Los Paradigmas emergentes de las Ciencias ccesa007
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CUESTIONES
LOS PARADIGMAS
Demetrio Ccesa Rayme
El Paradigma Newtoniano en las
Ciencias
• El éxito del paradigma
newtoniano inspiró la
Revolución científica
moderna.
• Las demás ciencias naturales
empezaron a moverse a
buscar explicaciones “tipo
Newton” para todos los
fenómenos observables.
• Presupuestos filosóficos
básicos
– Materialismo
– Reduccionismo
– Empirismo
– Determinismo causal
Revoluciones del Siglo XX: Relatividad
General y Mecánica Cuántica
• Tras la influencia de Mach y los éxitos empíricos impresionantes de estas teorías aún vigentes (aunque incompatibles entre sí) se crearon dos corrientes filosóficas opuestas en la Física fundamental:
– Positivismo lógico – las
teorías físicas no reflejan la realidad. Solo son herramientas computacionales que no deben hablar de entes que no tengan correlación empírica.
– Realismo “reducido” – las teorías matemáticas de la Física deben buscar una descripción completa y satisfactoria de una realidad externa, pero puede haber un enorme número de teorías equivalentes (difeomórficamente equivalentes).
Reduccionismo y Empirismo en
las ciencias humanas y sociales
• En oposición a estas visiones
epistemológicas en cuanto a
qué se refieren las teorías
científicas, en la psicología y
sociología modernas hay aún
más cuestionamientos serios al
empirismo, al rol de las
matemáticas y al reduccionismo
como herramientas
indispensables para crear
conocimiento científico válido.
• Varias escuelas de pensamiento
en las ciencias sociales creen
que los fenómenos de la
conciencia y el comportamiento
humano no se pueden reducir a
interacciones bioquímicas entre
neuronas. Según esta visión hay
realidades “mentales” que no se
pueden capturar con un
tratamiento lógico-matemático
basado solo en datos empíricos.
Criterio de falsabilidad de Karl
Popper
• Este es uno de los criterios más utilizados para distinguir qué es una teoría científica y cual debe ser la meta de la Ciencia.
• Una teoría científica será válida y estará “bien formada” SI Y SOLO SI hay una manera de poder demostrar que es falsa.
• La idea es que el método científico funcione como un “detector de mentiras” que solo permita teorías lógicas y plausibles de acuerdo a criterios estrictamente empíricos.
Reduccionismo en la Física:
¿Cuáles son las entidades
fundamentales?
• El mundo
subatómico de lo
material
– Teoría de Campos
Cuánticos
• El escenario donde
se desenvuelve la
realidad
– Teoría de
Relatividad
General: espacio,
tiempo y gravedad
El Modelo Estándar
Al igual que la materia, las fuerzas o interacciones entre las partículas son a su vez mediadas por “partículas de fuerza”
Postulados filosóficos
principales de la Teoría Cuántica
• Cada sistema material se
compone de una o más
“partículas” de materia
• Cada sistema se puede
describir totalmente por una
entidad matemática
conocida como “función de
onda” (vector en un espacio
de Hilbert)
• Las cantidades reales de
estos sistemas que
podemos medir se pueden
describir por entidades
matemáticas conocidas
como “operadores
hermíticos”
Partículas, sus propiedades y
la realidad probabilística • Hay propiedades
intrínsecas (autovectores) que definen el tipo de una partícula.
– Masa, espín, cargas
• Todas las partículas de un mismo tipo son idénticas
• Los posibles resultados de medir otras propiedades dependen de las interacciones con su “ambiente externo”.
• Es imposible conocer la trayectoria exacta de un sistema o cuales serán los resultados exactos de esas medidas.
Principio de
Incertidumbre
• Principio de incertidumbre de
Heisenberg: es imposible
obtener valores simultáneos para
la posición y el movimiento de
una partícula.
• El problema de la medición:
Medir las propiedades de una
partícula requiere que ésta
interactúe con fuerzas
provenientes del aparato que
mide.
• El acto de medir cambia
irremediablemente lo que se
quiere medir.
• Antes de medir, un sistema
cuántico se halla en una
superposición de estados con
todas las propiedades posibles
en ese momento.
¿Existe la materia si nadie la está
mirando?
• Un experimento en Física fundamental consiste en investigar las propiedades de algunas partículas entre dos puntos.
• Es imposible saber lo que ocurre entre esos dos puntos.
• La dualidad onda-partícula y los campos cuánticos.
Interacciones y diagramas de
Feynman • Es posible que
aparezcan
partículas virtuales
de la nada, pues
no tener
absolutamente
nada en un punto
violaría el principio
de Incertidumbre.
• Teoría de
perturbaciones: el
resultado de una
medida se predice
incluyendo
TODAS las
posibilidades en ir
del estado inicial
al final
El problema de los resultados
infinitos: Renormalización • Para poder calcular
probabilidades de una
medida la teoría asume dos
condiciones fundamentales:
– diagramas más complicados
son mucho más
improbables y contribuyen
menos al resultado final.
– Las partículas y las
interacciones entre éstas
son puntos geométricos de
tamaño infinitesimalmente
pequeños.
• Este esquema no va a
funcionar jamás si una de las
fuerzas es la gravedad.
Gravedad y
Relatividad General • Según Einstein, la gravedad no es
una fuerza “material” como las
otras.
• La gravedad resulta de “deformar”
el espacio y el tiempo en el cual
se mueve la materia.
• Se puede tener gravedad en
espacios vacíos sin materia pues
ella es auto-generable.
• Donde está una partícula y
cuándo está ahí son conceptos
locales y relativos al observador.
La Mecánica Cuántica y la Relatividad
son incompatibles • Una de las dos
(posiblemente ambas) es “incorrecta”.
• Las partículas puntuales, la incertidumbre y los violentos comportamientos a nivel subatómico deformarían el espacio infinitamente.
• La Mecánica Cuántica resuelve para interacciones en un punto y en un tiempo dado en un espaciotiempo plano.
• La Relatividad resuelve para todo el espacio curvo por todo el tiempo dada una distribución continua de materia.
Teoría de Supercuerdas
• Supuestos fundamentales:
– Solo existen en el Universo
dos entidades
fundamentales.
• Un espacio-tiempo de 10
dimensiones de las cuales
solo vemos 3 dimensiones
espaciales macroscópicas y
1 de tiempo.
• Un inmenso número de
pequeñas cuerdas que no
son puntuales sino líneas
unidimensionales (o
membranas extendidas).
Materia, energía y fuerzas
• Estas supercuerdas respetan una simetría matemática especial entre bosones y fermiones conocida como super-simetría (SUSY).
• Las supercuerdas son del tamaño fundamental conocido como longitud de Planck (10-35 metros).
• Las ecuaciones que gobiernan los modos de vibración de las cuerdas reproducen la distribución de masas, cargas, y espines de las “partículas” y fuerzas del Modelo Estándar.
• Los electrones, quarks, fotones, bosones W y Z, y gluones no son partículas diferentes sino que son todas supercuerdas vibrando a diferentes frecuencias.
• Hay una vibración asociada al gravitón que reproduce una Teoría General de la Relatividad renormalizable.
Problemas de la Teoría
• No es única. Hay al menos 5 variedades de teorías de supercuerdas. Hay al menos otras dos teorías alternas de gravedad cuántica.
• Es tan complicada y abstracta que aún ni se saben cual serían las ecuaciones exactas que gobiernen las funciones de onda de las cuerdas.
• Tiene demasiada riqueza predictiva. No solo predice las “partículas” del Modelo Estándar sino que podría tener muchas otras que no se ven, y que por tanto hay que “prohibir” sin ninguna justificación teórica.
• Es imposible realizar experimentos a escala de Planck para verificar consecuencias distintas del Modelo Estándar. La teoría no es falsable empíricamente.
Igual pasa en la Cosmología
moderna
• La observación de supernovas 1A que demuestra una expansión acelerada del Universo es incompatible con la Relatividad General si solo existe lo que se puede confirmar empíricamente (¿energía oscura?).
• Es imposible determinar las causas del Big Bang, ni por qué los parámetros que definen la expansión son esos y no otros.
El futuro de las “Teorías de
Todo” • Teoría M:
unificando las
teorías de
supercuerdas
• El Big Bang y los
agujeros negros:
ejemplos de
gravedad
cuántica
• El principio
antrópico: la
existencia de
organismos
vivos y las leyes
del Universo
¿Y si se confirmase la Teoría M
englobando QM y GR?
• ¿Podría ser considerada Ciencia?
• ¿Habría que reevaluar el requisito aparentemente indispensable de contrastación empírica?
• ¿Cuánto tiempo debe pasar sin falsación empírica ninguna para proclamar el “final de la Física”?