Evolución de la Física: De Aristóteles a Einstein. Concepciones del Cosmos, el Movimiento y la Relatividad
1. Tres grandes concepciones de la física
La historia de la física puede organizarse en tres grandes etapas:
- Antigua, aristotélica, geocéntrica y finalista (concepción aristotélico-ptolemaica).
- Moderna, mecanicista y determinista (Galileo, Descartes, Kepler).
- Actual, cuántica y relativista (Max Planck, Einstein).
2. La física de Aristóteles
2.1. Concepto de naturaleza y de movimiento
En el siglo IV a. C., Aristóteles definió lo natural como aquello que tiene en sí un principio de movimiento. El movimiento es el paso de ser en potencia a ser en acto. Algo es en potencia cuando tiene capacidad para ser, pero todavía no es. Algo es en acto cuando es actualmente.
Los cambios pueden ser sustanciales o accidentales. Existen cuatro causas del cambio:
- Material
- Formal
- Eficiente
- Final
Para Aristóteles, la más importante era la causa final. En la ciencia moderna, en cambio, la causa eficiente es la más relevante.
2.2. Estructura del cosmos
Aristóteles consideraba que la Tierra está en el centro del cosmos. Alrededor de ella giran la Luna, el Sol, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter, Saturno y, finalmente, las estrellas fijas. Para explicarlo, distinguía dos zonas:
- Zona sublunar o mundo terrestre: compuesta por cuatro elementos que tienden de forma natural a ir a su lugar natural: aire y fuego hacia arriba; agua y tierra hacia abajo. Esta tendencia explica el peso de los cuerpos.
- Zona supralunar o mundo celeste: formada por los astros y esferas celestes, que poseen un movimiento circular, considerado el más perfecto.
Fuera del mundo físico se encuentra el primer motor inmóvil o Dios, sustancia eterna e inmóvil, causa final del movimiento de todo lo demás.
2.3. Influencia de la física aristotélico-ptolemaica
La física de Aristóteles, recogida y sistematizada por Ptolomeo, tuvo una enorme influencia en el mundo antiguo y medieval, tanto islámico como cristiano. Se caracteriza por:
- Cosmovisión sustancialista.
- Cosmos teológico, finalista, que limita a Dios.
- Predominio de lo cualitativo.
- No existencia del vacío. El mundo sublunar está compuesto de aire, fuego, agua y tierra, y el supralunar, de éter.
- Movimiento perfecto: el circular.
- La Tierra ocupa el centro del cosmos.
- Universo finito y cerrado.
2.4. Una física de sentido común
La física aristotélica es una física de sentido común: describe el mundo tal como se presenta (el Sol, la Luna, los cuerpos que caen), e intenta una explicación racional de dicha realidad.
Posteriormente, Ptolomeo y Copérnico propusieron una configuración del cosmos en la que el Sol ocuparía el centro (heliocentrismo), en torno al cual giraría la Tierra con movimientos de traslación, rotación y libración.
3. La revolución moderna
3.1. El fin de la física aristotélica
Lo que acaba con la física aristotélica es el paso del entendimiento antiguo, centrado en el universo cualitativo, al entendimiento moderno, que genera hipótesis matemáticas buscando lo objetivo y cuantitativo.
Se eliminó la teoría aristotélica de los "lugares naturales", y con ello surge la necesidad de un sistema de referencia. Se concluye que todas las mediciones se realizan en relación a un sistema de coordenadas determinado.
3.2. Sistemas inerciales
Un sistema inercial es un sistema de coordenadas que se mueve uniformemente con respecto a otro dado. Para cada sistema de coordenadas existen infinitos sistemas inerciales.
3.3. Aportaciones de Galileo
Galileo dedujo que:
- Las mediciones de algunos fenómenos realizadas desde un sistema de coordenadas no coinciden con las realizadas desde otro sistema.
- Es posible trasladar la velocidad de un móvil y su posición desde unas coordenadas a otras, mediante una serie de leyes: las leyes de transformación de Galileo.
- Toda ley de la mecánica será válida para cualquier sistema inercial. Este es el principio de relatividad.
- Existen elementos comunes a cualquier sistema inercial, como el tiempo o la longitud de los cuerpos.
Este principio de relatividad no es incompatible con la existencia de un espacio absoluto. La mecánica clásica sostiene que los movimientos de los cuerpos son relativos con respecto a otros cuerpos, pero absolutos con respecto a ese espacio absoluto.