La Naturaleza del Conocimiento Científico: _{¿Qué es y por qué deberíamos confiar en él?}

¿Qué es la ciencia?

La ciencia consiste en dos cosas, un cuerpo de conocimiento y el proceso por el cual ese conocimiento es producido. Este segundo componente de la ciencia nos provee con una manera de pensar y saber acerca del mundo. Comúnmente, solamente miramos el componente de la ciencia "cuerpo del conocimiento." Se nos presenta conceptos científicos en forma de declaración - La tierra es redonda, los electrones son cargados negativamente, nuestro código genético es contenido en nuestro ADN, el universo tiene una edad de 13.78 billones de años - con poca información acerca del proceso que llevó a ese conocimiento y porque podemos confiar en el. Pero existen un numero de cosas que distinguen el proceso científico y que nos dan confianza en el conocimiento producido por ello.

Entonces, ¿Cuál es el proceso científico? El proceso científico es una manera de construir conocimiento y realizar predicciones acerca del mundo de manera de que puedan ser comprobados. La pregunta de si la tierra es plana o esférica puede ser comprobada, puede ser estudiado por medio de múltiples líneas de investigación y la evidencia evaluada para determinar si apoya a un planeta plano o esférico. Diferentes disciplinas científicas típicamente utilizan métodos y enfoques para investigar el mundo natural, sin embargo la experimentación se encuentra en el núcleo de las preguntas científicas para todos los científicos.

Mientras los científicos analizan e interpretan sus datos (vea nuestro módulo Datos: Análisis e interpretación), generan hipótesis, teorías o leyes (vea nuestro módulo Las ideas en la ciencia: teoría, hipótesis y leyes, las cuales ayudan a explicar sus resultados y colocarlos en contexto con un mayor cuerpo de conocimiento científico. Estos diferentes tipos de explicaciones son probadas por científicos por medio de experimentos adicionales, observaciones, modelación y estudios teoréticos. Por ende, el cuerpo de conocimiento científico se basa en ideas previas y está en constante crecimiento. Es compartido con colegas por medio del proceso de revisión de pares (vea nuestro módulo Comunicación Científica: Revisión de Pares), en donde científicos comentan en el trabajo de otros científicos, y luego por medio de publicación en literatura científica (vea nuestro módulo La comunicación científica: El uso de la literatura científica), en donde es evaluado e integrado a un cuerpo de conocimiento científico por una comunidad más grande. Y esto no termina aquí: uno de los sellos del conocimiento científico es que es sujeto a cambios, ya que nuevos datos son recolectados y reinterpretaciones de datos existentes son realizados. Teorías importantes, las cuales son apoyadas por múltiples líneas de evidencia, pocas veces son cambiadas completamente, pero nuevos datos y explicaciones comprobadas agregan matiz y detalle.

Una manera científica de pensar es algo que cualquiera puede utilizar en cualquier tiempo, ya sea que estén en el proceso de desarrollar nuevos conocimiento y explicaciones. Pensando específicamente involucra realizar preguntas que puedan ser respondidas analíticamente recolectando datos o creando un modelo y luego probar ideas. Una manera científica de pensar inherentemente incluye creatividad en enfocar explicaciones mientras se quedan en el entorno del datos. Empezando científicamente no significa rechazar su cultura, si no que significa reconocer el rol que realizan en su manera de pensar. Mientras que explicaciones comprobables son un componente critico de pensar científicamente, existen otras maneras validas de pensar acerca del mundo a nuestro alrededor que no siempre resultan explicaciones comprobables. Estas diferentes maneras de pensar son complementarias - no en competencia - ya que tratan diferentes aspectos de la experiencia humana.

Es fácil tener confianza en un proceso científico y nuestro conocimiento cuando podemos proveer evidencia irrefutable, tal y como fue posible realizar al orbitar al la tierra en una nave espacial y tomar fotos de un planeta obviamente redondo. Pero la mayoría de las investigaciones científicas no llevan a resultados que son fácilmente apoyados y sin embargo siempre confiamos conocimiento producido por medio del proceso de la ciencia. ¿Por qué confiamos en el? Porque funciona. La ciencia tiene una larga historia de crear conocimiento que es útil y que puede darnos mas información acerca de nuestros alrededores. Tome una de las declaraciones mencionadas: el universo tiene una edad de 13.78 billones de años. ¿Por qué deberíamos de confiar en esta declaración?

La edad del universo

¿Qué edad tiene el universo? ¿Como podemos posiblemente saber la edad de algo que fue creado no solo antes de la edad humana, pero antes de que nuestro planeta llegara a existir? Esta es una pregunta difícil de tratar científicamente, tanto que a principios del siglo XX muchos científicos asumieron de que el universo era infinito y eterno, existiendo durante todos los tiempos.

Máquinas y entropía

La primera indicación de que el universo no pudo haber existido durante todo el tiempo vino de una fuente poco probable: el estudio de motores. En la década de 1820, Sadi Carnot era un oficial joven en receso del ejercito francés. Mientras tomaba clases en varias instituciones en París, se comenzó a interesar en problemas industriales y fue sorprendido de ver que ningún estudio científico había sido llevado a cabo de un motor de vapor, un invento relativamente nuevo para ese entonces y uno que se entendía muy poco. Carnot pensaba de que los motores se podían entender mejor, una característica común en los científicos es que trabajan para entender mejor las cosas y entonces el estudió la transferencia de energía en motores. Reconoció de que ningún motor podía ser 100% eficiente porque la misma energía siempre estaba perdida desde el sistema como calor (Figura 3) y publicó sus ideas en un libro titulado Reflexiones de Poder Motríz del Fuego y Máquinas que desarrollan ese Poder, el cual presentó una descripción matemática en la cantidad de trabajo que podía ser generada por un motor llamado el Ciclo Carnot (Carnot, 1824).

El trabajo de Carnot no recibió mucha atención durante su vida, murió de cólera en 1832, cuando solamente tenía 36 años. Pero otros comenzaron a realizar la importancia de su trabajo y empezaron a desarrollarlo más. Uno de esos científicos fue Rudolf Clausius, un físico alemán que mostró que el principio de Carnot no se limitaba a motores, pero de hecho aplicaba a todos los sistemas en el cual había una transferencia de energía. La aplicación de Clausius de una explicación para un fenómeno para muchos es también una característica de la ciencia, la cual asume de que los procesos son universales.

En 1850, Clausius publico un ensayo en el cual desarrolló la segunda ley de la termodinámica, el cual declara de que la energía siempre fluye de un estado de alta energía (por ejemplo, un sistema que es muy caliente) a un estado de energía baja (uno que es frío) (Clausius, 1850). En trabajos subsiguientes, Clausius formuló el termino "entropía" para describir la energía perdida de un sistema cuando está transferido y como un reconocimiento del trabajo pionero de Sadi Carnot en proveer la fundación de sus descubrimientos, Clausius utilizó el símbolo S para referirse a la entropía de un sistema.

¿Pero como se relacionan los motores y la entropía a la edad del universo? En 1865, Clausius publicó otro ensayo que declara de nuevo la segunda ley de la termodinámica como "la entropía del universo tiende a un máximo." Si el universo fuese infinito y existiera para siempre, la segunda ley de la termodinámica dice de que toda la energía dentro del universo hubiese sido cedida a la entropía a estas alturas. En otras palabras, las estrellas se hubiesen apagado hace mucho tiempo, disipando su calor al espacio alrededor. El hecho de que aún existen estrellas activas significa de que el universo ha existido por una cantidad de tiempo finita y fue creado en un punto específico del tiempo. ¿Quizás la edad a ese punto de tiempo puede ser determinado?

El corrimiento al rojo y el efecto Doppler

Alrededor del mismo tiempo, un físico Austriaco con el nombre de Christian Doppler, estaba estudiando la astronomía y la matemáticas. Doppler sabía de que la luz se convertía como una onda, y entonces comenzó a pensar acerca de cómo el movimiento de las estrellas podría afectar la luz emitida por esas estrellas. En un ensayo publicado en 1842, Doppler propuso de que la frecuencia observada en una onda podría depender en la velocidad relativa de la fuente de la onda en relación al observador, un fenómeno que él llamaba "cambio de frecuencia" (Doppler, 1842). Hizo la analogía de un bote navegando en el mar, describiendo como un bote se encuentra con olas en la superficie del agua mucho más frecuente (y por ende en una alta frecuencia) si estuviese navegando en contra de las olas que si estuviese navegando con las olas.

También puede estar familiarizado con el cambio de frecuencia, el cual llamamos hoy el efecto Doppler en su honor, si alguna vez ha escuchado el sonido del tráfico mientras estaba esperando al lado de la carretera. El cambio familiar de tono de alto hacia abajo es un ejemplo del efecto - la frecuencia actual de las ondas emitidas no cambia, pero la velocidad de un vehículo que pasa afecta que tan rápido llegan esas ondas a usted. Doppler propuso que miraríamos el mismo efecto en cualquier estrellas que estaban en movimiento, su color cambiara hacia el lado rojo del espectro si se estuviesen alejando de la tierra (llamado corrimiento al rojo) y hacia el lado azul del espectro se estuviesen acercando a la tierra (corrimiento al azul) (ver Figura 4). Doppler esperaba poder ver el cambio en este corrimiento en estrellas binarias o pares de estrellas que se orbitan una a la otra. Eventualmente, la publicación de Doppler de 1842 llamada "Acerca de la luz de color de las estrellas dobles y ciertas otras estrellas en los cielos", cambiaria la manera de cómo miramos al universo. Sin embargo, en ese entonces, los telescopios no eran lo suficientemente sensible para confirmar el corrimiento que el propuso.

Las ideas de Doppler se convirtieron en parte de la literatura científica y por esos medios, se hicieron sabidos de parte de otros científicos. A principios del siglo XX, la tecnología finalmente alcanzo a Doppler y telescopios mas poderosos podían ser usados para probar sus ideas. En septiembre del año 1901, un americano llamado Vesto Slipher había recientemente terminado su pregrado en mecánica y astronomía en la Universidad de Indiana. Obtuvo un empleo como un asistente temporal en el Observatorio Lowell en Flagstaff, Arizona mientras continuaba su trabajo de posgrado en Indiana. Poco después de su llegada, el observatorio obtuvo un espectrógrafo de tres prismas, y el trabajo de Slipher era montarlo al telescopio que medía 24 pulgadas en el observatorio y aprendió a utilizarlo para estudiar la rotación de planetas en el sistema solar. Después de unos meses de problemas y solucionar esos problemas, Slipher pudo tomar espectrogramas de Marte, Júpiter y Saturno. Pero los intereses de investigación personal de Silpher estaban mas allá que los planetas del sistema solar. Como Doppler, él estaba interesado en estudiar los espectros de estrellas binarias, y después comenzó a hacerlo en su tiempo libre en el observatorio.

Durante la siguiente década, Slipher completó un maestría y un doctorado en la Universidad de Indiana, mientras continuaba su trabajo en el Observatorio Lowell midiendo espectros y el cambio de Doppler en las estrellas. Particularmente, Slipher se enfocó en estrellas dentro nebulosas espirales (Figura 5), esperando encontrar que el cambio visto en los espectros de las estrellas indicaría de que las galaxias a las que pertenecían esas estrellas estaban en rotación. Se le acredita con determinar de que las galaxias rotan, y pudo determinar la velocidad a la cual rotan. Sin embargo en 1914, habiendo estudiando 15 diferentes nebulosas, anunció un descubrimiento curioso en una reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Agosto:

En la gran mayoría de los casos, las nebulosas se están disminuyendo, las velocidades mas grandes todas son positivas... La preponderancia de la señal positiva indica un movimiento general alejándose de nosotros o la Vía Láctea.

Slipher encontró que la mayoría de las galaxias mostraron corrimiento al rojo en su espectro, indicando de que todas se estaban alejando de nosotros en el espacio o disminuyéndose (Slipher, 1915). Al medir la magnitud del corrimiento al rojo, el pudo determinar la velocidad de recesión o la velocidad en la cual los objetos estaban alejando. Slipher realizó una interpretación de sus observaciones que pusieron una nueva perspectiva en el universo, y en respuesta, recibió una ovación de pie por su presentación.

Slipher continuó su trabajo con el corrimiento al rojo y galaxias y publicó otro artículo en 1917, habiendo examinado 25 nebulosas y viendo un corrimiento al rojo en 21 de ellas. George Lemaître, un físico Belgo y astrónomo, se basó del trabajo de Slipher mientras completaba su doctorado en el Massachusetts Institute of Technology (Instituto de Tecnología de Massachusetts). Extendió las medidas de Slipher al universo entero y calculó matemáticamente de que el universo debe estar expandiendo para poder explicar la observación de Slipher. El publicó sus ideas en un artículo en 1927 llamado "Un Universo homogéneo de constante masa y un radio creciente que explica la velocidad radial de las nebulosas extragalácticas" (Lemaître, 1927), pero su artículo fue criticado por la comunidad científica. El astrónomo inglés Fred Hoyle ridiculizó el trabajo y formuló el término teoría de "Big Bang" como un apodo para la idea de Lemaître. Y hasta Albert Einstein criticó a Lemaître escribiéndole "Tu matemática es correcta, pero tu física es abominable" (Deprit, 1984).

Las críticas de Einstein tuvieron un componente personal y cultural, dos cosas fueron comúnmente ignoradas en términos de su influencia en la ciencia. Varios años anteriormente, Einstein había publicado su teoría general de la relatividad (Einstein, 1916). En la formulación de la teoría, Einstein había encontrado otro problema significante, la relatividad predijo de que el universo se estaba reduciendo o expandiendo-no permitía un universo estático. Pero un universo aumentando o disminuyendo en tamaño no podría ser eterno, mientras que un universo estático y no en movimiento podría, y la creencia prevaleciente cultural en ese entonces era que el universo era eterno. Einstein fue influenciado por su ambiente cultural, y como resultado invento el "fudge factor," el cual era una constante cosmológica que permitía a la teoría general de la relatividad para ser mas consistente con un universo estático. Pero la ciencia no era democracia o plutocracia; no es ni la conclusión mas común ni la mas popular la que es aceptada, pero sin embargo es la conclusión de que aguanta las pruebas de evidencia con el tiempo. La constante cosmológica de Einstein estaba siendo desafiada por nueva evidencia.

El universo creciente

En 1929, un astrónomo American trabajando en el Observatorio en Mt. Wilson en el sur de California realizó una importante contribución a la discusión de la naturaleza del universo. Edwin Hubble había ido a Mt. Wilson durante 10 años midiendo las distancias hacia las galaxias, entre otras cosas. En la década de 1920, había trabajado con Milton Humason, alguien quien no había terminado la secundaria y era asistente en el observatorio, Hubble y Humaso definieron las distancias que habían calculado para 46 galaxias diferentes contra la velocidad de recesión de Slipher y encontraron una relación lineal (ver Figura 6) (Hubble, 1929).

En otras palabras, su gráfica muestra de que mientras mas distante las galaxias se retrocede mas rápidamente que las mas cercanas, confirmando la idea de que el universo estaba expandiéndose. Esta relación, referida ahora como la ley de Hubble, les permitió calcular la tasa de expansión como una función de la distancia de la pendiente de la línea de la gráfica. La taza es ahora referida como la constante Hubble. El valor inicial de Hubble para la tasa de expansion era 500 km/seg/megapársec, o 160 km/sec por un millon de años luz.

Sabiendo el ritmo en el cual el universo se está expandiendo, uno puede calcular la edad del universo por medio de trazar atrás, en esencia los objetos mas distantes en el universo hasta su punto de origen. Utilizando su valor inicial para el ritmo de expansión y la distancia medida de las galaxias, Hubble y Humason calcularon la edad del universo como aproximadamente 2 mil millones de años. Desafortunadamente, los cálculos fueron inconsistentes con líneas de evidencia de otras investigaciones. Para el tiempo que Hubble hizo su descubrimiento, geólogos habían utilizado técnicas para datar la edad de la tierra en 3 mil millones de años (Rutherford, 1929) - o mas viejo que el universo! Hubble había seguido el proceso de la ciencia, entonces ¿cual era el problema?

Hasta las leyes y constantes están sujetas a revisión en la ciencia. Pronto se hizo claro de que había un problema en la manera de que Hubble había calculado su constante. En la década de 1940, un astrónomo alemán llamado Walter Baade se aprovecho de los apagones que fueron ordenados en respuesta a ataques potenciales durante la Segunda Guerra Mundial y utilizó el Observatorio de Mt. Wilson en Arizona para ver varios objetos que Hubble había interpretado en estrellas sencillas. Con cielos mas oscuros a su alrededor, Baade se dio cuenta de que estos objetos eran de hecho, grupos de estrellas, y que cada uno era mas débil, y por ende mas distante que lo que había calculado Hubble. Baade multiplicó por 2 la distancia de estos objetos, lo cual resultó en disminuir a la mitad la constante Hubble y multiplicar por 2 la edad del universo. En 1953, el astrónomo americano Allan Sandage, quien había estudiado bajo Baade, miró mas en detalle el brillo de las estrellas y como eso variaba con la distancia. Sandage revisó mas la constante y su estimación de 72 km/seg/megapársec, el cual pone a la edad del universo como de 12 a 14 mil millones de años.

Las nuevas estimaciones desarrollaron por Baade y Sandage no negaron lo que Hubble había hecho (de hecho, sigue llamándose la constante Hubble), pero lo revisaron basandose en nuevos conocimientos. El conocimiento persistente de la ciencia es rara vez el trabajo de un individuo, como el seguimiento de el trabajo de otros es un componente crítico en el proceso de la ciencia. Los encuentros de Hubble hubiesen estado limitados a unos datos interesantes en la distancia de varias estrellas si no se hubiese basado en incorporar el trabajo de Slipher. Similarmente, las contribuciones de Baade y Sandage no fueron menos significantes debido a que "simplemente" refinaron el trabajo anterior de Hubble.

Desde la década de 1950, otros medios de calcular la edad del universo han sido desarrollados. Por ejemplo, existen métodos para datar la edad de las estrellas y las estrellas más antiguas se datan a aproximadamente hace 13.78 mil millones de años (Aghanim et al. 2020). La convergencia de múltiples líneas de evidencia en una sola explicación es lo que crea la fundación sólida del conocimiento científico.

¿Porque debemos de confiar en la ciencia?

¿Porque debemos creer lo que dicen los científicos acerca de la edad del universo? No tenemos récords escritos de su creación y nadie ha podido "poner un pie afuera" del sistema, como hicieron los astronautas cuando tomaron fotos de la tierra desde el espacio para medir su edad. Sin embargo la naturaleza del proceso científico nos permite constar con exactitud la edad del universo observable. Estas predicciones fueron desarrolladas por múltiples investigadores y fueron probadas por medio de diferentes métodos de investigación. Han sido presentadas a la comunidad científica por medio de publicaciones y presentaciones públicas. Así mismo, han sido confirmadas y verificadas por muchos diferentes estudios. Nuevos estudios o nuevos métodos de investigación pueden ser desarrollados que posiblemente nos puedan causar a refinar nuestra estimación de la edad del universo como mas o menos - esto es como funciona el proceso de la ciencia y está sujeto a cambio con la disponibilidad de mas información y nuevas tecnologías. Pero no es tenue, nuestra estimación de edad puede ser refinada, pero es poco probable que sea revocada la idea de un universo en expansión. Mientras se encuentra evidencia para apoyar una idea, nuestra confianza en esa idea aumenta.

Al ver el trabajo de Hubble, hasta Albert Einstein cambio su opinión acerca de un universo estático y se refirió a su inserción de la constante cosmológica como el "mas grande disparate" de su carrera profesional. El descubrimiento de Hubble confirmó la teoría de relatividad general de Einstein, la cual predijo de que el universo puede estarse expandiendo o contrayendo. Einstein se reusó a aceptar esta idea debido a sus prejuicios culturales. Su trabajo no había predicho un universo estático, pero el asumió de que esto debía ser el caso dado lo que el había creído durante su vida. Cuando fue confrontado con datos, el reconoció de que sus creencias anteriores eran defectuosas y llegó a aceptar los encuentros de la ciencia detrás de la idea. Esto es un sello de la ciencia, mientras que las creencias de un individuo pueden ser prejuiciados por experiencias personales, la empresa científica trabaja para recolectar datos que permiten una conclusión mas objetiva para ser identificada. Ideas incorrectas pueden ser retenidas por una cantidad de tiempo, pero eventualmente la preponderancia de evidencia ayuda a llevarnos a corregir estas ideas. Una vez usada como un termino de menosprecio, la teoría de "Big Bang" es ahora la explicación líder del origen del universo como lo conocemos.

Existen otras preguntas que podemos hacer acerca del origen del universo, de las cuales no todas pueden ser contestadas por la ciencia. Los científicos responder cuando y como comenzó el universo, pero no puede calcular la razón por la cual comenzó, por ejemplo. Este tipo de pregunta debe ser explorada por medio de filosofía, religión y otras maneras de pensar. Las preguntas que hacen los científicos deben de ser comprobables. Los científicos han proveído respuestas a preguntas comprobables que han ayudado a calcular la edad del universo:, como que tan distante están ciertas estrellas y que tan rápido se están alejando de nosotros. Podamos o no obtener una respuesta, podemos tener confianza en el proceso por el cual las explicaciones fueron desarrolladas, permitiéndonos confiar en el conocimiento producido por medio del proceso de la ciencia. Algún día podríamos encontrar evidencia que nos ayude a entender porque fue creado el universo, pero por ahora la ciencia se limita a los últimos 13.78 mil millones de años de fenómenos a investigar.