cambió. Por primera vez, empezó a tener sentido preguntarse si la mecánica cuántica podía proporcionar el marco de una explicación mecánica completa y unificada de todos los aspectos del mundo físico. Además, más o menos al mismo tiempo (como ya se ha comentado), se descubrió que se podían extraer conclusiones sustanciales y radicalmente contrarias a la intuición sobre los comportamientos de los dispositivos de medición macroscópicos y sobre la vida mental de los sujetos encarnados directamente de la estructura matemática de un conjunto propuesto de leyes físicas fundamentales. Al fin y al cabo, éste era precisamente el contenido del problema de la medición. Esta voluntad de contemplar la posibilidad de la completitud más radical imaginable de la física -esta determinación de llevar el proyecto general de una explicación física del mundo tan lejos como sea posible y empujarlo exactamente en aquellos puntos en los que parece correr más riesgo de colapsar- es lo más distintivo de la exploración de los fundamentos de la física tal y como se ha llevado a cabo recientemente.

En las décadas de 1980 y 1990, por ejemplo, los investigadores empezaron a estudiar la influencia de la estructura de las leyes fundamentales de la física en la cuestión de qué tipo de cálculos son posibles en principio. Además, en la actualidad se acepta ampliamente como condición de adecuación para cualquier teoría física fundamental propuesta que ésta contenga una explicación de cómo los habitantes sensibles del universo que describe podrían llegar a tener razones para creer que la teoría es verdadera. Como ya se ha mencionado brevemente, se ha intentado comprender cómo la estructura de las leyes físicas fundamentales puede dar cuenta de las asimetrías del acceso epistémico humano al pasado y al futuro y de la intervención causal en ellos, asimetrías que son básicas para el papel del tiempo en los asuntos humanos. Y hay muchos otros ejemplos de este tipo.

En algunos círculos se considera que estos avances suponen la apertura de una nueva frontera distintiva en la física teórica. Si este punto de vista está justificado, la nueva frontera no será la de lo muy grande o lo muy pequeño, o la de lo muy rápido o lo muy lento, que siempre fueron el dominio de la física, sino una frontera en la que la física penetra en los rasgos más esenciales y característicos de la experiencia humana.

Datos verificados por: Brite
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Física: Philosophy of Physics.

Véase También

Principio antrópico
Flecha del tiempo
Causalidad (física)
Cierre causal
Teoría del constructor
Determinismo
Filosofía digital
Física digital
Dualismo mente-cuerpo
Campo (física)
Descomposición funcional
Interacción fundamental
Holismo
Instrumentalismo
Leyes de la termodinámica
Macroscópico
Escala mesoscópica
Realismo modal
Monismo
Pluralismo
Ontología física
Naturalismo:
Metafísica
Metodológico
Operacionalismo
Fenomenología
Fenomenología (física de partículas)
Filosofía de la Física clásica
Filosofía del Espacio y tiempo
Filosofía de la Termodinámica y mecánica estadística
Filosofía del Movimiento
Fisicalismo
Física de Aristóteles
Envidia de la física
Metafísica
Mística
Reduccionismo
Relatividad:
General
Especial
Espacio
Teoría absoluta
Espacio contenedor
Espacio libre
Espacio relacional
Teoría relacional
Espacio-tiempo
Superveniencia
Simetría en física
Teofísica
El tiempo en la física
Filosofía de la ciencia (para un examen del concepto, véase que es la ciencia y que es una ciencia física), Filosofía de la ciencia por disciplina

Bibliografía

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