MEDICIÓN CIENTÍFICA Y EL CASO DE EINSTEIN CONTRA LORENTZ.
| Autor | Sandoval, Miguel Agustín Aguilar |
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Introducción
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) propuso la teoría de la relatividad especial, la cual es reconocida como uno de los logros científicos más notables del siglo XX. Sin embargo, no parece que inicialmente hubiera evidencia empírica que favoreciera a la relatividad especial sobre otras propuestas de la época para explicar los mismos fenómenos. En particular, la electrodinámica clásica de Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) utilizaba hipótesis diferentes, pero recuperaba las mismas consecuencias empíricas. No obstante, se formó un claro consenso entre los físicos alemanes (Max Planck, Arnold Sommerfeld, Wilhelm Wien, Max Born, Paul Ehrenfest y Max Laue) en favor de la relatividad especial para 1911. Las razones de este éxito temprano de la relatividad especial han resultado difíciles de identificar y han generado debates para investigadores tales como Grünbaum (1959), Holton (1969), Zahar (1973a y 1973b), Feyerabend (1974), Miller (1981), Nugayev (1983), Goldberg (1984), Pyenson (1985), Brush (1999), Janssen (1995, 2002, 2019), Brown (2005), Camp (2011), Acuña y Dieks (2014), Norton (2008), Bradley (2019), entre otros. Esto muestra que no son obvios los factores que favorecieron a la relatividad especial sobre la electrodinámica de Lorentz. (1) "Lo que requiere explicación no es una supuesta ceguera de los lectores de Einstein, sino los factores que finalmente hicieron a la propuesta de Einstein más atractiva que otras propuestas válidas" (Darrigol 2000 p. 392). (2)
La explicación más convincente del éxito de la relatividad especial señala una inconsistencia entre la electrodinámica de Lorentz y la física cuántica. Es decir, "Lo que eventualmente superó a la teoría de Lorentz fue la teoría cuántica, no la teoría de la relatividad" (Janssen 2002, p. 431). Sin embargo, parece extraño concluir que el éxito de la relatividad, que transformaba profundamente nuestra manera de entender al espacio y el tiempo, sólo se debiera a que evitaba el conflicto con una teoría cuántica aun en los primeros estadios de su desarrollo; sobre todo si consideramos la opinión de científicos y filósofos de la época que percibieron algo radicalmente nuevo en la relatividad especial. Por ejemplo, John Dewey consideraba que:
No es exagerado decir que cualesquiera que deban ser los desarrollos futuros en los descubrimientos acerca de la luz, o incluso si los detalles de la teoría de la relatividad de Einstein sean desacreditados algún día, una revolución genuina, y una que no retrocederá, ha sido efectuada en la teoría del origen, naturaleza y prueba de las ideas científicas. (Dewey 1929, p. 146) Es decir, para Dewey, la novedad en el pensamiento de Einstein iba más allá de dar cuenta de los fenómenos. Por su parte, P.W. Bridgman (1882-1961) consideraba que la relatividad especial era incluso más notable que la relatividad general. (3) Para Bridgman la novedad de la relatividad especial está en cómo asigna significado a los conceptos científicos a través de operaciones de medición. Aunque las ideas de Bridgman, como teoría del significado, resultaron poco convincentes, realmente parece que había una novedad en la manera en la que la relatividad especial relacionaba conceptos (como los de espacio y tiempo) con la medición.
Por lo anterior, vale la pena considerar si es posible dar una imagen diferente de este caso mediante un análisis de cómo Lorentz y Einstein utilizan los logros en medición producidos hasta su época. Un motivo adicional para esto es el interés que se ha generado en las últimas décadas en el estudio filosófico de las prácticas de medición, como se puede apreciar en los trabajos de Berka (1983), Mari (2003), Chang (2004, 2012), van Fraassen (2008), Tal (2012) o Guillaumin (2016). Estos estudios analizan, entre otras cosas, la relación entre conceptos científicos y prácticas de medición desde una perspectiva histórica, con lo que proveen interesantes conclusiones filosóficas acerca del crecimiento del conocimiento científico.
En otras palabras, haga a un lado por ahora el sorprendente contraste entre la manera en que los newtonianos empleaban el "tiempo" o el "espacio" a finales del siglo XVII y la manera en que los einstenianos usaban estos términos a inicios del siglo XX. Vea, en su lugar, la manera en que Poincaré, Bucherer, Einstein, Kaufmann y Lorentz coordinaron su uso de estos términos en experimentos particulares en entornos de laboratorio particulares. (Galison 1997, p. 48) Así, el objetivo de este artículo es indagar si el estudio filosófico de la medición científica permite resaltar algún aspecto distintivo de la relatividad especial que explique su éxito sobre la electrodinámica de Lorentz. La práctica de medición más relacionada con la relatividad es la medición de la velocidad de la luz por lo que será el hilo conductor del análisis. Lo que mostraré es que dicha medición alcanzó, a finales del siglo XIX, una robustez mucho mayor que la medición de grandes distancias o la del tiempo; y que es la manera en que Einstein utiliza esa robustez lo que explica que la relatividad especial, a diferencia de propuestas como la de Lorentz, sobreviviera a los profundos cambios por los que atravesaría la física de las primeras décadas del siglo XX.
Para mostrar lo anterior, señalaré, en la sección 2, algunos problemas en la medición de grandes distancias y la estandarización del tiempo, en la época anterior a Einstein, así como la confiabilidad que había en la medición de la velocidad de la luz. En la sección 3 resaltaré la notable robustez de la estabilidad que las prácticas de medición pueden alcanzar, lo que ha sido reconocido por una variedad importante de filósofos de la ciencia. En las siguientes dos secciones, 4 y 5, expongo las propuestas de Lorentz y Einstein respectivamente a la luz de lo anterior. En la sección 6 comento algunos intentos de explicar el éxito de Einstein por parte de historiadores y filósofos. Finalmente, en la sección 7 doy una explicación complementaria que atribuye ese éxito al uso que hace Einstein de la robustez de la velocidad de la luz.
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Mediciones de grandes distancias, coordinación de relojes y la velocidad de la luz
Desde el siglo XVIII las prácticas de medición de distancias, tiempos y de la velocidad de la luz han estado interrelacionadas. Esta relación comenzó por la necesidad de medir grandes distancias terrestres. Para determinar la distancia entre un observador y una posición de referencia se debía medir la latitud (distancia norte-sur) y la longitud (distancia este-oeste) terrestres. La primera se puede encontrar con observaciones de las estrellas (la estrella polar, por ejemplo, se ve más cerca del horizonte cuanto más cerca se está del ecuador). La longitud terrestre se puede deducir a partir de la diferencia de horarios. Sin embargo, saber el tiempo exacto que transcurría entre, por ejemplo, el amanecer en una región de la Tierra y el mismo evento en otra, sólo es posible si se tienen relojes coordinados en ambos lugares, lo cual era extremadamente difícil porque los relojes se desajustaban al ser transportados. Es decir, medir grandes distancias terrestres requería coordinar relojes colocados en los extremos de las distancias a medir. Cuando Galileo Galilei descubrió los satélites de Júpiter sugirió usarlos para este fin; registrando la hora en que, por ejemplo, uno de los satélites se ocultaba detrás de Júpiter y, conociendo la hora en que eso debía ocurrir en un meridiano de referencia, un observador podía deducir la longitud terrestre en que se encontraba. Sin embargo, pronto se reconocieron irregularidades en los movimientos de estos satélites. Ole Römer (1644-1710) notó que los satélites parecían adelantarse en su periodo cuando la Tierra estaba cerca de Júpiter, por lo que las irregularidades podían explicarse asumiendo que a la luz le toma tiempo llegar desde dichos satélites hasta la Tierra. Esa explicación fue corroborada por James Bradley (1693-1722) quien señaló un aparente movimiento en las estrellas a lo largo del año, conocido como aberración estelar, que podía explicarse como consecuencia de la combinación del movimiento de la Tierra con el de la luz. Los valores que ambos calcularon para el tiempo que a la luz debía tomarle recorrer una distancia como la órbita de la Tierra coincidían lo suficiente como para que otros astrónomos aceptaran sus conclusiones.
Sin embargo, ni Römer ni Bradley midieron propiamente la velocidad de la luz. Lo que ellos concluyeron fue que la luz necesita tiempo para atravesar una región del tamaño de la órbita de la Tierra. La distancia y el tiempo es lo que se necesita para determinar una rapidez, pero el valor de la distancia de la órbita de la Tierra era muy incierto en el siglo XVIII. Por ello, en la época se consideró que la aportación de ambos astrónomos era haber mostrado que la velocidad de la luz era finita, pero no medirla, ya que hacía falta saber cuál era la distancia que la luz recorre en el tiempo calculado.
Una manera de encontrar el tamaño de la órbita terrestre era mediante observaciones de la paralaje de Marte en oposición, pero éste resultó ser un método impreciso. El astrónomo Edmund Halley (1656-1742) y Joseph Nicholas Delisle (1688-1768) propusieron métodos diferentes basados en registrar los tránsitos de Venus (cuando Venus pasa entre la Tierra y el Sol) desde diferentes posiciones en la Tierra. Con dicha observación encontrar la distancia entre la Tierra y el Sol se convierte en un problema geométrico simple. Con todo, estos tránsitos no son comunes, por lo que no fue posible encontrar una buena estimación del tamaño de la órbita terrestre hasta los tránsitos de 1761 y 1769, y aun entonces los resultados fueron insatisfactorios. (4)
2.1. La medición terrestre de la velocidad de la luz
Fue hasta el siglo XIX que se produjo una medición de la rapidez de la luz con un método independiente del tamaño de la órbita de la Tierra. En 1849, Armand Hippolyte-Louis Fizeau (1819-1896) lo...
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