La Ciencia en el tránsito del siglo XIX al XX

La Ciencia a finales del siglo XIX

El siglo XIX fue, desde la perspectiva de la ciencia, un periodo de extraordinaria creatividad. Se adquirió, en numerosos ámbitos, un conocimiento amplio de múltiples fenómenos y, al mismo tiempo, se articularon teorías de un alto grado de generalidad.

Es ésta la centuria durante la que se formula la teoría de la evolución de las especies, se culmina la síntesis del electromagnetismo y la óptica, se enuncia el principio de conservación de la energía, se mecaniza la ciencia del calor, se produce el desarrollo de la fisiología, la Química conoce un desarrollo espectacular, aparecen las geometrías no euclídeas, etc., Y, al mismo tiempo, es ésta también la época en la que se consolida el proceso de institucionalización de la ciencia iniciado en siglos precedentes.

El modo clásico de ver el mundo

Puede hablarse así, con propiedad, a finales de siglo y en el marco de las ciencias físicas, del establecimiento de un cierto modo de ver el mundo cuyas características más significativas podríamos resumir como sigue:

• La materia, a la que tiende a concebirse como discontinua en su estructura, se mueve a través del espacio y en el tiempo según las leyes de la mecánica. Estas leyes son tales que si se conoce el estado de un sistema en un momento determinado, resulta factible determinar ese estado en cualquier otro momento del pasado o del futuro. La evolución del mundo físico es, pues, determinista.

• Todas las diferencias aparentemente cualitativas de la naturaleza se deben a las diferencias de configuración o movimiento de estas unidades básicas o de sus agregados. Los cambios cualitativos son, pues, meros efectos superficiales del desplazamiento de esas unidades elementales.

• La acción recíproca entre los corpúsculos básicos no es una acción a distancia; ésta puede siempre explicarse por una serie de acciones sucesivas del medio que separa a los cuerpos que interaccionan (este medio sutil es el éter).

• La energía puede propagarse desde un lugar a otro de dos modos alternativos y excluyentes: por medio de partículas o por medio de ondas.

• Las propiedades de un sistema, incluidos los atómicos, pueden medirse con una precisión ilimitada; para ello basta con reducir la intensidad de la sonda de medida o introducir un ajuste teórico controlado.

Esta visión, que exige un cierto modo de entender el espacio, el tiempo, la materia y el movimiento, supone la aceptación de una causalidad mecánica en la que el mundo, cuya existencia objetiva no se cuestiona, evoluciona de un modo claro y determinista, gobernado por leyes formuladas mediante ecuaciones diferenciales.

La visión clásica del mundo queda, así, recogida en un conjunto de ecuaciones que sintetizan los dos grandes campos del conocimiento físico:

• Las leyes de Newton para los sistemas mecánicos y la expresión general de una de las interacciones fundamentales de la materia - la gravitacional - con la que se unifican las dinámicas terrestre y celeste.

F = ma

F_M' = -G (MM'/r²) u_r

• Las leyes de Maxwell y la relación de fuerza de Lorentz mediante las que no sólo se explican los fenómenos eléctricos y magnéticos sino con cuyo concurso se desvela la naturaleza electromagnética y ondulatoria de la luz.

∇ x E = -∂B / ∂t

∇ · E = ρ / ε₀

∇ x B = μ₀J + μ₀ε₀∂E / ∂t

∇ · B = 0

F_q = q (E+vxB)

A finales del siglo XVIII, gracias fundamentalmente a los trabajos de Lavoisier y su escuela, la Química había comenzado a adquirir el estatuto de ciencia. La medida y el control experimental habían sustituido a la observación cualitativa y el asombro que generaban los espectaculares procesos químicos se había mutado en análisis. Pronto surgieron las primeras regularidades, las primeras leyes, y con ellas volvió a avivarse la vieja indagación sobre la constitución y estructura de la materia.

También en el ámbito de la Física, como consecuencia del desarrollo de la ciencia de la Pneumática y la formulación de las primeras leyes del comportamiento de los gases, el modelo atómico había ido ganando adeptos.

La publicación de los Principia produjo un impacto enorme en el ámbito de la cultura y la figura de Newton adquirió proporciones míticas. No es extraño, por tanto, que apareciera como desideratum de todas las ciencias el programa de Newton, cuya esencia no era otra que investigar el carácter de las fuerzas de la Naturaleza a partir de sus manifestaciones -obtener, en suma, su expresión matemática como él hizo en el caso de la gravitación apoyándose en las leyes de Kepler - para, con posterioridad, demostrar el resto de los fenómenos. Subyace en esta concepción la idea de reducir los fenómenos a meras manifestaciones de materia y fuerza. El estudio de estas últimas categorías es el hilo conductor del desarrollo de la Física y la Química a lo largo del siglo XIX e incluso más allá.

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MATERIA Y FUERZA
Visión atomista e interacciones atómicas y moleculares

La visión atomista de la materia, hasta entonces limitada a una presencia fantasmal en el ámbito de la especulación filosófica, irrumpió con fuerza en el marco de la Física y la Química para, desde ellas, aunque no sin contradicciones, ir ganando espacio a lo largo de todo el siglo XIX - al compás de los nuevos desarrollos científicos -. Durante este proceso se iría perfilando la naturaleza de las interacciones que explicaban la textura de los cuerpos macroscópicos, tendiéndose así puentes entre lo visible y lo invisible, entre el macrocosmos y el microcosmos.

He aquí algunos de los “momentos” más significativos de una historia que culminaría el proyecto de mecanización del mundo que tiene sus raíces más próximas en el Cartesianismo:

1. La obtención de las leyes ponderales de conservación de la masa (Lavoisier) y de las proporciones definidas (Proust).

2. La elaboración, por John Dalton, de una hipótesis atómica en la que sugiere, por un lado, que las combinaciones químicas se efectúan mediante unidades discretas, átomo por átomo, y, por otro, que los átomos de cada elemento son idénticos. Este modelo permite no sólo formular la ley de las proporciones múltiples (Dalton) sino, también, fortalecer la convicción de que sin la hipótesis atómica las leyes de las combinaciones químicas seguirían siendo misteriosas, al igual que lo eran las leyes de Kepler antes del trabajo de Newton.

3. La puesta en marcha de un programa de investigación con el objetivo conjunto de determinar los pesos relativos de las partículas últimas, tanto de los cuerpos simples como de los compuestos, así como el número de partículas simples elementales que constituyen una partícula compuesta y el número mínimo de partículas compuestas que entran en la formación de una nueva partícula compuesta (...). ¡Todo un reto para la Química del momento!.

4. El desarrollo de la ciencia de la Pneumática y la obtención de las leyes de Boyle y Charles. Estas leyes sugieren, a diferencia de lo que sucede para sólidos y líquidos, que todas las sustancias gaseosas, independientemente de su composición química, tienen un comportamiento físico similar. Se construye un modelo mecánico, de raíz atómica, para los gases; y el mismo Newton combina corpúsculos y fuerzas para tender el primer puente, de naturaleza cuantitativa, entre lo microscópico y lo macroscópico.

5. Las leyes volumétricas para las reacciones químicas entre gases avalan el comportamiento especial de estas sustancias. Los trabajos de Gay-Lussac, Cannizaro y Avogadro, al usar como sustrato interpretativo la hipótesis atómica, permiten reconciliar todos los resultados mediante la introducción de las moléculas poliatómicas.

6. Se producen avances significativos en el estudio de la naturaleza del calor. Black, Thompson, Davy, Mayer y Joule, entre otros, acaban estableciendo, más allá de toda duda, que el calor no es ninguna sustancia material o fluido imponderable, sino energía asociada al movimiento de diminutas partículas de materia ordinaria. La teoría cinético-molecular se extiende así a nuevos ámbitos de la Física para adquirir, finalmente, una enorme capacidad explicativa, en manos de Maxwell y Boltzmann, con la interpretación estadística de las leyes de la termodinámica.

7. Se introduce la noción de afinidad para dar cuenta de los procesos que tienen lugar cuando en un compuesto se produce la eliminación de uno de los constituyentes de un compuesto en beneficio de un tercer cuerpo: se dice entonces, que éste último presenta una amistad, simpatía o predisposición afectiva, una afinidad en suma, por el segundo de aquellos, más fuerte que la que había provocado la primera reacción. Por medio de ella, primero de forma vaga y más tarde de modo más riguroso, se intenta cuantificar esa mayor o menor capacidad de unión entre sustancias.

8. El uso de las descargas eléctricas y, más tarde, el de la pila como métodos para descomponer sustancias introduce la electricidad en la Química dando un nuevo sesgo tanto al estudio de la estructura de las sustancias como al de la naturaleza de las interacciones entre los constituyentes últimos de éstas. En el primer caso, permitiendo el descubrimiento de nuevos elementos (el número de éstos crece espectacularmente pasando de los 33 que Lavoisier incluía en 1789 a los 70 que clasificará Mendeleiev en 1869); en el segundo, estimulando teorías que aventuraban una explicación de la afinidad en términos eléctricos: Creemos [dirá Berzelius] saber ahora con certeza que los cuerpos que tienen tendencia a combinarse muestran electricidades opuestas que aumentan en intensidad a medida que se aproximan a la temperatura a la que tiene lugar la combinación, hasta que, en el instante de la unión, la electricidad desaparece produciéndose una elevación de temperatura que a menudo es tan grande como para producir una llama [....] En nuestro actual estado de conocimientos, la explicación más probable de las reacciones de ignición y combustión es la siguiente: en todas las combinaciones químicas hay una neutralización de electricidades opuestas y, esta neutralización, produce fuego del mismo modo que se produce en la descarga de un condensador, una pila, o un rayo [...]. La carga eléctrica se convierte así en la primera causa de toda actividad química. Sobre la base de dos fuerzas opuestas se podría construir un método simple de previsión de las reacciones químicas.

9. La proliferación de elementos químicos provoca cierto desasosiego, porque choca con uno de los principios subyacentes en cualquier ciencia que se precie: la simplicidad. Esta necesidad compulsiva de unificación puede explicar la “descabellada” idea de W. Prout (1785 - 1850) que imaginaba la diversidad de cuerpos simples derivada supuestamente de un único elemento originario, el hidrógeno. Mendeleiev, en cambio, aceptaba la existencia de la diversidad de elementos y por ello no buscaba, como Prout, una materia primera con la que explicar esa diversidad; estaba convencido, y lo estaría siempre, de la pluralidad irreductible de los elementos y de la imposibilidad de trasmutarlos. Encontró una cierta unidad entre los elementos químicos al descubrir la existencia de regularidades de comportamiento dentro de lo que conceptuaría como familias. El éxito de esta búsqueda lo resume su Tabla Periódica.

10. La naturaleza compleja de la luz, puesta de manifiesto por Newton al hacerla pasar por un prisma, está en el origen de lo que, más adelante, se conoció por espectroscopía. Físicos y químicos exploran las características de la luz emitida por todo tipo de sustancias y, más en particular, la de los diversos elementos químicos en fase gaseosa: los resultados muestran que a cada uno de ellos le corresponde un patrón de rayas luminosas único y característico.

11. La existencia de familias de elementos con propiedades similares, así como los datos procedentes del análisis espectroscópico de la luz emitida por las diferentes sustancias, suscitaron la sospecha de que debía existir una estructura interna en los átomos.

12. La naturaleza electromagnética de la luz había permitido no sólo incorporar la óptica al proceso de unificación de la electricidad y el magnetismo, sino también desarrollar un modelo plausible para la propagación de interacciones en términos de velocidades finitas. Los diversos éteres, que físicos y químicos habían introducido para explicar múltiples fenómenos, quedaron reducidos a uno sólo - el éter electromagnético - y este éxito permitió alumbrar teorías que pretendían interpretar los cuerpos materiales como vórtices y tensiones del éter: sustituir, en suma, la mecánica por el electromagnetismo.

13. A finales del siglo XIX y comienzos del XX se produjo una eclosión de fenómenos ligados a la existencia de una estructura subatómica: desintegración radiactiva, radiaciones desconocidas, descubrimiento del electrón, etc. Fue entonces, aunque pueda parecer paradójico, al cuestionarse la misma idea de átomo como entidad indivisible, cuando acabaría generalizándose la aceptación de la naturaleza atómica de la materia. Marie Curie escribía en 1900: Los átomos (de los elementos radiactivos), indivisibles desde el punto de vista químico, son de hecho divisibles, y, más adelante añadía, refiriéndose a la explicación de la radiactividad en términos de la expulsión desde el átomo de partículas subatómicas: esto socava de forma grave los principios de la química. En cualquier caso parecía claro que el átomo químico no era el estadio último de la física de partículas.