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El problema de la sustancia en la Física moderna

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La física como las demás ciencias que estudian el mundo material, trabaja con substancias, estudia sus propiedades cualitativas y cuantitativas, sus cambios, sus interacciones, etc. Pero no se interesa directamente por la substancia como tal substancia, sino en algunos de sus aspectos particulares. Por este motivo, no enfoca directamente el problema de la substancialidad en el mundo material. Sin embargo, la ciencia tiende en su evolución a lograr un conocimiento de la naturaleza lo más amplio posible. No se limita a conocer fenómenos aislados y a establecer las leyes que los rigen. La búsqueda de una mayor comprensión del mundo natural le lleva a elaborar teorías de carácter más general que permitan integrar y describir unitariamente los diversos fenómenos. Estas teorías pretenden adecuarse lo más posible a la realidad, pero a causa del mismo carácter limitado y perfeccionable del conocimiento científico, tal adecuación difícilmente será absoluta. Las teorías científicas poseen habitualmente el carácter de modelos teóricos: son esquemas conceptuales sobre el comportamiento real de los entes físicos. Estos modelos serán en ocasiones imaginativos, como los modelos habituales de la física clásica. Otras veces poseen un carácter mucho más abstracto, como sucede con muchos de los modelos matemáticos actualmente utilizados por la física teórica. Las teorías desarrolladas por la física han alcanzado en ocasiones un dominio de aplicación considerable, permitiendo interpretar una gran parte de los fenómenos de la naturaleza. Así sucedió, por ejemplo, con la mecánica newtoniana, y así sucede hoy con las diversas teorías de la estructura de la materia, cuyas aplicaciones se extienden tanto al estudio de los fenómenos estelares como a la construcción de aparatos electrónicos. A causa de la amplitud de estas aplicaciones, se ha tendido en ocasiones a interpretar todo el mundo real de acuerdo con los esquemas propios de estas teorías, extrayendo conclusiones relativas a conceptos filosóficos tales como el de la substancia, negando su realidad o queriendo imponer una determinada concepción de la substancia material (como la mecanicista o la energetista) que, aún respondiendo a ciertas características de la realidad, eran claramente insuficientes. Es necesario por lo tanto, no olvidar el carácter de modelo que posee toda teoría física. Como ya se ha mencionado, estas teorías pueden proporcionar un conocimiento verdadero del mundo físico, pero será necesario juzgar sus resultados desde una adecuada perspectiva filosófica cuando se pretenda extraer de ellos conclusiones acerca de problemas metafísicos, tales como el de la substancialidad

La substancia en la física clásica

En la física clásica se dieron con frecuencia errores de interpretación o extrapolaciones del tipo indicado. La interpretación más frecuente fue de tipo mecanicista, que pretendía reducir toda la realidad a maetria extensa y movimiento. La física newtoniana compartió en gran medida el ideal mecanicista, aunque en un modo mitigado y no siempre desde el punto de vista filosófico. Por eso la idea newtoniana de substancia se encuadra dentro del mecanicismo. Se sostiene en ellos una dualidad fundamental: el mundo está formado por “cuerpos” y “vacío”, esto es, por “materia”, partículas rígidas e impenetrables, que se mueven en el “espacio”, medio homogéneo, incualificado y pasivo. Es obvio que en este esquema la noción de substancia corresponderá propiamente sólo a los “cuerpos” o “materia”. Su propiedad principal sería la masa, que llegó a considerarse casi como la esencia de los cuerpos o substancias: la masa corresponde a la resistencia de los cuerpos a las mociones exteriores (masa inerte) y a la moción recíproca entre ellos (masa gravitacional o pesante). De ahí la frecuencia con que, incluso hoy, se define la masa como “cantidad de materia” de un cuerpo.

Más difícil resulta encuadrar la noción de espacio newtoniano, que sustituyó al “vacío” propio del atomismo mecanicista griego. Para Newton el espacio es “absoluto”, esto es, independiente de las demás realidades materiales, por lo que llegó a asignarle un cierto carácter subsistente. El espacio se convertiría así en otra “substancia”, pero que difícilmente podría llamarse “material”.

Esta substancialización del espacio se materializó en el período clásico en la noción de éter, substancia imponderable extendida por todas partes, continua, no perceptible directamente por los sentidos ni por los instrumentos, penetrable en todos los cuerpos, y cuya existencia se postulaba como medio en el que se colocaban y movían los corpúsculos, y como sitio que “llenaba” los huecos del vacío que dejaba la materia ponderable (espacios interestelares e interatómicos). El éter era también medio de transmisión de la energía gravitatoria y electromagnética. La teoría del éter, pese a resolver el problema de la continuidad, presentaba serios problemas. Los intentos de describirlo mecánicamente, por analogía con los medios fluidos y elásticos, fracasaron rotundamente.

En la segunda mitad del siglo XIX surgió también otra noción incompatible con el esquema mecanicista: el campo. En su origen se trataba sólo de un artificio matemático útil para estudiar las interacciones electromagnéticas o gravitatorias entre los cuerpos. En vez de analizar directamente las fuerzas que surgen entre dos cuerpos dependiendo de su posición, se consideraba que cada partícula crea a su alrededor un “campo” o distribución de fuerzas unitarias que a su vez actuará sobre las restantes partículas presentes en esa zona del espacio. Progresivamente se fue dando más importancia a esta noción, al surgir fenómenos en los que el campo mismo parece tener una entidad independiente de las cargas o corpúsculos que lo crean. También entonces se acudió a la noción de éter como medio que soportaría el campo, sin que la teoría del éter electromagnético tuviera más éxito que su análoga mecánica.

Una última dualidad presente en la física clásica en relación a la noción de substancia es la de masa y energía. La masa, como ya se ha dicho aparecía como una propiedad esencial de los corpúsculos o partículas materiales. Por el contrario, la energía se presentaba como una realidad comunicable entre los cuerpos, más ligada a los espacios ondulatorios propios del éter o de los campos, especialmente en los casos de energía electromagnética, capaz de transmitirse en forma de onda a través del espacio. Aparecía así, en cierto modo, como contrapuesta a la “materia”

La física clásica, en definitiva, fue incapaz de reconciliar y reconducir a la noción de substancia los diversos fenómenos del mundo material. Su postura mecanicista le llevó a tener que admitir dos ámbitos de la realidad material (por un lado la “materia”, cuerpos o partículas localizables y masivos, y por otro el “medio”, espacio, éter o campo, sede de fenómenos ondulatorios y de procesos energéticos), o bien a eliminar uno de ellos reduciendo al otro toda la realidad.

La superación del dualismo en la física actual

Uno de los motivos fundamentales de la crisis de la ciencia a principios del siglo XX fue precisamente la existencia de contradicciones patentes entre estos dos ámbitos de la realidad. La teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, así como las posteriores teorías de campos que tratan de unificar los fenómenos cuánticos y relativistas, han llevado a la superación de este dualismo. La equivalencia entre masa y energía, el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de las entidades microfísicas, y la integración de la materia con el espacio-tiempo relativista, son algunos de los resultados que contribuyen a unificar la actual visión del mundo físico en un solo tipo de realidades substanciales que causarían los diversos tipos de fenómenos. No quiere decir esto que no haya en la ciencia actual puntos de debate o interpretaciones filosóficas diversas. Son frecuentes, en particular, las visiones energetistas o matematicistas. Sigue siendo necesario encuadrar los diversos aspectos del mundo físico desde una perspectiva filosófica correcta, para extraer de los modelos y construcciones teóricas de la ciencia los resultados que permitan superar el conocimiento puramente físico o matemático, elevándose a un nivel de intelección metafísico.

a) Los conceptos de energía y masa

Para poder interpretar adecuadamente las teorías físicas es necesario examinar previamente los conceptos de energía y masa El concepto físico de energía surgió inicialmente en el ámbito de la mecánica, en estrecha relación con otra magnitud física denominada “trabajo”, definida como el producto del desplazamiento de un cuerpo por la fuerza necesaria para moverlo. En tal contexto la energía mecánica se definía como la capacidad que posee un sistema para producir trabajo, siendo por tanto una característica del estado mecánico de un cuerpo: por el hecho de estar en movimiento, o por su posición en el campo gravitatorio, o por su constitución elástica, un sistema físico es capaz de producir una determinada cantidad de trabajo mecánico. Se definía así la energía cinética, debida al movimiento, y los distintos tipos de energía potencial (gravitatoria, elástica, etc.). Posteriormente el concepto de energía se amplió a otros campos de la física, dando lugar a las nociones de energía térmica, eléctrica, química, atómica, al comprobarse la posibilidad (al menos teórica) de transformar unos tipos de energía en otros. Al ampliarse su significado, la noción de energía deja de tener en la física una definición de carácter intuitivo como la de antes apuntada. En cada contexto teórico se define de modos diversos, en ocasiones sumamente abstractos, donde se hace intervenir complejos conceptos matemáticos. La energía es entonces en la física, una magnitud fundamental, o sea, un concepto matemático que se construye de modo que pueda relacionarse con los resultados de la experimentación, si bien hay que tener en cuenta que su relación con lo observable no es siempre directa. Algo análogo sucedió en la evolución del concepto de masa. Se ha hecho ya referencia al sentido que poseía esta noción en la mecánica clásica, donde se tendía erróneamente a considerarla como una propiedad esencial de los cuerpos materiales, asimilándola a la “cantidad de materia” de un cuerpo. En este caso la evolución de la ciencia ha favorecido notablemente el abandono de tal prejuicio, al aplicar la noción de masa a entidades no directamente sensibles (moléculas, átomos…), en las que tal concepto es menos adecuado. La masa se define ahora también de modos diversos, dando lugar igualmente a una magnitud física de carácter teórico, cuya relación con los fenómenos sensibles es muchas veces sólo indirecta. En ocasiones ha surgido la tendencia a substancializar estas nociones. Esto sucedía con la masa en las corrientes mecanicistas presentes en la física clásica, y se ha dado también en el caso de la energía a finales del siglo XIX y en la actualidad, con el resurgir de posturas energetistas. De todos modos parece importante notar que las ciencias realmente no dan pie para interpretar los conceptos de “energía” y “masa” como si se refirieran a entidades substanciales. Desde el punto de vista filosófico, ambas nociones corresponderían a determinados estados cualitativos activos de las substancias materiales. Desde el punto de vista físico esto se refleja claramente en el hecho de que, en cualquier contexto teórico, la energía siempre representa una propiedad de los sistemas físicos, sean estos los que ordinariamente se llaman substancia (un bloque de piedra, agua, un gas), o entidades físicas (como ondas electromagnéticas) cuya substancialidad se discutirá más adelante. La masa es igualmente una propiedad de ciertas entidades físicas, de la que incluso pueden carecer. Pero en ningún caso masa o energía pueden considerarse como realidades substanciales independientes.

b) La equivalencia entre “masa” y “energía”

Dentro de la teoría de la relatividad propuesta por Einstein una de las consecuencias que se extraen es la famosa ecuación e=m.c2, donde “e” representa la energía, “m” la masa y “c” la velocidad de la luz. Esta equivalencia tiene gran aplicación en la física atómica: en la bomba atómica, por ejemplo, la desaparición de una pequeña parte de la masa de los cuerpos que intervienen en el proceso físico, provoca un enorme desprendimiento de energía, lo que se entiende considerando el valor muy grande de la magnitud “c” –unos 300 millones de metros por segundo. Esa transformación significa en la teoría científica una relación entre magnitudes físicas. Todo parece indicar que, en este caso, esa relación se refiere a un fenómeno real. Pero, según las consideraciones anteriores sobre los conceptos de “masa” y “energía”, ninguno de los dos se refiere a una entidad substancial. No se trata de una substancia (la masa) se transforme en un accidente (la energía), ni que haya que concebir la energía como una substancia que daría lugar al fenómeno de la masa. Ninguna de estas interpretaciones viene sugerida ni es requerida para la explicación del fenómeno y de su formulación científica. Por supuesto, en el fenómeno a que se refiere la citada ecuación, es posible que se produzcan mutaciones substanciales: pero eso tampoco implica la substancialización de la energía; siempre existirá una entidad substancial correspondiente a esa energía “liberada” o “producida” (desde luego, no tiene por qué tratarse de un soporte concebido a la manera de “éter”, admitido por muchos autores en la época de la física clásica). Hay que señalar, por último, que el concepto de “masa” se refiere actualmente en las ciencias a aspectos de la realidad que se definen de modos diferentes, lo cual hace ver que es impropio concebir la “masa” como si fuera una expresión directa de la “materia” o de la “cantidad de materia”. Es un dato más que señala bajo otro aspecto, que el fenómeno a que nos referimos no puede interpretarse como “conversión de la materia en energía” (y viceversa), como si esa “materia” y esa “energía” (o una de las dos) fueran realidades substanciales. En definitiva, la transformación de masa en energía, o viceversa, parece que ha de entenderse formalmente como un cambio entre aspectos cualitativos profundos de las cosas, que en muchos casos conlleva probablemente una modificación substancial.

c) La dualidad “onda”-“Corpúsculo”

En la física clásica, existían teorías basadas en un modelo “ondulatorio”, o sea en el peculiar movimiento de “ondas” que se propagan siguiendo unas leyes peculiares (como las ondulaciones que se producen al tirar una piedra en el agua de un estanque): por ejemplo, teorías sobre la propagación del sonido (en la acústica) o de la luz (en la óptica). El esquema ondulatorio se aplica también a los fenómenos electromagnéticos. También existían, en la física clásica, teorías “corpusculares”, basadas en el estudio del movimiento de “corpúsculos” o partículas”. En la óptica coexistían ambos tipos de teorías y se discutía si la luz tenía una naturaleza corpuscular u ondulatoria, ya que ambas teorías llevaban a resultados satisfactorios, y cada una explicaba fenómenos que la otra no conseguía explicar. Ya en el ámbito de la física moderna, Planck formuló la hipótesis de que los átomos absorben o emiten energía de radiación (movimiento ondulatorio) en cantidades discretas –no continuas- que son múltiplos de la “frecuencia” de la radiación (1900). Einstein propuso la hipótesis de que en la luz se combina la naturaleza corpuscular y la ondulatoria en los “fotones”, utilizando para ello las ideas y la fórmula “cuántica” de Planck (1905); esta hipótesis fue confirmada por la experimentación (“efecto Compton”, 1923). En 1924, Louis de Broglie extendió la hipótesis de Einstein a otras partículas, suponiendo que las partículas materiales tienen asociada una onda material, y propuso su famosa fórmula que relaciona características del corpúsculo y de su onda. La “mecánica ondulatoria” desarrollada a partir de esta idea, en estrecha relación con las teorías cuánticas, es una de las partes más importantes de la física moderna, y en ella intervinieron, entre otros, Schrödinger y Heisenberg. Este último dedujo en 1927 su famoso “principio de indeterminación”, según el cual es imposible determinar simultáneamente con exactitud la posición y la velocidad de una partícula. Con el desarrollo matemático de las teorías mencionadas se han propuesto diversas interpretaciones para intentar compaginar las teorías y los datos experimentales. Como ya sucedió en la física clásica con los fenómenos de la luz, ahora, en la mecánica ondulatoria, respecto a muchos tipos de fenómenos materiales sucede que tanto las teorías “ondulatorias” como las “corpusculares” explican muchos fenómenos satisfactoriamente, pero con la limitación de que la moderna mecánica cuántica no permite determinar con exactitud y a la vez varias magnitudes de una misma partícula. Es muy difícil dar una interpretación satisfactoria de estas cuestiones, que han provocado controversias entre los físicos. Muchos discuten si ese doble aspecto de la realidad física es real, o si se debe a nuestro modo de conocer, o más concretamente a los límites de nuestro conocer mensurante (según el “principio de indeterminación” de Heisenberg). Las opiniones principales son: - interpretación probabilística, de Heinsenberg, Bohr y otros, llamada también interpretación de Copenhague (porque en esta ciudad la precisaron esos científicos en 1927): es imposible dar una interpretación definitiva, debido a los límites insuperables de nuestro conocimiento de lo microscópico, según el “principio de indeterminación”. Bohr expresó esta idea con su conocido “principio de complementariedad”: onda y corpúsculo son dos aspectos complementarios, de los cuales uno desaparece cuando el otro se precisa. Esta teoría fue durante unos treinta años la “interpretación oficial” de la teoría cuántica; la rechazaron otros físicos (Planck, Einstein, Schrödinger) que buscaban una tesis más realista. - interpretación ondulatoria, sostenida por Schördinger: lo fundamental sería la concepción ondulatoria, y los corpúsculos serían concentraciones energéticas de los campos continuos; - interpretación prevalentemente corpuscular (Max Born), según la cual la onda sería simplemente la medida de la probabilidad de encontrar las partículas en un punto del espacio y con una energía determinada; - interpretación dualista, que busca conciliar los dos aspectos con un enfoque realista, y es sostenida por De Broglie (quien abandonó la tesis probabilística en 1952), Bohm; Vigier y otros. La realidad microfísica estaría constituida fundamentalmente por partículas, en cuyo núcleo radican las propiedades corpusculares, y que están rodeadas por un elemento más lábil (al modo del citoplasma de una célula viviente), sede de los fenómenos ondulatorios, y probablemente generable y regenerable por el núcleo; esta región estaría limitada por una superficie extrema muy elástica, que le confiere variaciones constantes en su extensión. Por lo que a nuestra cuestión se refiere, es claro que las teorías de que tratamos no eliminan el problema filosófico de la substancia. La íntima unión entre las descripciones corpuscular y ondulatoria de la materia microfísica, así como las dificultades para compaginar ambas descripciones, manifiestan una vez más que no es posible “imaginar” el mundo microfísico mediante modelos tomados de la experiencia ordinaria. Esos “modelos imaginativos” encuentran necesariamente limitaciones de diversos tipos. Desde luego, no hay dificultad alguna en admitir que, en la constitución física de la materia, se encuentran siempre presentes diversos procesos energéticos: lo más lógico es que así suceda. Tampoco hay dificultad en pensar que lo que llamamos “partículas elementales” resultara de interacciones energéticas: esto sólo sería inadmisible para los partidarios de un “atomismo mecanicista”, según el cual deben existir unas partículas últimas de la materia, que serían inmutables, a modo de “corpúsculos” absolutamente rígidos e impenetrables. La primordialidad de la energía nada tiene que ver, pues, con el monismo, es decir, con la substancialización de la energía. La existencia de procesos energéticos en todos los niveles es perfectamente compatible con el reconocimiento de las substancialidad plural y específica presente en el mundo material, aún admitiendo que esa substancialidad está condicionada por fenómenos físicos energéticos. Todo proceso energético estará siempre asociado a una forma de substancialidad (a pesar de las dificultades, a veces insuperables, para identificarlas).

d) Campos y partículas

La noción de campo sigue poseyendo en la física teórica moderna una notable importancia, pero se ha ido desprendiendo de las implicaciones clásicas que la presentaban como algo radicalmente opuesto a la noción de partícula (en el esquema mecanicista de la noción de “materia”). Las teorías de campos estudian la materia en función de distribuciones de fuerzas o energías a través de medios continuos, esto es, sin ocuparse directamente del carácter discreto (o discontinuo) de la materia. A las teorías clásicas de campos, que estudian fenómenos electromagnéticos y gravitatorios, de acuerdo con la relatividad einsteniana, se han sumado en la segunda mitad del siglo XX, diversas teorías cuánticas de campos, que intentan describir también los fenómenos a nivel subatómico y subnuclear, para dar una interpretación global de la estructura íntima de la materia. A los campos electromagnéticos y gravitatorios se han unido dos nuevos campos de fuerzas, denominadas fuertes y débiles, y presentes solo a nivel subatómico . Existen así cuatro tipos de interacciones fundamentales en la materia, que las actuales teorías tratan de describir y de unificar en leyes generales. Pese a los grandes avances realizados en este sector de la física, no se dispone todavía de una teoría unificada de carácter definitivo. Causas de esto son la gran complejidad teórica de estos estudios, y la notable dificultad existente para realizar observaciones experimentales, que requieren siempre complejos instrumentos, como los aceleradores de partículas. Algunas teorías han intentado reducir los modelos de partículas a teorías puras de campo. Un ejemplo fue la “Teoría Unitaria” propuesta por Einstein en sus últimos años para unificar los campos electromagnéticos y gravitatorios. Einstein defendió la necesidad de prescindir del concepto de partícula, para representar toda la realidad solo mediante campos espacio-temporales que darían origen a todos los fenómenos físicos. La teoría de unificación einsteniana, al igual que otras similares propuestas por Weil, Kaluza, etc. tuvo poco éxito. Las teorías actuales, en cambio, intentan casi siempre hacer compatibles los conceptos de partícula y campo. En concreto hoy se tiende a asociar los campos correspondientes a los cuatro tipos de interacciones a las llamadas partículas de interacción: los gluones, para las interacciones fuertes, los mesones W± y Z0 para las débiles, el fotón, responsable del campo electromagnético, y el gravitón, para el campo gravitatorio. Es difícil, en el actual estado del desarrollo de las teorías físicas, dar un juicio acerca del tipo de realidad que correspondería a estos entes físicos: partículas elementales, campos de fuerzas y sus partículas de interacción. Incluso desde el punto de vista físico estamos hoy lejos de poseer una interpretación definitiva. Tanto los campos como las partículas parecen corresponder a fenómenos reales, al menos por lo que se refiere a una gran parte de los casos mencionados, en los que se dispone de verificaciones experimentales consideradas como válidas. Pero parece claro que también a nivel subatómico es necesario acudir a este doble tipo de descripción de la realidad física; tanto los campos de fuerzas como las partículas serían dos modos de representarla y, al mismo tiempo, dos aspectos o manifestaciones de esa realidad. Este hecho repetimos, no presenta obstáculo alguno contra la substancialidad en el mundo material. Parece indicar, por el contrario, que no se trata de dos realidades opuestas, ni de dos tipos independientes de substancialidad, sino de aspectos físicos de una única realidad.

Tomado de: Artigas, M, Sanguinetti, J., Filosofia de la naturaleza, EUNSA, Pamplona, 1993

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