Aspectos
epistemológicos en la enseñanza de la Física
(una extensión del Enfoque conceptual en la
enseñanza de las ciencias a través de la Cosmología)
Mario Rios Quispe
Sección de
Biofísica y Matemática, Universidad Juan Pablo II
mriosquispe@gmail.com; telf.. 32282914;
Cel. 999637750
Abstract
El
presente ensayo hace un tratamiento de los conceptos de Dios y la cosmología
(parte de la física que estudia el origen y evolución del universo) desde un punto
de vista epistemológico, en el sentido de establecer que grado de creencia
tiene la cosmología y que grado de ciencia tiene el concepto de Dios; para lo
cual, hacemos un registro de como la creación de cielo y la tierra se pasa a la creación del universo (Big Bang), y como de la exactitud y papel de las
constantes de la naturaleza, pasamos a plantear el concepto de un diseño
inteligente (Dios). Asimismo, intentamos precisar el concepto de vacío, el
sentido de que hay más atrás del origen del universo; y que hay del
cumplimiento de las leyes de la naturaleza antes del Big Bang, así como la de
sus principales principios como por ejemplo el principio de conservación de la
energía y de la geometría del Universo. Esto a nuestro entender, de dar alguna
ruta de solución, podría ayudarnos mucho en lo que respecta a la enseñanza de
las ciencias bajo lo que se ha denominado el enfoque conceptual en la enseñanza
de las ciencias pues, ya no se trata
solo de la cuestión operacional del concepto sino también la forma como se han
construido los conceptos y bajo que presupuestos
Key Words
Universo,
Dios, Vacío cuántico, Agujeros negros, Interpretaciones cosmológicas, diseño
inteligente, Enfoque conceptual
Introducción
En
nuestros estudios y específicamente en el estudio de origen y evolución del
universo (cosmología) siempre tendemos a idealizar en muchos casos bajo una
concepción platónica en el estudio, pues preguntemos si no lo hubiera, que sentido tendría
orientar un estudio y generar las bases del conocimiento. La cosmología que
antes se denominaba cosmogonía ha venido a ponernos al límite en lo que
corresponde a la validez del conocimiento que de él se obtuviera, y que a pesar
de los nuevos aportes de la Astrometría, no escapamos al estudio del universo
como un todo cuyas consecuencias son – muchas veces - los contenidos
especulativos; consideramos que es aquí donde juega un papel importante la epistemología,
en el sentido de que siendo auxiliar de la ciencia también nos ayudaría a
entenderla científicamente, más aún, si es que los conceptos que se utilizan en
la cosmología devienen de otros conceptos que en muchos casos está planteado en
doctrinas religiosas, lo que suele crear confusión del alcance y validez de la
ciencia si es que no se precisa el grado y profundidad del concepto como es el
caso, por ejemplo, del concepto de vacío.
Esto
a nuestro entender, de dar alguna ruta de solución, podría ayudarnos mucho en
lo que respecta a la enseñanza de las ciencias bajo lo que se ha denominado el
enfoque conceptual en la enseñanza de las ciencias [1] pues, ya no se trata
solo de la cuestión operacional del concepto sino también la forma como se han
construido los conceptos y bajo que presupuestos, ¿cual ha sido su origen
provisional?, y el contexto que envuelve a ello lo que se denomina la
concepción del mundo (weltanschauung)..
Estas
consideraciones son las que permiten hacer
un contraste, diferencia y similitudes de la relación Dios y Cosmología;
el Dios “como lo sobrenatural, todopoderoso y que creó el mundo y lo gobierna” [2] y por el otro lado la cosmología,
que siendo el estudio del origen y evolución del universo que se hace de una
manera científica y por ende métrica, ha tenido como consecuencia inmediata, la
anulación de la “realidad”, en el sentido que la “cosmología se plantea varios
modelos del universo con lo que – en
apariencia - la realidad va perdiendo interés” [3] y entonces nos enfocamos
a la universalidad característica clave en la cosmología.
Los otras
contrastes, diferencias y similitudes por encontrar, solo puede ser posible a
través de una indagación epistemológica en el sentido de aplicar la filosofía
de la ciencia a los temas cosmológicos, específicamente donde entran conceptos
discutibles como Dios, vacío etc.; y lo que es más importante, a hacer
prevalecer “las observaciones astronómicas mejores y más completas que deben
centrarse en las características generales del universo y en su comportamiento”
(J.R. Gott) valiéndonos de un supuesto clave: el universo está gobernado por
las mismas leyes de la tierra; o técnicamente hablando, las leyes son
invariantes. Lo que hace pensar que “… todo interés en una teoría reside en
carácter lógico, no en su importancia con vistas a interpretación de datos
observados” [3]
Por
otro lado, el sentido de escribir estos temas, es porque los libros de
cosmología, astrofísica o astronomía suele tratar estos temas como algo que
adorna al contenido, más consideramos, que es importante también conocer los
presupuestos que llevaron al conocimiento científico, específicamente en
cosmología. Además de acuerdo a nuestra experiencia pedagógica debido a la
capacidad sintetizadora que tiene la cosmología, esta temática ha resultado
útil para la enseñanza de la física a nivel universitario sobre todo en
estudiantes que son de especialidades distintas a la de ciencias.
De
lo manifestado, nos preguntamos entonces ¿Qué aspectos no científicos del
estudio cosmológico ha envuelto a los científicos? La cosmología en la
actualidad ¿es la única que puede explicar lo concerniente al universo?,
¿Cuáles serían sus límites?
La causa como el Principio, en debate
Desde
las cosmogonía y las concepciones del mundo, pasamos a la cosmología como una expresión más sistemática del
estudio del universo y que incluye no solo - y lo hemos visto - aspectos
epistemológicos que puede dar lugar a interpretación, sino a una serie de
argumentos y lógicas que es necesario analizarlos y ver desde el punto de vista
de las proposiciones y conceptos, con que profundidad podemos comprender el
universo en su origen y evolución.
Algunos
hablan por ejemplo de la una dualidad de análisis como es el “argumento
cosmológico” y el argumento “teleológico”. Nuestra propuesta es sesgar el
estudio al argumento cosmológico y de ahí discutir los supuestos que hemos
visto y en que en muchos casos no tiene – al parecer – base estrictamente
científica.
Uno
de esos supuestos es que el Big Bang tuvo una causa, y la causa es Dios,
entendiendo causa a decir de Aristóteles “el principio del cambio o del reposo” o parte de la conexión necesaria de los
fenómenos que está ligado a los efectos.
[2]
Se
asume entonces a Dios como una causa, pero, ¿que hay antes de la causa?, si
además en los procesos de la naturaleza lo que existe es una cadena de causas y
efectos.
Veamos
una formulación (Árabe Algazel (GRAIG 2000))
1. Todo lo que comienza a existir tiene
una causa de existencia
2. El universo comenzó existir
3. Por lo tanto el universo tiene una
causa de existencia
Entonces,
si Dios es la causa del Universo eso implica que el universo fue creado por el;
pero si lo creó también debemos considerar que no habría tiempo ni espacio (se
entiende que al crearse el universo también se creó el espacio y el tiempo) ¿de
donde sale Dios? y entonces el problema es más grande, ¿Cómo puede ser creado
algo del vacío total (nada)? Y peor aún
¿Qué ha causado realmente el origen del universo?
Singh J. [4]
Dice al respecto: “Esta otra cosa tiene su propia causa eficiente, distante de si
mismo. Esta otra cosa tiene su propia causa y así sucesivamente,
estableciéndose una secuencia de causas eficientes. Whittaker dice que dicha
secuencia no puede formar una cadena cerrada. Y que tampoco es posible una
regresión infinita, dada la reciente inserción de una creación (como por
ejemplo la teoría de Lemaitre – Gamow)
en la imagen científica del cosmos, por tanto, la secuencia de
desembocar en una última causa eficiente que es en si incausada o sea Dios”. Como vemos hay siempre la situación de
que “alguien” finalmente lo creó; y a ello ayuda el hecho de que las leyes de
la física – al parecer – se cumple en todo el universo, sus distintas leyes, se ha erigido
en la búsqueda de un principio unitario que nos puede llevar a la idea de Dios.
Muy contrario a las mitologías que nos refieren el conflicto entre los dioses.
Otro argumento a considerar es que Dios
inyectó energía al universo (en la singularidad) pero como se menciona esto
contradice la ley de conservación de la energía ¿podrán ser otras leyes que no
conocemos? Esto sería especulación, sin
embargo la ciencia se desarrolla en base a lo que se conoce y conoce muchas
veces muy poco como es el caso de
astronomía, lo dice Chicana Wilder, [5]
“parece malabarismo que con pequeñas evidencias se puede construir teorías
bastantes compactas” Pero igual eso nos
lleva a interpretaciones que pueden desembocar en aspectos no científicos que
es la otra vía.
En los aspectos teleológicos (ejemplo la
Biblia) se dice: “Dios creó el cielo y la tierra” porque no hablar solo del cielo donde la
tierra es parte del cielo, y el cielo la extensión de la tierra y como tal
constituye el centro de la interpretación; esto cobra más peso cuando en otro
pasaje bíblico dice: “que haya un firmamento entre las aguas para separar unas
de las otras” el separarle significa que
está llevando el espíritu (soplo) de Dios por todos los confines.
Todo eso nos hace pensar que hay propuestas
de cosmologías creacionistas (Lemaitre, Gamow, Milne) como también la hay de la
Teología (San Anselmo, Santo Tomas de Aquino) todos estos intentos de deducir
un Dios partiendo de planteamientos cosmológicos lleva pronto o tarde al
desastre porque como observó Weizzacker, es imposible comprender racionalmente
a Dios en la cual no creamos de antemano (Singh pag. 352). Aunque también es
cierto que a veces muy contrapuesto y otras con ligeras similitudes, en
cualquiera de los casos, quiérase o no, ha dado lugar a profundizar el estudio
del universo y en muchos casos ponerlo al límite en la cual solo cabe la
interpretación por lo tanto, eso exige una postura, una concepción del mundo.
Como
idea esencial de esta parte, podemos decir que, de una visión antroprocentista
de ser centro del universo y de que Dios lo creó, lo nuevo es ahora, la
incorporación de una serie de conceptos tales como gravitación, radiación,
masa, de hecho ya no es el origen el estudio en cuestión sino el inicio. Metodológicamente el trabajo
corresponde a un marco de interpretación, en el entendido que “toda narración
de los orígenes es una descripción hipotética que nadie ha visto…” [6]
pag. 11. por lo tanto, hay que destacar que
origen no es igual a inicio, pues el origen nos exige mucho mas que una simple
interrogante de ¿Quién creó el universo?
Cábala, interpretaciones y constantes
en la naturaleza del universo
Histórica
y culturalmente hay una relación entre la cábala y las constantes físicas, Jou dice: “La atención de
los cabalistas a los números secretos y las letras básicas hace pensar en la
atención actual hacia las constantes físicas y las condiciones iniciales de
expansión del universo, que tan importantes son
para la existencia de la vida, y quizá ocultan – o revelan – un designio
cósmico” [6] pag 15, ahí tenemos la
velocidad de la luz, la constante de gravitación universal, entre otros.
Jou
dice en un aparte, “Mas cerca del mundo, la segunda triada podrían ser las
constantes físicas h, c y G que podemos medir y que conocemos muy bien, pero el
origen de cuyo valor ignoramos. La constante G representaría una especie de
llamada a la unidad, a través de la acción gravitatoria, en analogía con Jésed;
la velocidad C de la luz, velocidad máxima con que puede ser transmitida una
información, dividiría el espacio en regiones causalmente no conectadas y
representaría, pues, un elemento de división y ruptura, como Gueburah; la
constante h relacionada con la magnitud de fluctuaciones del vacío cuántico,
cuya agitación primordial podría ser la cuna del mundo, podría ser el inicio
propiamente dicho…” [6] pag 142
Como
vemos hay un elemento subjetivo. Ideal, especulativo pero que en cualquiera de
los casos buscamos , relaciones, síntesis que nos expliquen cómo se mueve el
mundo y/o el universo.
Por otro lado los “pitagóricos y los
platónicos consideraron que los números y las figuras geométricas constituyen la
esencia del mundo…”; en lo más cotidiano consideramos que un juego de números y
variables nos puede llevar a algo interesante que anteriormente denominábamos
la “esencia del mundo” es el caso
siguiente: “Por ejemplo
en la numeración binaria el número 7 se escribe como 111, tres veces uno, de
manera que los siete días de la creación podrían ser vistos como una
manifestación de la trinidad.” [6] Pag 129; es como si
ahora jugaríamos con los valores para encontrar una relación en la naturaleza
ejemplo Tplanck =
. (Paul Davies, El Universo Accidental) lo que podríamos considerar a la luz de los nuevos
conceptos educativos, la capacidad de “jugar” (Jou dice que jugar es teorizar) con
las variables y los números que casi no ha variado en el tiempo, solo que ahora
la cuestión es más precisa y objetiva, no olvidemos por tanto, que somos parte
de la historia. Jou dice en otro aparte:
“La cábala, en
cambio, no pretende subvertir la Tora, sino interpretarla con mayor profundidad
y vivirla con mas pasión. Es cierto que interpone entre la infinitud, la bondad
y el enigma de Dios y la finitud, la imperfección y la concretitud del mundo
una serie de entidades intermedias, pero no para minimizar al Creador, sino
para comprender su relación con el mundo o, incluso su dinámica interna.” [6] Pag. 120

Veamos
ahora el caso de la constante de estructura fina, Jou dice: “Uno de los números
relacionados con las constantes físicas es el cociente entre la fuerza
eléctrica de repulsión entre dos protones y la fuerza gravitatoria con que se
atraen. Este cociente no depende de la distancia, ya que ambas depende de la
distancia de la misma manera. El
cociente entre estas dos magnitudes es aproximadamente 1036 , Si
hubiera sido 1033 o menor 1039 – o mayor – no habría
habido vida” [6] pag. 135. Otra interpretación nos dice que
mide por ejemplo la relación entre un electrón y un átomo, donde ínfimas
variaciones determina una química distinta solo variando una millonésima por
parte. ¿Cuánto rango tiene para no variar? El detalle es que no cambia desde el
principio pues a pesar de que requiere de otros parámetros como la temperatura,
este juego de números nos ayuda a plantear que las constantes nos pueden llevar
a otras situaciones posibles o a situaciones que no resultan factibles por
ejemplo para la vida o un universo como el nuestro. Una ínfima variación nos
lleva a un universo distinto, aspecto muy similar a la dependencia sensitiva de
las condiciones iniciales (efecto mariposa).
En
otro ejemplo, Fred Hoyle mostró respecto al carbono en el universo, que bajo un
rango de tiempo desde la creación del universo; la tasa de carbono era más alta
de lo que hay, cuya interrogante se explicaba por la síntesis química de los
elementos (resonancia en la cantidad de energía específica) el juego de números
una vez más, nos lleva a interesantes propuestas y nuevas hipótesis. Estos
valores señalados parecen ser algo interesante y enigmático que se dio a partir del Big Bang, un cambio infinitésimo
de algunos de sus valores nos hubiera llevado a un universo distinto pero
entonces si es así indicaría que “alguien” lo diseñó (diseño inteligente) y si
vamos más a lo cultural sería Dios.
Sobre la Agitación primordial y
fluctuaciones del vacío cuántico
El
gran debate de la creación del universo es si esta se genera a partir de un
estallido o se genera de la nada, o es un desprendimiento de energía debido a
una sobresaturación. Lo común es pensar que todo nació a partir de una nada, de
un vacío, pero que vacío, veamos los conceptos de vacío en su construcción.
Aristóteles
dice que el vacío es una cuestión contradictoria, en un modo dialéctico, “hay
razones para creer en el vacío y también para negarlo” [7]. Común es decir que en el vacío no hay nada o el vacío como el
lugar privado de cuerpo, Aristóteles señala
que es un intervalo de cuerpos, y como dice Cuellar, concordante con la física
contemporánea y se contrapone; a lo que por mucho tiempo se ha denominado como
el vacío absoluto, pero cuya negación es hoy pertinente por los descubrimientos
científicos como la física de altas atmósferas, alto vacío, y en nuestro caso
que nos asiste, el vacío cuántico. Esto ha sido el debate en mucho tiempo
inclusive en la actualidad cuando se dice que un electrón choca con un positrón
y entonces desapareció la materia, negando así la inagotabilidad de la materia
pues esa materia en forma de cuerpo puede haberse “transformado” en energía y
entonces ha “desaparecido” una forma de
la materia para convertirse en otras formas.
Ahora
hay algo más que se agregaríamos, que todo nació a partir de un caos, lo que
sería un presupuesto acorde con el hecho que después se dio un estallido, ya
las culturas antiguas hablaban
de aguas primordiales, revoltijo barullo, en la actualidad la cosmología
cuántica refiere de algo semejante al cual se le denomina fluctuación cuántica,
de las cuales se cree surge el universo, y entonces se complica el concepto y
llamamos fluctuaciones cuánticas de vacío.
Por
otro lado en el génesis Cap. I se habla ya de un agua tempestuosa y que de
repente ha de brillar vivificadoramente. En los estudios modernos se refiere
como una posibilidad que el universo haya surgido a partir de un vacío cuántico
primordial.
Como
vemos nuevamente surge las interrogantes, el mundo ¿a partir de que fue en
sentido estricto creado? De la nada, cual nada. La no existencia, eso puede ser
muy temerario, pues la nada es no existencia.
En
la actualidad hemos de entender que “El vacío cuántico está relleno de pares de
partículas y antipartículas virtuales, que no pueden ser observados
directamente, pero que tienen diversos efectos indirectos. El primero de ellos
es el efecto lamb” [6] pag. 42 que
marca el inicio objetivo y concreto de los estudios de las fluctuaciones y
vacío cuánticos, al respecto, entendemos que “En física cuántica, el vacío no
es un espacio sin nada, aunque aisláramos una región del espacio y extrajéramos
todas las partículas, toda la radiación, todos los campos gravitatorios y
electromagnéticos, la región no quedaría sin nada sino que estaría poblada por
una continuas fluctuaciones que se manifiestan como producción y aniquilación
de parejas de antipartículas y partículas”. [6] (pag. 40)
“En
definitiva, mas allá de los detalles de cada uno de estos fenómenos, basta
saber que la actividad de vacío cuántico es observable indirectamente” [6] pag. 43
De la Visión Platónica a la Geometría
Moderna
“El universo es un libro escrito con lenguaje matemático“
Galileo
En
los aspectos básicos de la enseñanza no logramos diferenciar redondo de
esférico y muchas veces lo decimos sin ninguna diferencia pero que después
cuando se profundiza, se percibe la necesidad de diferenciarlo, pues es lo que
marcará la diferencia de un modelo físico y una medición objetiva de un objeto
o fenómeno físico. Siendo la esfera algo ideal, necesitamos de ella en tanto nos
permite afrontar temas reales como la evolución del universo a partir de una
situación ideal; lo era el caso cuando para entender las dimensiones y la
necesidad de medir, partimos del punto, recta y segmento de recta.
La
primera cuestión es si el universo es finito e ilimitado, aunque suene
contradictorio es posible (hiperesferas) como modelo de interpretación que ya
Einsten (ejemplo, esfera) lo había planteado, lo que en la actualidad nos lleva
a considerar bases observacionales pero siempre sobre criterios ideales, pero
que hace considerar a la esfera como un
modelo de interpretación; pues bien, esto nos lleva a otro concepto, la
topología, de todas las formas posibles geométricamente hablando, la esfera es
la más fácil de poder reproducirla y trabajarla y de ahí poder derivar leyes o hacer
mediciones de parámetros en el universo. Pero una esfera nos lleva
inmediatamente a un centro Jou dice al respecto: “la cuestión del centro de un
espacio tiene un gran interés psicológico y epistemológico. Un centro sitúa y
orienta las otras zonas, estructura el espacio, sea el universo, una galaxia,
un sistema planetario, una región o un país”. [6] 167
Necesitamos
croquis o mapas para ubicarnos esa tal vez sean las ideas, los modelos, los
“objetos” que solo están en nuestra mente, pero que son necesarias para poder
interpretar los fenómenos al respecto Jou dice: “Para Platón,
esta situación no es nueva. La ha imaginado a menudo cuando pensaba en las
relaciones entre las ideas y el mundo que nos rodea. Las ideas pueden actuar
como una especie de moldes, que daban forma a lo indiferenciado, pero nunca una
forma perfecta, sino tan solo aproximada”. [6] Pag. 60
Así
en general “Los pitagóricos y los platónicos consideraron que los números y las
figuras geométricas constituyen la esencia del mundo, lo mas permanente y
profundo tras la realidad sensible, lo eterno que subsiste tras los cambios de
la materia y las vicisitudes de la vida”
[6] pag. 131
Sin
embargo esta interpretación nos puede llevar al otro extremo, que las ideas
dictan la realidad o que la realidad se reduce a las ecuaciones, Jou dice: “En
la juventud Platón quedó fascinado, por esta idea : lo permanente tras la
realidad no se encuentra en la materia sino en las formas, una idea. Los
números y sus relaciones son permanentes, pero se manifiestan en una
multiplicidad de realidades. Quizá lo más profundo de la realidad no se
encuentra en la materia sino en las formas”. [6] Pag. 53. Las formas de Platón son perfectas y eso hace irnos
por ese lado. Einsten en la relatividad – por ejemplo - había propuesto que la
gravitación no era en realidad una fuerza, sino una geometría. Jou interpreta
que “La gravedad como escultora del universo y no tan solo como fuerza
invisible tras caídas y órbitas” [6] pag
147
Las
leyes físicas situadas entre la abstracción de las matemáticas y el mundo
concreto observable, tienen una naturaleza peculiar. Casi lo podríamos
considerar trascendentes al universo, en el sentido de que podrían ser
aplicables a muchos universos – si es que existiera - y no solo al nuestro.
Diremos
finalmente siguiendo a Jou que “En el modelo cosmológico actual, el universo se
supone homogéneo e isotrópico, de forma que todas sus regiones son a gran
escala, iguales. Esta hipótesis crucial no es fruto de la modestia, sino una conveniencia matemática para poder
simplificar las ecuaciones del modelo cosmológico. De hecho, tan provinciano
podría ser creer que la tierra es centro del universo, como creer que todos los
lugares del universo son como el lugar que conocemos. La hipótesis de la
homogeneidad es una hipótesis científica en cierto modo desesperada: sin ella,
nuestro conocimiento del universo se limitaría a la zona que podemos observar,
y nada podríamos decir de lo que no conocemos; con ella, extrapolamos este
conocimiento y podemos hacernos la ilusión de que conocemos el comportamiento
de todo el universo” pag. 169. No olvidemos que “La simplificación matemática
alternativa a la simetría central es la homogeneidad. De hecho, es mas que una
simplificación matemática: es una condición casi necesaria para poder hacer
cosmología” [6] pag. 168
Algunas conclusiones
De
las aguas primordiales pasamos a los conceptos de espacio y tiempo, que al
trocarse el espacio se vuelve tiempo, y el tiempo se vuelve espacio.
La
ciencia no conduce a certezas definitivas; físicas son provisionales y no
pueden ser validadas sino tan solo falsadas.
Sin
embargo, cuando no se tiene en claro los principios epistemológico pasamos a “… ver las leyes físicas básicas como el
conocimiento mas puro, mas objetivo, mas profundo, mas elegante, mas bello que
pueda llegar a tener de la naturaleza, Se hace la hipótesis de que las leyes de
las interacciones elementales podrán llegar a describir todos los fenómenos,
por complejos que sean, incluso la vida y la inteligencia” pag. 144
Todas
estas aportaciones desbordaron ampliamente el marco especializado e influyeron
profundamente e influyeron profundamente en la cultura. El hecho de que la
tierra no estuviera inmóvil en el centro del universo, sino en movimiento y al
margen, cambió el modelo cosmológico y la visión de nuestro lugar en el cosmos.
Referencias
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Links de interés
Enfoque
Conceptual en la Enseñanza de las Ciencias
Buscando
a Dios en el Universo
Otros de Interés
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