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LOS MODELOS EN LA CIENCIA

¿Qué es un modelo científico? ♠ Hay varias maneras de definir un modelo científico. ♠ Esencialmente, un modelo es una idea comprobable, creada por la mente humana, que nos expone un aspecto de lo que ocurre en la naturaleza. ♠ Pero el modelo nos da asimismo una descripción capaz de predecir qué ocurrirá en muchas situaciones semejantes.

Explicación y predicción Un modelo debe ayudar a explicar el comportamiento de una parte del universo reduciéndolo a los hechos fundamentales, los más básicos. Y, al mismo tiempo, debe servir para hacer predicciones del comportamiento de determinado sistema del universo y ponerlas a prueba en circunstancias diversas.

El valor de los modelos Los modelos se elaboran cuando la creatividad y perspicacia de un científico se combinan con datos y observaciones de muchas condiciones parecidas. Los científicos tratan de identificar y generalizar pautas en dichas observaciones. El valor de un modelo es que podemos confiar en sus predicciones acerca de situaciones semejantes aun si no conocemos cada una de ellas.

Variedad de modelos En todas las ramas de la ciencia, incluida por supuesto la física, empleamos modelos para representar nuestras ideas de cómo funciona una parte determinada del universo. La representación puede ser conceptual (por ejemplo, una ecuación) o puede ser material (por ejemplo, una maqueta o un mapa).

Modelos conceptuales y materiales

Dos modelos de la Tierra Veamos un ejemplo sencillo. A fines del siglo XV el común de la gente creía que la Tierra era plana; las personas instruidas sabían que la Tierra es una esfera. La diferencia entre el modelo plano y el modelo esférico de la Tierra conducía a predicciones diferentes.

Colón Cristóbal Colón sabía que no se iba a caer por la orilla de la Tierra, porque entendía que ésta es esférica. Además, conociendo el radio de dicha esfera, se puede calcular su circunferencia y planear una expedición con vituallas suficientes para llegar a un derrotero lejano.

Aplicación de modelos Un buen modelo debe poder explicar fenómenos aparentemente diferentes de los que usamos para elaborarlo en un principio. Por ejemplo, aun cuando el modelo esférico de la Tierra se ideó para explicar hechos de la navegación, la gente instruida aplicó la idea para entender los eclipses lunares.

Los modelos cambian Nunca ha habido un modelo científico absolutamente completo. Cuando las observaciones creíbles de una nueva situación entran en conflicto con las predicciones de un modelo, algo tiene que cambiar, porque o la información o el modelo es incorrecto.

Modelo correcto pero… Así, cuando Colón usó el modelo esférico de la Tierra para predecir lo largo de su viaje al subcontinente indio, creyó que el radio de la Tierra es mucho más pequeño de lo que ahora sabemos que es. De manera que Colón subestimó la circunferencia de la Tierra y lo largo del viaje a la India.

¡Fiuu! Por fortuna para Colón, se topó con América antes de que se le acabaran las vituallas.

Corrección de datos Más adelante, el modelo esférico de la Tierra se refinó para incluir un mejor cálculo de su radio y, con ello, hacer mejores predicciones de las distancias entre los puntos de su superficie. El modelo era correcto, pero sus parámetros se tuvieron que refinar.

Limitaciones Todos los modelos tienen limitaciones. No hay modelo que capaz de explicar cada detalle de un fenómeno. Por ejemplo, si queremos predecir la distancia que debemos recorrer para ir de un lado de Nepal al otro, podemos usar para ello el modelo esférico de la Tierra, pero nuestro cálculo resultará bastante inexacto. ¿Por qué?

Esférica, pero arrugada Porque, aunque la Tierra es una esfera, hay muchos rasgos topográficos en su superficie, incluidos los Montes Himalayas, que abarcan Nepal. El modelo tendría que incluir la orografía.

Modelos de la materia Desde la Antigüedad se han propuesto varios modelos para explicar cómo está constituida la materia. Los primeros modelos, propuestos por los filósofos griegos clásicos, estaban basados solamente en razonamientos. Merced al desarrollo de la ciencia, se han buscado nuevos modelos que describan los resultados experimentales.

Unidades indivisibles Uno de los primeros pensadores que consideró la cuestión de cómo estaría constituida la materia fue el filósofo griego Pitágoras, nacido en 522 a. de C.

Unidades indivisibles Para él, la naturaleza del universo está determinada por los números. Así que la materia debe estar formada de unidades indivisibles.

El átomo Otro griego, Demócrito, piensa que la materia debe estar formada de unidades eternas e indivisibles. De ahí la palabra átomo, es decir, que no puede dividirse. Las diferentes propiedades de las sustancias dependerían del tamaño, la posición y los movimientos de dichos átomos.

Aristóteles Las ideas de Demócrito, sin embargo, perdieron interés entre los griegos. El filósofo Aristóteles retomó entonces otras ideas más antiguas sobre la conformación de la materia y propuso el modelo de los cuatro elementos, según el cual, todo cuanto hay en el mundo estaría formado de agua, aire, fuego y tierra, en diferentes proporciones.

La alquimia Con base en las ideas aristotélicas y bajo la influencia de otras ideas de culturas antiguas, como la egipcia, durante la Edad Media europea se desenvuelve la práctica de la alquimia. Los alquimistas creían poder manipular el poder creador de Dios para llegar a curar todas las enfermedades y fabricar metales preciosos.

¿Magia o ciencia? Los alquimistas escribieron libros llenos de símbolos, con textos que parecen describir experimentos químicos, pero no es así. La mayor parte es magia. Varios contienen recetas absurdas para transmutar el cobre y el plomo en oro. Algunos buscaban la “piedra filosofal”, que obraría este milagro.

LIBRO DE ALQUIMIA

Al Jabir En el siglo VIII hubo un alquimista, Al Jabir, que declaró que buscar la transmutación de los metales era una pérdida de tiempo. Propuso hacer un análisis detallado de la composición de la materia. Fue sobre todo gracias a su influencia que varios alquimistas hicieron hallazgos valiosos y sentaron las bases de la química.

Nuevos modelos En el siglo XVII renace la idea atomista de Demócrito. Tanto Galileo como Newton, al estudiar el comportamiento de los gases, llegaron a la misma conclusión: la materia está formada de pequeñas partículas. Sólo así se podía explicar la compresión de los gases, que no sería posible si la materia fuera continua.

¿Quietas o en movimiento? Pero Newton se equivocó en una cosa. Según él, la presión que ejercen los gases se debe a que las partículas que los forman están quietas y se rechazan con una fuerza casi igual a la distancia que las separa. Las pruebas experimentales, no obstante, demostraron que ocurre lo opuesto: las partículas de los gases se mueven.

Movimiento incesante El matemático suizo Daniel Bernoulli fue el primero en proponer la idea de que los gases están formados de partículas en movimiento incesante y al azar. Explicó que las moléculas del gas están muy alejadas entre sí por lo que no ejercen fuerzas entre ellas, salvo cuando chocan. Cuando esto ocurre, además, no hay pérdida de energía cinética. Son colisiones elásticas.

Difícil progreso El trabajo de Bernoulli, base de la teoría cinética de las partículas moderna, fue ignorado durante más de cien años. Todavía en 1845, cuando John Waterston presentó un artículo ante la Real Sociedad de Inglaterra en el que exponía correctamente muchos de los conceptos de la teoría cinética, el artículo fue rechazado por “absurdo”.

Daniel Bernoulli

¿A qué velocidad? Una de las preguntas que faltaba responder era ésta: si las partículas se mueven, ¿a qué velocidad lo hacen? James Clark Maxwell y Ludwig Boltzmann, grandes defensores de la teoría cinética de las partículas, demostraron a fines del siglo XIX que, aunque cada partícula se mueva a velocidad diferente, el promedio de todas es igual.

El modelo cinético de partículas A partir de la teoría cinética de los gases se ha elaborado un modelo aplicable a otros estados de agregación de la materia. Este modelo considera cómo cambia el comportamiento de las moléculas, por ejemplo, cuando un gas se condensa y se hace líquido, o cómo se comportan en un sólido.

Modelos cambiantes Las teorías cinéticas evolucionan desde la teoría cinética del gas ideal, pasando por modificaciones, hasta llegar a a la teoría cinética moderna. Los estados de agregación de la materia y sus propiedades son consecuencia del movimiento de los átomos y las fuerzas de atracción entre ellos.