Leyes, teorías y modelos (I): La definición de ley física

Isaac Newton

El concepto de ley natural, ley de la naturaleza o ley o principio físico es esquivo y escurridizo. Así, por ejemplo, hay quien se refiere a la teoría de la gravitación de Newton como la “ley de la gravitación universal”, cuando ni es ley, ni es universal. Por otra parte a las leyes de la termodinámica hay veces que se las llama principios y hay principios, como el de exclusión de Pauli o el de incertidumbre de Heisenberg, a los que no se les llama leyes, siéndolo. Si a esto unimos la polisemia de términos de uso habitual en ciencia como teoría o hipótesis, es comprensible que reine cierta confusión sobre su uso.

Por otra parte la caracterización de lo que es una ley física es un campo de intensa actividad en filosofía de la ciencia con importantes implicaciones epistemológicas y metafísicas. Los expertos en el tema sabrán excusar que hoy dejemos aparte la teoría de la causalidad de Hume, a pesar de su interés, e intentemos ser un poco pragmáticos, aunque cerremos con filosofías.

Tomemos, de entrada, la definición de ley “científica” [sic.] que el pasado 30 de enero aparecía en el blog Library of Alexandria y que provocó cierto intercambio de pareceres en Twitter: Una afirmación que se basa en una observación experimental repetida que describe algún aspecto de un fenómeno natural. […] las leyes suelen expresarse usando matemáticas. Esta definición (en adelante, DLoA) se daba con la intención de ayudar a los lectores/comunicadores a hablar con propiedad cuando se referían a la ciencia. En lo que sigue mostraremos brevemente que esta definición es manifiestamente insuficiente y daremos cinco criterios para distinguir una ley física de un mero accidente estadístico. Dejaremos para una anotación posterior la discusión sobre qué es una teoría científica.

La lluvia es un fenómeno natural. Su localización geográfica es un aspecto de este fenómeno. Pues bien, yo he comprobado experimentalmente en repetidas ocasiones que cada vez que voy a Bilbao, llueve. Según, la DLoA, el que “si César está en Bilbao entonces llueve en Bilbao” es una ley física. El lector pensará que esto es absurdo, que esto no es una ley de la naturaleza ni nada parecido. Y, sin embargo, cumple con la DLoA incluida la coda de ser expresable matemáticamente, ya que, dada su estructura lógica (si A entonces B), es trivial en teoría de conjuntos.

¿Qué falla entonces en esa definición? O, dicho de otra manera, ¿qué es una ley de la naturaleza? ¿qué diferencia la segunda ley del movimiento de Newton, por ejemplo, de la afirmación de que cuando yo estoy en Bilbao, llueve?

Para empezar, no vemos que exista una relación causa-efecto entre mi persona y la lluvia en Bilbao, una condicionalidad, de la misma manera que existe entre la fuerza ejercida sobre un cuerpo y el cambio en su velocidad. Si expresamos la segunda ley en términos lógicos, “si a un cuerpo de masa m le aplico una fuera F entonces sufre una aceleración a”, podemos ilustrar está conexión causal muy simplemente. Así, “si yo hubiese ido a Bilbao la semana pasada entonces habría llovido en Bilbao” no tiene el mismo valor de verdad que “si yo hubiese aplicado una fuerza F a un cuerpo de masa m entonces habría sufrido una aceleración a”.

Esto es así porque la afirmación de que cuando yo estoy en Bilbao llueve es un accidente que, posiblemente, está relacionado con el hecho de que las tres veces que he ido (supongamos que este sea el caso) ha sido en marzo, y la estadística pluviométrica y el cálculo de probabilidades han hecho el resto. Sin embargo, la segunda ley de Newton ha sido comprobada millones de veces, en el planeta y más allá de sus límites. No tiene que ver con estadísticas, probabilidades o temporalidades. Es, por tanto, universal, no se refiere a nada o nadie en concreto, y me permite además predecir el futuro movimiento de una masa m a la que voy a aplicar una fuerza F, cosa esta que se podría demostrar que no es posible hacer en lo que respecta al régimen de lluvias en la villa de Bilbao y mi presencia en ella.

Con este análisis tan simple ya estamos preparados para examinar las cinco condiciones necesarias (ya veremos después lo de su suficiencia) que debe cumplir una afirmación para ser considerada una ley física. Para ello seguimos, de forma laxa y en líneas muy generales, a Norman Swartz (The Concept of Physical Law, New York, Cambridge University Press, 1985):

  1. Es una afirmación corroborada por hechos (experimentos), no es una verdad lógica. Esta condición ancla la afirmación en la realidad y la distingue de matemáticas y filosofías.
  2. Es una afirmación para cualquier punto del espaciotiempo o, dicho de otra manera, para cualquier lugar, para el presente, el pasado y el futuro.
  3. Puede incluir conceptos generales (masa, tiempo, diabetes, resistencia, etc.) pero no contiene nombres propios, fechas, accidentes geográficos, etc.
  4. Es una afirmación universal o estadística. Aquí hay que tener en cuenta que hablamos en términos filosóficos. Por ejemplo, la afirmación “las estrellas existen” aunque sea cierta no es ni universal ni estadística.
  5. No tiene por qué ser expresable matemáticamente (aunque de hecho la mayoría, si no todas, lo son) sino como condicional lógico; no es una afirmación categórica (salvo que sea equivalente a un condicional), por tanto. La transformación que hemos hecho arriba de la expresión matemática de la segunda ley de Newton en un condicional lógico es un ejemplo. De este condicional se deriva como corolario su capacidad de predicción.

Como podemos apreciar la DLoA sólo cubre la primera condición, y no del todo. Pero, siendo necesarias, ¿son estas cinco condiciones suficientes?

La respuesta es….depende. En metafísica hay dos corrientes principales sobre las leyes de la naturaleza. Por una parte está la línea que llamaríamos de la “regularidad”, según la cual las leyes de la naturaleza son meras expresiones de las uniformidades o regularidades del universo, esto es, nada más que descripciones de cómo es éste. Por otro lado está la de la “necesidad”, en la que las leyes de la naturaleza son los principios que gobiernan los fenómenos naturales del universo, es decir, el mundo natural “obedece” las leyes de la naturaleza. Esta diferencia aparentemente nimia marca uno de las discusiones más profundas, fecundas, productivas (y divertidas) de la filosofía de la ciencia contemporánea. Para los “regularistas” las cinco condiciones son suficientes, para los “necesarianistas”, no.

En Twitter mencioné que la DLoA tenía dos errores graves: uno es su incompletitud; el segundo el plantear una definición de ley física como la única posible. En la próxima anotación también veremos que la idea de teoría científica está huérfana sin otro concepto fundamental no mencionado en LoA, el de modelo.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance


15 responses to “Leyes, teorías y modelos (I): La definición de ley física

  • Leyes, teorías y modelos (I): La definición de ley física

    […] Leyes, teorías y modelos (I): La definición de ley física […]

  • Iñaki

    Primero de todo, fantástico artículo, como nos tienes acostumbrados. Y ya entrando en vereda, tengo que decir que es justo lo que esperaba: has hilado fino, pero no has atacado a la base del asunto, que creo que es lo importante de ese artículo en inglés y además dije que me convenció.

    La discusión filosófica es interesantísima y más aún lo es llegar a definiciones precisas, delimitando condiciones necesarias y suficientes. Pero, en último término, todo esto (francamente, querido) me importa un bledo. Porque me da la impresión de que tú querías que el artículo de Library of Alexandria fuera algo que no es ni aspira a ser. No pretende ser exhaustivo, ni siquiera divulgativo. Creo que simplemente pretende popularizar la distinción entre esos términos de una forma lo más accesible posible, valga la redundancia.

    Por tanto, lo que pretende transmitir ya lo señalé en Twitter y es muy sencillo: teoría vs. ley; marco explicativo vs. descripción de algo “pequeñito”. Según tu artículo, parece que estás de acuerdo en esto, luego me quedo satisfecho.

    Sabes perfectamente que para transmitir un mensaje claro en divulgación científica, muchas veces hay que renunciar a todo lo farragoso que lo rodea (aunque muchas veces no nos salga, y yo el primero). Creo que ese artículo en inglés tiene ese propósito y lo cumple a la perfección. A partir de ahí, por supuesto que me interesa leer la parte rigurosa con formato divulgativo. Y para eso, este es el mejor foro.

    Gracias por el artículo. Esperamos el siguiente.

  • César

    @ Iñaki

    Admitamos que queremos escribir un artículo en el espíritu que describes. Aún así a la definición de LoA sigue faltándole dos aspectos fundamentales: universalidad y capacidad de predicción. Y esto se puede expresar en el lenguaje más llano y fácil de entender, y es lo que distingue “realmente” como ley física al principio de conservación de la energía de que el rápido de Madrid pare en Tudela todos los días a las 15:37.

    Existen muchas formas de expresar divulgativamente, con rigor y de forma completa lo que es una ley física, sin entrar en el hilado fino. La definición intuitiva de ley física (à la Hume, para los no antenistas) mejor que creo que lo incluye todo con la mayor economía de palabras es la de Frank Ramsey:

    Imaginemos que tenemos todo el conocimiento sobre el universo y que queremos sistematizarlo de la forma más simple posible: las leyes físicas serían aquellas proposiciones que usaríamos como axiomas.

    También es cierto que hay que saber qué es una sistematización y lo que es un axioma, pero algo tendrá que poner el lector de su parte, ¿no?

  • Iñaki

    Ciertamente, algo tendrá que poner el lector. En mi caso, a “a statement that is based on repeated experimental observation” yo añadí implícitamente esa universalidad y capacidad de predicción. No creo que nadie con dos dedos de frente piense que la conservación de la energía es comparable a que el tren pasa todos los días.

    No en vano, en Twitter dije que yo matizaría la definición (todas, de hecho). Acepto, por tanto, que falta rigor, pero no le quito el valor que tiene, que es el que he indicado en mi primer comentario.

  • Leyes, teorías y modelos (I): La definición de ley física | libros de divulgación científica | Scoop.it

    […] El concepto de ley natural, ley de la naturaleza o ley o principio físico es esquivo y escurridizo. Así, por ejemplo, hay quien se refiere a la teoría de la gravitación de Newton como la “ley de la…  […]

  • José Luis Ferreira

    Hasta el penúltimo párrafo todo lo veo estupendo y muy educativo. En el penúltimo párrafo dices:

    “Esta diferencia aparentemente nimia marca uno de las discusiones más profundas, fecundas, productivas (y divertidas) de la filosofía de la ciencia contemporánea. Para los “regularistas” las cinco condiciones son suficientes, para los “necesarianistas”, no.”

    No veo esa fecundidad. Desde el momento que la “necesidad” no es observable, apelar a ella es estéril.

    Pero tu último párrafo me da esperanzas de que coloques las cosas en su término al hablar de los modelos. Son la clave para poner en orden todos estos términos (necesidad incluida) y prescindir de la metafísica.

  • jesús zamora

    Lamento tener que llevar la contraria a mi querido José Luis Ferreira: la discusión puede ser productiva y fecunda, aunque una de las posiciones en el debate no consiga justificarse, si el debate mismo produce nuevos argumentos y nos lleva a darnos cuenta de cosas en las que antes no habíamos caído.

  • Leyes, teorías y modelos (II): Prescripción y descripción en ciencia « Cuaderno de Cultura Científica

    […] del mundo de la experiencia, lo que incluye a las leyes físicas de las que hablábamos en nuestra anotación anterior. La referencia al mundo de la experiencia es necesaria para distinguir una teoría científica de, […]

  • Fisilosofo

    Una pregunta sobre los 5 puntos (no quiero ser tocapelotas, pero me ha dejado pensando). ¿El punto 2 y 3 no son redundantes? Quiero decir, si haces referencia a una localización geográfica o tiempo determinado, ya estás haciendo que haya un punto privilegiado en el espacio tiempo, lo que violaría el punto 2, ¿no?

    Un saludo.

    • César

      No realmente. Pueden parecerte redundantes por el orden en el que están escritos pero no lo son. De hecho son complementarias. La tercera evita la consideración como leyes de afirmaciones que no lo son y que podrían cumplir las demás. Un ejemplo absurdo:

      “Carlos Jesús se comunica telepáticamente con los habitantes de Raticulín independientemente de la localización espaciotemporal de éstos y del propio Carlos Jesús” queda excluida como posible ley sin necesidad de hacer experimentos por el punto 3, no por el 2.

  • Sobre paradigmas científicos | Enchufa2

    […] @EDocet en Twitter y Experientia Docet en la blogosfera— titulados Leyes, teorías y modelos (I – La definición de ley física, II – Prescripción y descripción en ciencia). Me gustaría traer a colación el último de […]

  • Nelson Diosques

    el punto 4 no termino de comprenderlo, universal en que sentido? si ya se dice en otro punto que tiene q ser valida para cualquier punto espaciotiempo, y que involucra conceptos generales pero no nombres propios. que otro tipo de universalidad se refiere?…
    el ejemplo de “las estrellas existen” lo veo mas referido al punto 5 que dice que “no puede ser una afirmacion categorica”… puede ser?…
    si alguien aclara la duda se agradeceria…
    aprovecho para felicitar por los muy buenos articulos
    saludos

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