¿PASA ALGO MALO CON LA QUÍMICA?

 

Probablemente lo que más diferencie a la Química de otras ciencias sea la visión dinámica de la Naturaleza que la Química proporcionó desde sus más remotos orígenes [J. Schummer, Stud. Hist. Phil. Sci. 34 (2003) 705–736]. Sin embargo, parece que en el subconsciente colectivo está arraigada la idea no científica de una Naturaleza estática. Así, la Química, con su capacidad de transformar la “sustancia” y la “esencia” de las cosas, es frecuentemente vista como “antinatural”. No hay más que fijarse en la publicidad de hoy en día que nos vende productos “sin químicos”.  Por el contrario, nadie sugeriría ninguna dicotomía entre “físico” y “natural”, “geológico” y “natural”, y mucho menos entre “biológico” y “natural”.

En las visiones arcaicas del mundo, toda la Naturaleza fue creada tal y como es vista en el presente, y los intentos por “transformar la sustancia de las cosas” podían ser catalogados como actos diabólicos. En el libro de Enoc, que pertenece a la cultura hebrea probablemente del siglo segundo a.C., y que no es reconocido por casi ninguna Iglesia cristiana, se presenta claramente a la Metalurgia como de origen diabólico. Es fácil entender la impresión que debía producir desde los inicios de la Era de los Metales la transformación de unas piedras azuladas (sulfato de cobre) en cobre metálico.

Entonces, ¿es la Religión culpable de la mala reputación de la Química?

Se suele asignar a San Alberto Magno (1193-1280) la idea de que la capacidad transformadora de la Química imita a la Naturaleza y así es la más importante de todas las ciencias, llegando éste a decir en su libro Liber mineralium que “in arte alchimiae . . . quae inter omnes artes maxime naturam imitatur”. Existe bastante consenso acerca de que Alberto Magno fue el que rescató el concepto de átomo propuesto por el filósofo griego Demócrito en el siglo IV a.C y que Alberto Magno asoció con el “minima naturalis”. Podemos considerar a Alberto Magno aún como alquimista.

Sabemos que Isaac Newton realizó números experimentos alquimistas y que poseía una extensa biblioteca alquimista, pero prefirió mantener básicamente en secreto sus estudios en este campo, probablemente por la mala fama que tenía la alquimia en su época.

El nacimiento de la Química como ciencia moderna tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XVIII, con los primeros estudios sistemáticos de Lavoisier (1743‑1794). Tras la introducción de la balanza por Lavoisier y la ley de las combinaciones por Bertholet (1748‑1822), se desarrollaron rápidamente las bases de la Química. A pesar de ello, algunos pensadores de la época dudaban de las posibilidades de esta rama de la ciencia. Entre estos detractores cabe destacar al filósofo Immanuel Kant (1724‑1822), quien en 1786 era de la opinión de que la Química “No es más que un arte sistemático o una doctrina experimental, pero nunca se convertirá en una verdadera ciencia, porque sus principios son puramente empíricos y no permiten una representación a priori de la percepción”.

El padre de la química moderna, Lavosier, fue guillotinado por los revolucionarios franceses, aunque principalmente por ser recaudador de impuestos. El presidente del tribunal que lo juzgó, pronunció la famosa frase “la República no precisa ni científicos ni químicos”.

Actualmente las ciencias pueden estar implicadas en controversias éticas, medioambientales y de todo tipo, que estarían fuera del objetivo de este blog. ¿Pero hay algo más en la Química que no se plantea en otros ciencias y que pueda afectar a la esencia de las creencias religiosas?  La respuesta a esta pregunta puede ser afirmativa. De nuevo, como antaño, la manipulación de la naturaleza de la materia nos plantea temores.  Probablemente las máximas objeciones estén ahora en la aplicación de la Química a la Biología.

 

Hay quien piensa que la creación de “vida artificial” partiendo de sustancias químicas está cerca. Sólo plantear esta posibilidad sitúa de nuevo a la Química en el centro del debate religioso y filosófico, distinguiéndose de otras ciencias como ha estado desde hace más de dos milenios.  Los biólogos moleculares operan habitualmente con diversas sustancias presentes en los seres vivos. Pero transportar biomoléculas de un ser vivo a otro no es crear vida artificial, sino manipulación o transformación de seres vivos previamente existentes. De momento, ni sabemos muy bien qué es la vida, ni tampoco sabemos cómo lo puramente químico se puede convertir en biológico. Personalmente, me inclino a pensar que  es imposible crear vida artificialmente partiendo de materia inerte y, tal vez, la ley de la Naturaleza que justifique esta afirmación aún esté por descubrir.  De la misma forma que el principio de incertidumbre de Heisenberg reveló el límite a la Física para conocer el mundo subatómico con precisión, sospecho que el límite insuperable de la ciencia Química es la formación de vida.

 

 

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La segunda ley de la Termodinámica puede expresarse de esta manera:

 

La entropía de un sistema aislado es constante o aumenta, no puede disminuir. La entropía del universo no puede disminuir

Esta ley es difícil de comprender y  está relacionada con la irreversibilidad de los procesos naturales.

Sorprende que el ingeniero francés Sadi Carnot, a la temprana edad de 28 años, fuera capaz de sentar las bases de la segunda ley de la termodinámica en su libro “Reflexions sur la Puissance Motrice du Feu” publicado en 1824, incluso antes de que la primera ley de la termodinámica fuera formulada y el concepto de calor (Q) fuera comprendido. Los razonamientos de Carnot se basan en la imposibilidad de construir una máquina de movimiento perpetuo. Aunque Carnot se basó en la observación de la (irreversible) conversión de trabajo mecánico en calor en procesos industriales, no obstante sus conclusiones están entre las leyes más generales de la naturaleza y podemos considerar la proeza de Carnot como un ejemplo paradigmático del éxito del método científico así como del ingenio humano. Una vez que se abandonó el erróneo concepto del “calórico” y Joule estableció la relación entre calor y energía, Kelvin retomó las ideas de Carnot y formuló con más precisión la segunda ley de la termodinámica, la cual  es probablemente la de mayor importancia y alcance porque se pueden aplicar universalmente a todos los tipos de procesos energéticos. Después, Clausius definió el cambio de entropía termodinámica como ∆S=∆Q/T.

La entropía es un concepto poco intuitivo. La entropía es una propiedad fundamental de la materia, una “función de estado”, depende sólo del estado del sistema y no depende del camino seguido para llegar a ese estado. La entropía no es energía, tiene unidades de energía dividida por temperatura absoluta (J/K), y es una medida de la cantidad de energía de un sistema que no puede usarse para realizar ningún trabajo; y no puede usarse porque está dispersa en diferentes estados.

Los procesos físicos que ocurren espontáneamente (irreversibles) no suceden en cualquier dirección, sino en una dirección determinada desde un estado de no equilibrio hacia un estado de equilibrio y acompañados de aumento de la entropía (la entropía no se conserva). Una consecuencia de esta ley es que cuando las cosas se abandonan a sí mismas, el desorden tiende a aumentar, ya que todos los procesos espontáneos (irreversibles) que suceden en la naturaleza transcurren en la dirección en que la energía se degrada.

 

Sólo en un proceso con transferencia de energía idealmente reversible, el cambio de entropía es igual a cero (no se genera entropía, la entropía se conserva). Si intentáramos concentrar toda la masa-energía del universo en un punto mediante sucesivos procesos reversibles (sin aumento de entropía), esto no podríamos hacerlo  sin violar la tercera ley de Newton (principio de acción-reacción; F_ij=-F_ji) y la segunda ley de la termodinámica, y por tanto el universo estaría a salvo de convertirse en una singularidad.

Si el universo no hubiera tenido un comienzo, el tiempo de su existencia ya sería infinito y, por tanto, el universo se encontraría ya en un estado de máxima entropía (estaría térmicamente muerto, destruido) y no habría energía utilizable, cosa que no sucede. El tiempo infinito no tiene sentido en nuestro mundo físico, ya que para estar en el momento actual tendría que haber ya transcurrido un tiempo infinito. El concepto de muerte térmica del universo también fue mencionado por Kelvin.

Podemos bombear agua hacia un depósito en alto, se puede almacenar información en un ordenador y en el ADN, podemos construir una nave espacial, y podemos enviar calor desde un objeto frío hacia otro caliente, pero todo ello conservando la masa-energía (primera ley de la termodinámica) y generando entropía (segunda ley).

Debemos matizar que mientras que la primera ley es absoluta, la validez de la segunda ley sólo es aplicable a un número grande de partículas (o cuerpos). Pese a su carácter estadístico, la segunda ley tiene una importancia enorme, ya que predestina la dirección de los procesos en la Naturaleza. Nadie ha observado nunca que el calor fluya espontáneamente desde un cuerpo frío hacia uno caliente, lo cual supondría una violación de la segunda ley de la Termodinámica. Si pensamos en todas las moléculas de oxígeno moviéndose al azar en esta habitación, nuestra intuición nos dice que sería extremadamente improbable que todas las moléculas de oxígeno se situaran junto al techo (¡podríamos morir asfixiados!). Reflexionando, podemos comprender que la posibilidad de alcanzar un estado determinado disminuye cuando aumenta el número de estados que son posibles. De todas las formas en que se pueden situar las moléculas de oxígeno en esta habitación, el número de formas en que se situaran pegadas al techo sería relativamente pequeño. Pero, y si tuviéramos un número inconcebiblemente grande de habitaciones, ¿no podría producirse en alguna de ellas y por un instante tal disposición de las moléculas? Intuitivamente podríamos responder que sí sería posible, pero la segunda ley niega esta posibilidad, lo cual puede parecer contraintuitivo y ha sido objeto de muchas controversias. Realmente, aún no sabemos si se podría observar experimentalmente la excepción a la regla.

Diversos autores han propuesto o diseñado experimentos para lograr disminuir la entropía en un proceso irreversible. Maxwell concibió un experimento mental para intentar proponer una excepción, y así comprender que la segunda ley tiene sólo un significado estadístico (improbable no es lo mismo que imposible). En el interior de un contenedor con dos partes separadas por una puerta habría un gas y un imaginario “ser finito” (que luego Kelvin denominó como “demonio de Maxwell”). Este demonio controla la puerta y es capaz de dejar pasar las moléculas gaseosas con más energía a un lado del contenedor, mientras que en el otro lado permanecen las moléculas de menor energía, causando una disminución de la entropía en contradicción con la segunda ley. Sin embargo, en un mundo real, este demonio generaría más aumento de la entropía en el universo que la disminución que lograría al separar las moléculas, debido a la energía que necesita el demonio para realizar su tarea y, por tanto, la segunda ley se cumpliría.

 

Aunque incluso Einstein fue uno de los científicos que han manifestado estar convencidos de que la segunda ley de la termodinámica es la única ley física que jamás podrá ser derrocada, la segunda ley ha recibido algunas objeciones desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Sin embargo, se ha propuesto que dichas objeciones se deben al uso de una formulación no demasiado correcta de la segunda ley. Si establecemos una conexión entre entropía e información, la segunda ley puede enunciarse como “la información es destruida en cualquier proceso térmico real”, reconciliando esta ley con la mecánica cuántica.

Así mismo, estimando la cantidad de información que puede almacenar un ser humano y que esta información va en el alma de cada uno de nosotros hasta el Infierno, hay quien ha calculado el calor que produciría la pérdida de dicha información al morir una persona, llegando jocosamente a la conclusión de que la energía liberada por todas las almas condenadas sería insuficiente para mantener el fuego del Infierno que proponen varias religiones [Sestak J. “Science of heat and thermophysical studies”. Editorial Elsevier. 2005. ISBN-13:978-0-444-51954-2].

 

Estas son algunas de las posturas más importantes que algunos toman en relación con la segunda ley de la Termodinámica y la Religión:

(1)                 Los ateos que defienden que ni el Cielo ni el Infierno podrían existir porque se violaría la segunda ley de la termodinámica.

 

(2)                 Los creacionistas que defienden que la evolución biológica es imposible porque violaría la segunda ley de la termodinámica.

 

(3)           Los no creyentes que mantienen que los milagros no pueden suceder porque violarían una o varias leyes físicas, principalmente la segunda ley termodinámica.

 

 

 

 

 

 

 

¿CIENCIA CONTRA FE?

Muchos desencuentros y confrontaciones han sucedido, y suceden actualmente, entre la Religión y la Ciencia. Hace unos dos milenios el Apóstol San Pablo escribió que Dios había querido confundir a los sabios y así, lo que para unos era “salvación” para otros era “locura”. Especialmente los orígenes de la ciencia  en Europa estuvieron muy condicionados por la intervención de la Iglesia Católica (o tal vez deberíamos decir por la intervención de algunos religiosos desconocedores de la Ciencia). Probablemente, la confrontación entre ciencia y religión más conocida fue la que sucedió en el siglo XVII entre Galilelo Galilei y el papa Urbano VIII [60 preguntas sobre ciencia y Fe. Ed. Stella Maris (2014)]. No obstante, Galileo, además de ser uno de los padres de la ciencia, era creyente y escribió que "la naturaleza y la Biblia derivan ambas de Dios, y es absurdo querer contradecir la naturaleza, que es la expresión directa de la voluntad divina, sobre la base de la interpretación humana de las Sagradas Escrituras. Por el contrario, se debe aprender a leer e interpretar las escrituras a través de la naturaleza". Aparentemente, Urbano VIII no fue capaz de comprender a Galileo y/o estimó conveniente evitar la difusión de sus ideas científicas, hecho por el cual el Papa Juan Pablo II pidió disculpas (¡aunque tres siglos y medio después!). Otro caso paradigmático es el de Isaac Newton que, durante el trance de su muerte en 1726, y pese a ser un hombre con una amplísima formación religiosa, rehusó recibir los sacramentos de la Iglesia.

Dado que la investigación científica ha cambiado mucho en los últimos siglos, ¿no deberíamos preguntarnos si actualmente los científicos y los sabios siguen  confundidos? O, dicho de otro modo, ¿es hoy la Ciencia incompatible con la Religión? Actualmente, la Iglesia ya no ejerce tanta influencia en la sociedad occidental como en siglos pasados, y los científicos pueden ocuparse de su trabajo sin temor a ser condenados por exponer sus teorías. Sin embargo, aún hoy, las Iglesias a veces miran con recelo a los científicos y, por otra parte, en los ambientes científicos la Religión suele ser un tema tabú o de mal gusto. En la actualidad el manifestarse públicamente como cristiano en algunos ambientes puede ser motivo de burla y causa de ser calificado como ignorante. 

Sin embargo, y a pesar de tantos desencuentros, no deberíamos sentirnos avergonzados por dirigirnos desde la Ciencia hacia la Religión, o viceversa. En vez de dividir el conocimiento humano en parcelas aisladas unas de otras, en vez de parapetarnos en el ámbito en el que nos encontramos más confortables, este blog pretende motivar al lector de mente abierta para que se mueva entre distintos ámbitos.  Ni la Ciencia defiende verdades tan absolutas e inamovibles como algunos creen, ni tampoco toda la fe religiosa es tan ciega como tal vez parece.

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

 

Una forma de expresar la tercera ley de la termodinámica es el siguiente enunciado:

Al llegar al cero absoluto de temperatura (cero grados Kelvin) cualquier proceso de un sistema físico se detiene

De acuerdo con esta ley, para que se inicie algún proceso físico, es necesario tener una temperatura superior a cero grados Kelvin, es decir, debemos tener energía térmica. La energía térmica implica movimiento y energía cinética. En una situación en que no existiera energía (por ejemplo, en la nada), no cabe esperar que se inicie ningún proceso físico cualquiera que sea éste. Consecuentemente, la materia-energía del Universo no podría haberse creado espontáneamente de la nada sin violar la tercera  y la primera ley de la Termodinámica. Ya que evidentemente nos consta que existe la materia-energía, entonces la existencia de la materia-energía en nuestro mundo sugiere  la existencia de un Ser Superior (no físico) Creador de todo.

Otra forma de expresar la tercera ley de la Termodinámica es la siguiente: 

es imposible llegar al cero absoluto de temperatura mediante un número finito de pasos

Si el  tiempo de existencia del Universo (desde su inicio hasta este instante) no fuera infinito (como propone por ejemplo la teoría del big-bang), entonces para no violar la tercera ley de la Termodinámica tendríamos que concluir que nunca pudo existir el cero de temperatura, es decir, que nunca puedo existir el cero de energía térmica (incluso a tiempo igual a cero). Pero entonces, ¿de dónde provendría la energía térmica al comienzo del inicio del universo? Por tanto, este universo no ha podido ser el origen de sí mismo, salvo que se incumpliera la tercera ley de la Termodinámica (cosa que nunca se ha observado). Por otra parte, podríamos proponer que en la singularidad que supondría el inicio del tiempo (t=0) no se cumplirían las leyes físicas de este mundo; pero entonces tendríamos que hacer un acto de fe para creer en la veracidad de las hipotéticas leyes que gobernarían a t=0. Todo lo cual nos lleva de nuevo a inferir la probable existencia de Dios como Creador del Universo.

Otra expresión interesante de la tercera ley de la Termodinámica es:

 la entropía de una sustancia pura en el cero absoluto es nula

La entropía (S) es una medida del número de estados (W) posibles en un sistema. Dentro de los estados del sistema se incluyen los “microestados”, aunque la termodinámica clásica no hiciera suposiciones acerca de la estructura atómica de la materia, y para estudiar los microestados hay que utilizar la termodinámica estadística. Según la ecuación de Boltzmann, la relación entre entropía y el número de estados de un sistema es logarítmica: S=k ln W, donde k es una constante.  Por ejemplo, si en el cero absoluto de temperatura la entropía es cero (S=0), eso implica que para un cristal sólo existe un único estado posible y perfecto (W=1); al aumentar la temperatura son posibles más estados de un sistema.

De igual forma, la aplicación de esta ley al Universo entero, nos lleva a pensar que antes del comienzo de este mundo y antes de la existencia de la energía  la entropía sería cero y, por tanto, existiría un único estado posible, y ese único estado nos conduce a la idea monoteísta de Dios  como Ser único, perfecto y anterior a este mundo.

De la tercera ley de la termodinámica se deriva también la imposibilidad física de existir la nada absoluta.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía, y puede enunciarse así:

La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede cambiar su naturaleza

 El concepto de energía probablemente  es uno de los grandes logros del intelecto humano, aunque nadie sepa exactamente qué cosa es la energía, lo cual no es el tema de esta entrada.

 En principio podemos considerar que esta ley de la Naturaleza es consecuencia de la simetría del espacio-tiempo. Actualmente, gracias a la famosa ecuación de Einstein (E=mc²) sabemos que para que se cumpla esta ley debemos considerar que masa (m) es transformable en energía (E). La masa-energía es indestructible, y tampoco puede crearse sin violar esta ley.

Una consecuencia de esta ley es que la energía-materia que existe en nuestro mundo físico (o Universo) debe tener su origen en alguna realidad distinta del mundo físico que conocemos. Nuestro mundo físico, con toda su materia-energía y sus leyes físicas,  no puede ser el creador de la materia-energía que él mismo contiene porque, de ser así, esto violaría la primera ley de la Termodinámica (¡y no puede crearse energía de la nada!). Por tanto, esta ley nos sugiere la existencia de Dios como creador y origen de la energía-materia que hay en nuestro mundo físico.

Sin embargo, podríamos proponer que la materia-energía proviene de otra realidad física distinta de la que conocemos y que ésta estuviera gobernada por otras leyes físicas desconocidas; y de hecho esto es lo que pretenden conseguir algunas hipótesis como la de “la fluctuación cuántica del vacío”  donde hay que suponer que existen varios estados posibles del vacío. Sin embargo, ¿de dónde proviene el vacío? ¿Qué ocurre cuando ni tan siquiera hay vacío? Para seguir este tipo de planteamientos acerca de Ciencias Físicas en otros mundos, y no verificables mediante experimentos y observaciones en este mundo en el que vivimos, tendríamos que desviarnos de la ciencia y acercarnos más allá de los bordes donde comienzan los territorios propios de la filosofía y de la religión. No podemos apoyarnos en las leyes de la naturaleza en nuestro mundo para justificar la hipotética existencia de otro mundo cuyas leyes nos fueran indemostrables. Es decir, para “creer” en la veracidad de una hipotética realidad física creadora de nuestro universo que no fuera comprobable mediante experimentos en este mundo en el que existimos, tendríamos que hacer un acto de fe y entonces la ciencia dejaría  de ser lo que es.

Por otra parte, en el caso de aceptar que el origen de la materia-energía de este universo fuera alguna otra realidad física, y que ésta estuviera regida por leyes distintas de las de nuestro mundo, entonces habría que plantearse a continuación la cuestión de cuál sería el origen de esa otra hipotética realidad física. Con lo cual, el origen de lo que podríamos denominar “multiverso” seguiría sin ser resuelto por la ciencia.

Consecuentemente, de la primera ley de la termodinámica se deriva que es bastante conveniente y razonable pensar que el origen de la materia-energía de nuestro universo es una realidad no física y que, por tanto, nuestro mundo proviene de alguna realidad metafísica o divina (Dios); siendo Dios el Creador de todo lo que contiene el universo, incluidas las leyes naturales que lo gobiernan. Y, análogamente, Dios también sería el creador de otros hipotéticos universos, cualesquiera que fueran su naturaleza física y su relación con este mundo. Probablemente, este tipo de razonamiento se encuentre en el origen de todas las religiones o, al menos, de las religiones monoteístas.  No en vano, Max Müller decía que “religión es la facultad de sentir el infinito”.

 

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

La ley cero de la termodinámica se puede enunciar así:

 

Existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica, que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Dos objetos  que estén a diferente temperatura pueden intercambiar energía térmica de forma neta. Pero si la temperatura de dos objetos es igual, entonces no puede suceder transferencia de energía térmica de forma espontánea, y decimos que éstos están en equilibrio térmico.

 

El hecho incontestable de que en el universo existan cuerpos a distintas temperaturas, y que intercambian energía espontáneamente,  implica que el universo no ha llegado a una situación de equilibrio térmico. Por tanto, no podría ser que hubiera transcurrido un tiempo infinito desde el origen del universo hasta el presente. Si el universo existiera desde un tiempo infinito, habría tenido que llegar al equilibrio térmico. De hecho, el concepto de infinito tiene mal encaje en las ciencias naturales y parece más propio de otras disciplinas como la filosofía y la teología.

Si el universo tiene un principio, como parece que lo tiene, este hecho está perfectamente de acuerdo con el concepto de Creación que postula el monoteísmo.

 

 

MOVIMIENTO BROWNIANO

Hoy en día decimos que los sistemas coloidales tienen un “comportamiento browniano”. El término “browniano” toma su nombre del botánico escocés Robert Brown (1773-1858). Brown observó con un microscopio que las partículas de polen suspendidas en agua se movían, pero no pudo explicar la causa de su movimiento. Debemos tener en cuenta que en su época aún no estaba claro que la materia estaba constituida por moléculas y átomos.

Posteriormente, Albert Einstein y Marian Smoluchowski hicieron independientemente análisis matemáticos del movimiento browniano y, de hecho, sus estudios fueron una comprobación indirecta de la existencia de átomos y moléculas.

Una partícula como un grano de polen suspendida en agua está rodeada de moléculas de agua, y dichas moléculas de agua se mueven (energía cinética) y golpean a la partícula con una cierta fuerza. En principio, la probabilidad de que alguna molécula de agua choque y empuje al grano de polen es la misma en todas las direcciones del espacio, por lo que todas las fuerzas se anularía entre sí y el grano de polen debería permanecer inmóvil, en contra de lo que se observa experimentalmente. ¿Cuál es entonces la causa de dicho movimiento? Pues bien, el hecho es que en un cierto momento por "azar" puede haber más moléculas de agua colisionando y empujando al grano de polen en una cierta dirección, resultando en un movimiento neto en dicha dirección. Así, la partícula de polen puede realizar un “paseo aleatorio”. Como no podemos conocer la posición y energía de todas las moléculas de agua en función del tiempo, nadie puede determinar a priori en qué dirección ni cuándo se moverá una partícula para realizar un paseo aleatorio.

 

Cuando decimos por "azar” o “aleatorio”, queremos decir que no podemos prever lo que va a suceder, y cuando algo sucede por azar pertenece al dominio del indeterminismo. Vemos pues que el comportamiento de la Naturaleza también es indeterminista.

El movimiento browniano se puede considerar como un ejemplo de proceso estocástico. La aparición y desarrollo de algunas enfermedades como el cáncer también son procesos estocásticos, es decir, en ellos opera el indeterminismo.

¿Pero estos procesos son realmente aleatorios o sólo lo son aparentemente por nuestra incapacidad para estudiarlos?  Nuestra capacidad de describir los fenómenos naturales puede mejorarse, ¿pero existe un límite para la mejora?   Se podría argumentar que en el futuro hipotéticamente se podría construir algún tipo de instrumento capaz de controlar todas las moléculas y partículas; pero dicho control se haría inevitablemente cada vez más incierto cuando el tamaño de las partículas se hiciera más pequeño, como indica el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG

Las leyes de la Mecánica Newtoniana nos permiten predecir con exactitud, por ejemplo, la trayectoria de los cuerpos en el espacio atraídos por la fuerza de la gravedad. Y si la trayectoria que sigue uno de estos cuerpos está determinada por leyes concretas, ¿estarán igualmente predeterminados todos los acontecimientos físicos que suceden en el Universo? A principios del siglo XX parecía que la respuesta a esta cuestión podía ser afirmativa.

Siguiendo el planteamiento determinista de la Física Clásica, Niels Bohr propuso un modelo atómico, donde el electrón giraba en órbitas alrededor del núcleo, de forma análoga a como lo hacen los planetas alrededor del Sol. Con el fin de poder adecuar su modelo al hecho experimental de que la energía de de los electrones está cuantizada, Bohr combinó de una forma un tanto artificial la Física Clásica con Física Cuántica de Planck y consideró que sólo algunas de las órbitas electrónicas estaban permitidas. Hoy sabemos que el modelo de Bohr es erróneo y los postulados de los que parte son falsos. Los electrones y las partículas subatómicas no se pueden considerar como cuerpos con forma y volumen definidos en el sentido en que lo hace la Física Clásica y, por tanto, tampoco podemos definir su movimiento como una órbita precisa.

El joven físico Heinseberg descubrió un sorprendente principio de la Mecánica Cuántica, que en su honor lleva su nombre, y que expresa una limitación que la Naturaleza impone a la precisión de nuestras medidas:

Es imposible conocer simultáneamente y con exactitud la posición y el momento de las partículas fundamentales que constituyen la materia. La precisión óptima del conocimiento de la posición y el momento está determinada por la desigualdad:

∆x ∆p ≥ h/4p

La información acerca de la localización de una partícula en el espacio se obtiene a expensas del conocimiento del momento. Cuanto menor es la incertidumbre en la posición (∆x), mayor se hace la incertidumbre en el momento (∆p). Para partículas subatómicas (por ejemplo, electrones) el concepto de trayectoria no tiene significado, pues ésta no se puede definir con precisión. Por tanto, este principio derribó por completo el modelo atómico propuesto por Bohr.

Además de la relación de incertidumbre entre posición (∆x) y momento (∆p), igualmente, si las incertidumbres en las medidas del tiempo y energía son ∆t y ∆E, respectivamente, entonces:

∆t ∆E ≥ h/4p

Es imposible conocer simultáneamente y con exactitud la energía de una partícula y el tiempo en el que tiene tal energía. En realidad, las dos relaciones de incertidumbre pueden verse como un requisito en la Teoría de la Relatividad. Sin embargo, Albert Einstein nunca llegó a aceptar plenamente la incertidumbre a la que llega la Mecánica Cuántica ni el planteamiento probabilístico de la Mecánica Ondulatoria.

La mecánica cuántica y la ecuación de ondas Shrödinger inicialmente se plantearon en términos de cálculos matriciales. Parece que Heisenberg comenzó a pensar en el principio de incertidumbre al observar que en el cálculo matricial no existe la propiedad conmutativa. Esta falta de simetría, obliga a expresar matemáticamente el principio en términos de una inecuación o desigualdad, apartándonos de los modelos geométricos de la Física Clásica y de la filosofía griega.   

El Principio de Incertidumbre supone un auténtico cambio de paradigma. Tanto es así, que resulta muy difícil aceptarlo y dejar atrás la certidumbre y “comodidad” que la Física Clásica nos proporcionaba. Los modelos atómicos que se enseñan habitualmente siguen estando contaminados por términos y representaciones gráficas más propias de la Física Clásica. Así, por ejemplo, se usa el término “spin” (giro), cuando el electrón no es en absoluto una esfera que gira. Si el electrón no es una esfera que gira siguiendo una órbita alrededor del átomo, ni alrededor de sí mismo, el uso de los términos “momento angular orbital” y “momento angular de espín” por analogía con la Física Clásica es poco adecuado.  Este principio ha sido objeto de diversos intentos, infructuosos hasta ahora, de derribarlo.  Actualmente se piensa que es una de las leyes fundamentales que gobiernan la materia.

Por tanto, la misma Ciencia que nos revela algunas leyes que rigen con precisión la Naturaleza, también nos indica que inevitablemente existe incertidumbre cuando se trata de predecir el comportamiento de la materia-energía a nivel subatómico. El impacto de este principio en nuestro intento de comprender el mundo es tremendo. Las partículas mismas que constituyen la materia de la que está hecho nuestro mundo son de naturaleza imprecisa y esquiva, limitando así nuestra capacidad de conocerlo. 

Las implicaciones filosóficas de este principio son enormes y, por ejemplo, pueden contribuir a  justificar el libre albedrío y la libertad para creer o no en Dios. Dios, al crear el mundo, hizo leyes físicas que aparentemente no podemos violar y, sin embargo, también dejó un margen para nuestra libertad.