La contribución de Galileo

El nacimiento de una nueva física

El modelo copernicano había desafiado a la astronomía aristotélica. Se podía mostrar que los movimientos de los astros podían explicarse (aunque no sin gran desajuste con los datos) si se suponía que la Tierra realizaba un movimiento de giro sobre su eje y a su vez una traslación alrededor del Sol. Pero el modelo copernicano nada decía de los movimientos que realizaban los cuerpos aquí en la Tierra. Si las piedras caían porque, según el modelo aristotélico, su lugar natural es el centro del universo, entonces ¿por qué caen hacia el centro de la Tierra si ésta ya no es el centro del universo? Si Copérnico tenía razón, entonces los objetos deben caer por otro motivo.

Galileo se dedicó, entre otras cosas, al estudio de la caída de los cuerpos. No llegó a darnos un motivo por el cual caen los cuerpos, como lo hizo Newton años más tarde, pero nos dejó una nueva manera de estudiar la naturaleza. Galileo observó la naturaleza esperando encontrar regularidades, leyes de la naturaleza. La observación y la recolección de datos tenían un papel importante en la obtención de la forma matemática de esas leyes. Los razonamientos y los experimentos mentales (imaginados), en cambio, le servían de guía para proponer las distintas relaciones entre fenómenos. De su estudio de la caída de los cuerpos Galileo concluyó que, cuando el rozamiento con el aire es despreciable, todos los cuerpos caen con la misma aceleración (en un mismo lugar de la Tierra). Para alcanzar esta conclusión Galileo se nutrió, como dijimos, de dos vertientes diferentes. Por un lado, acumuló una gran cantidad de datos midiendo el tiempo de caída de diferentes cuerpos desde una misma altura. Por otra parte, pensó que si un cuerpo más pesado caía más rápidamente, entonces, al atar dos ladrillos iguales, el conjunto caería más rápidamente que cada una de sus dos mitades, y esto le pareció absurdo.

Ley de caída libre

Galileo descubrió que el espacio recorrido por un cuerpo en caída libre (s) a medida que transcurre el tiempo (t) obedece a la ley cuadrática:

s = k.t ²

y la velocidad del cuerpo en la caída se incrementa en la misma cantidad en cada segundo de caída, de modo que la velocidad v y el tiempo de caída t cumplen con la ley lineal: v = a t

La constante de proporcionalidad k y la aceleración a no dependen del cuerpo.

Figura. Gráfica de la ley de Galileo de caída de los cuerpos.

El argumento de la torre

No obstante los avances que pudo realizar con su descubrimiento de la ley de caída libre, Galileo tendría que enfrentar las objeciones de los defensores del geocentrismo. Su descripción de la caída libre parecía oponerse al modelo heliocéntrico. Si la Tierra se mueve según el modelo copernicano al que adhería Galileo, ¿cómo es que una piedra que se suelta desde lo alto de una torre cae al pie de ella y no desplazada? Si la torre se mueve junto con la Tierra mientras la piedra cae, entonces la piedra deberá caer a cierta distancia hacia atrás de la base de la torre. Galileo propuso que la piedra, por haber estado sostenida en lo alto de la torre, había adquirido el movimiento de la torre, y que la caída no afectaría tal movimiento. Así la piedra tendría una inercia que, según Galileo, consiste en que un cuerpo conserva el tipo de movimiento que tenía previamente. Con esto Galileo intentaba compatibilizar el movimiento de una piedra con el de todo el planeta Tierra.

Observaciones de Galileo

Por otra parte, Galileo se dedicó al estudio del cielo con la ayuda de un telescopio que modificó él mismo para mejorarlo. Con ayuda del telescopio, Galileo descubrió que Venus tenía fases como la Luna, que la Luna tenía montañas y valles, que Júpiter tenía lunas, que había más estrellas que las que se podían ver a simple vista y que Saturno tenía unas salientes (como orejas) que cambian con el tiempo (aunque no pudo determinar que eran anillos). Incluso llegó a descubrir y dibujar las manchas solares. Cada uno de estos descubrimientos estaba en contra del modelo aristotélico.

Lectura: Galileo observa Neptuno

Figura. a) Se suelta la piedra desde la torre. b) Si la torre se mueve con la Tierra, la piedra debe caer atrasada, según la antigua física.

Las montañas de la Luna

Galileo modificó un telescopio para darle mayor poder y con ello poder observar con más detalle la superficie de la Luna. Sin embargo esta modificación también producía efectos no deseados, aberraciones, de modo que era necesario distinguir entre los aspectos de la imagen que eran amplificadas y los aspectos que solamente aparecían como un defecto del instrumento. Para esa época no se disponía de una teoría óptica, sino que el conocimiento sobre las lentes era un conocimiento técnico basado en la tradición de pulir las lentes para obtener diferentes grados de aumento. Por este motivo era difícil para Galileo respaldar sus observaciones de rasgos en la superficie de la luna que sus oponentes no querían aceptar. Galileo respaldaba el uso del telescopio mostrando que con este instrumento se podían observar detalles de un barco que todavía no llegó a puerto y luego verificar que esos detalles estaban en el barco. Esto constituía un método de prueba que garantizaba que el telescopio no creaba las imágenes sino que las amplificaba. Sin embargo esta prueba solo sirve para objetos que más tarde podemos inspeccionar de modo directo. Esto restringe el método de prueba a un rango de distancias y objetos de modo que no es el mismo modo respaldo que necesitamos para garantizar las imágenes que nos llegan de la superficie lunar.

Galileo tenía un método de respaldo que no podía extrapolarse al rango en el que era necesario hacer las observaciones. Que el telescopio no crea imágenes sino que las amplifica era algo probado para un rango, pero lo que estaba en discusión no tenía ningún respaldo y sería necesario tener una teoría (óptica) para obtener ese respaldo.

Las observaciones que realizó Galileo le dieron la convicción de que en la superficie de la Luna había cráteres y montañas. Esto no era aceptable para el modelo geocentrista defendida por la mayoría de los científicos de su época. Según el geocentrismo la Luna, ubicada en la zona supralunar, debía ser perfectamente esférica. Su superficie no podía tener irregularidades. Estas observaciones entonces constituían una anomalía para el geocentrismo, siempre que se aceptara que lo que estamos viendo con el telescopio es algo que corresponde a la superficie lunar y no que es una imagen creada por el propio telescopio, es decir que no sea una aberración.

Los oponentes de Galileo, con la intención de defender su cosmovisión geocentrista, tenían su mejor objeción en que no tenemos garantía de que lo que se ve por el telescopio realmente exista en la Luna.

Pero una segunda estrategia fue la de generar una hipótesis ad hoc bastante divertida. La estrategia era aceptar que la Luna tenía cráteres y montañas pero estaba rodeada de una capa imperceptible que la rodeaba, y esta capa imperceptible era perfectamente esférica y sin rugosidades. Se cuenta que Galileo respondió que efectivamente la Luna tenía una capa imperceptible que la rodeaba, pero que esa capa copiaba los cráteres y las montañas. De este modo el recurso a la hipótesis ad hoc se torna totalmente inútil ya que no es posible poner a prueba ninguna afirmación acerca de una capa que es "imperceptible".

Galileo Galilei

(1564-1642) nació en Pisa, pero pronto se trasladó a Florencia, en donde al principio estudió dibujo para ser pintor (entusiasmado por el movimiento renacentista). A instancias de su padre inició estudios de medicina, pero finalmente su entusiasmo se dirigió hacia la matemática y la astronomía. En Pisa realizó sus investigaciones sobre la caída de los cuerpos, en Padua desarrolló su teoría del movimiento y realizó sus observaciones astronómicas. Su apoyo al sistema copernicano le trajo un enfrentamiento con los defensores del geocentrismo, entre ellos la Iglesia Romana, que en aquella época intentaba sostener el modelo geocentrista. La tradición de que la Iglesia diera su opinión en materia científica, sumada a la convicción de Galileo de que la Tierra efectivamente se movía, desembocaría en un enfrentamiento más grave. La Iglesia admitía el modelo heliocentrista como una manera de hacer los cálculos, pero se negaba a aceptar la realidad del movimiento terrestre. Galileo ya no creía que el modelo era una herramienta de cálculo sino que describía la realidad. Los hombres de aquella Iglesia prohibieron la defensa del copernicanismo y condenaron a Galileo en 1633. Recién en 1822 se permitió la publicación de libros que sustentaran el copernicanismo y en 1992 el papa Juan Pablo II hizo una nueva revisión.

Figura a) Dibujos de la Luna hechos por Galileo. b) Foto actual de la Luna. Figura. a) Dibujos de Galileo sobre las observaciones de las lunas de Júpiter. b) Observación actual de las lunas descubiertas por Galileo.

Galileo y la certeza física

El universo aristotélico se dividía en dos regiones, la sublunar y la supralunar. Estas regiones se comportaban de modo diferente, por eso las ciencias que versaban sobre ellas diferían entre sí, a cada región le correspondía una ciencia distinta. En el mundo sublunar, donde reina el cambio,la irregularidad y la contingencia, era abordado por la física (filosofía natural) mediante una descripción cualitiativa, en la que el comportamiento de los elementos constitutivos de la naturaleza obedecía a su definición esencial (dada tal materia, tal será su movimiento***link a simulaciones de física aristotélica ) El acceso a la comprensión del mundo sublunar no podía ser matemático, porque es un mundo de irregularidades y la matemática es la ciencia que versa sobre lo siempre igual, por ello ésta estaba reservada al estudio de los cielos, pues en la región supralunar regían los movimientos perfectos e inmutables . Galileo pensaba que no existían dos formas de conocimiento distintos de la naturaleza, sino uno, universal, pues los movimientos terrestres y celestes estaban emparentados. Pero para que esta idea pudiese ser vislumbrada y profundizada se tuvieron que operar grandes rupturas con la tradición anterior. Lo que estaba en juego era la cuestión sobre cuáles eran los modos legítimos para escrutar la naturaleza, cómo se puede obtener un conocimiento fiable, certero. Hay toda una serie de distinciones aristotélicas que se pusieron en cuestión y que fueron paulatinamente derribadas para ir constituyendo una nueva concepción de la naturaleza y la forma de conocerla.

• La legitimidad del experimento a partir de la puesta en cuestión de la distinción aristotélica natural/artificial

Según Aristóteles hay en la naturaleza una suerte de animismo, los cuerpos se comportan teleológicamente (***link teleología?) . Cada cuerpo se mueve naturalmente para realizar su naturaleza (su esencia, su finalidad), para alcanzar su lugar natural. Aristóteles distinguía lo natural de lo artificial. Mientras que lo natural contiene en sí su propia finalidad, lo artificial (artefacto) recibe de un artífice externo, la intencionalidad del artesano. Es decir, difieren enormemente respecto de su causa no es lo mismo a qué se debe el ser una manzana (producido por la naturaleza) que a qué se debe ser una rueda (fabricado por los hombres). De esta distinción se sigue la negación de la legitimidad de indagar el orden natural con medos artificiales. Esta concepción cambia radicalmente en la modernidad. Francis Bacon sostuvo “Lo artificial no difiere de lo natural por su forma o esencia ni importa, con tal que las cosas estén dispuestas para producir un efecto” y Pierre Gassendi (1596-1650) escribió que “no hay diferencia entre las máquinas que construyen los artesanos y los cuerpos diversos que la naturaleza compone”.

Que experiencias montadas artificialmente (experimentos) y artefactos (p.e. telescopio) sirvan para escrutar la naturaleza iba a contrapelo de la distinción aristotélica entre artefacto y naturaleza. Si Copérnico había propuesto un modelo astronómico heliocéntrico basado en el cálculo matemático (***link a instrumentalismo caso prólogo Osiander) Galileo ofreció además una apoyatura empírica. Operó una suerte de síntesis entre filosofía natural y matemática, Galileo sostuvo que además de la certeza matemática se contaba también con la certeza sensible. Al orden natural se accedía por la experiencia y por las demostraciones. El se autodefinía como “filosofo matemático”. Galileo tenía una concepción realista de la ciencia (***link Realismo). Para él, el mundo debía interpretarse matemáticamente porque su estructura era matemática (esencialismo matemático)[***link a Galileo y el Libro de la Naturaleza]

Galileo y el libro de la Naturaleza

Galileo fue un férreo apologista de la separación entre los campos de saberes que le competían a filosofía natural y a la teología. Ello implicó la puesta en cuestión de la jerarquía de la teología respecto de la filosofía. En la Carta a Cristina de Lorena Galileo afirma que “si la teología, ocupándose de altísimas contemplaciones divinas y residiendo por dignidad en el trono regio, por lo que goza de gran autoridad, no desciende a la s más bajas y humildes especulaciones de las ciencias inferiores, e incluso ni se ocupa de ellas, por no tener nada que ver con la salvación, no deberían sus ministros y profesores arrogarse el derecho de decidir en las profesiones ni ejercidas ni estudiadas por ellos” porque como decía el Cardenal Baronio “la intención del Espíritu Santo era enseñarnos cómo se va al cielo, y no como va el cielo”. Entonces estaban las Sagradas Escrituras, el libro revelado, que versaba sobre la salvación y estaba escrito en clave metafórica y alegórica y más cercana al entendimiento del llanoy el sentido común, y el Libro de la Naturaleza, que estaba escrito en clave matemática. A cada libro le correspondía una interpretación distinta. Si los filósofos obtienen un conocimiento a partir de la certeza sensible (observaciones y experiencias) que contradiga lo que dicen las Sagradas Escrituras, debe prevalecer el conocimiento de la ciencia, porque lo que se aprende mediante experiencias (certeza sensible) y demostraciones (certeza matemática) no es materia opinable, que los ministros de la Iglesia pidan a los científicos a rectificarse de sus propias observaciones y demostraciones “es como pedirles que no vean lo que ven y que no entiendan lo que ellos entienden”. No es que Dios haya escrito dos libros que se contradicen entre sí, pues eso sería afirmar que Dios se contradice a sí mismo, sino que unos hermeneutas (los del libro revelado) quieren invadir un terreno que no le compete (el del libro de la naturaleza) que le corresponde a los filósofos naturales descifrar pues en ese terreno, la ciencia debe ser autoridad y establecer el criterio de verdad.

Lectura recomendada: Galileo Galilei, "Carta a la señora Cristina de Lorena, Gran Duquesa de Toscana" en Carta a Cristina de Lorena y otros textos sobre ciencia y religión