CONCEPCIONES DE LOS ESTUDIANTES E HISTORIA DE LA CIENCIA: EL CASO DEL CONCEPTO DE VACÍO

CONCEPCIONES DE LOS ESTUDIANTES E HISTORIA DE LA CIENCIA: EL CASO DEL CONCEPTO DE VACÍO

Joan Josep Solaz-Portolés

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1.5.4. El renacimiento.

En el siglo y medio que separa los escolásticos de principios del siglo XV de los primeros representantes de la ciencia del siglo XVII (Galileo, Kepler,...), aparecen científicos que van sentar las bases de la ciencia moderna. Destacaremos aquí a dos de ellos: Giambattista Benedetti y Giordano Bruno.

Giambattista Benedetti (1530-90) en su esfuerzo de matematizar la ciencia, se opuso a la física meramente cualitativa de Aristóteles. Para este científico el error más destable de Aristóteles era la negación del vacío y del movimiento en él. La demostración aristotélica de imposibilidad del vacío por reducción al absurdo, esto es, si el vacío existiera no habría resistencia al movimiento y los cuerpos adquirirían velocidad infinita, es absolutamente falsa. Esto es así, porque la velocidad es proporcional al peso disminuido por la resistencia del medio, con lo cual, aun no existiendo resistencia, jamás se puede hacer infinita. Por otra parte, Benedetti haciendo uso de un experimento mental concluye que los cuerpos compuestos de la misma materia, caerán en el vacío con la misma velocidad.

Giordano Bruno (1548-1600) llevó a cabo una verdadera transformación de la imagen que se tenía del mundo y de la realidad física. Se opuso al Cosmos finito aristotélico y proclamó la infinitud del espacio y del Universo. Negó la existencia de lugares naturales o direcciones privilegiadas para los cuerpos en movimiento, afimando que el espacio es el verdadero lugar de los cuerpos. El propio Universo tiene su lugar en el espacio, que no es más que un vacío inmenso e infinito que subtiende y recibe a la materia. Con esto, Bruno identificó el vacío con el espacio que contiene a todos los cuerpos y lo calificó de infinito. Además, apuntó que el movimiento de los cuerpos presuponía la existencia de espacio y que, justamente al contrario de lo que pensaba Aristóteles, la existencia de vacío es la condición necesaria para este movimiento. No obstante, este científico del renacimiento recalca que el espacio vacío no existe salvo allí donde los cuerpos se tocan, puesto que es en realidad el aire o el éter lo que llena el espacio.

1.5.5. El siglo XVII.

Galileo Galilei (1564-1642) refutó las tesis aristotélicas de que los cuerpos pesados caían más deprisa y de imposibilidad del vacío. Señaló que, precisamente es en el vacío, donde tienen que estudiarse las relaciones entre el peso, determinado por la cantidad de materia por unidad de volumen, y el movimiento. Pero, dadas la dificultades que esto representaba para él, idealizó y matematizó las condiciones experimentales en sus trabajos sobre la caída de los cuerpos. Esto, le permitió llegar a concluir que todos los cuerpos, independientemente de sus pesos, recorren las mimas distancias en los mismos tiempos. Además, las distancias recorridas son proporcionales al cuadrado de los tiempos o, lo que es lo mismo, la velocidad de caída de los cuerpos aumenta uniformemente con el tiempo.

A Galileo se le atribuye el primer vacío artificial del que se tiene noticia. Lo consiguió a partir de un cilindro cerrado y un pistón. Conocía también este sobresaliente científico la imposibilidad observada por los prácticos de elevar agua mediante una bomba aspirante a más de 10,5 m. Este hecho lo justificó simplemente diciendo que representaba el limite de la fuerza del vacío.

La física de René Descartes (1596-1650) se basa en dos principios: la inexistencia del vacío y la constancia de la cantidad de movimiento y de la materia. La negación de la existencia del vacío es una consecuencia directa de la identificación cartesiana de materia con espacio, que al ser un atributo de la materia no puede existir independientemente de ella. La constancia de la cantidad de movimiento y de la materia eran fruto del poder de Dios en el Universo.

A partir de estos principios Descartes formuló la teoría de los torbellinos en el plenum para explicar la formación del Mundo. En esta teoría se supone que se estableció inicialmente un vórtice gigante en el que los bloques primarios de materia eran arrastrados y se desgastaban por fricción, produciendo polvo o éter, la materia primera que llena el espacio, y pequeñas esferas, la materia segunda. A medida que el universo se desarrollaba, se iniciaban torbellinos secundarios en torno a cada conglomerado de materia. Así, por ejemplo, había un vórtice en torno a la Tierra que arrastraba a la Luna en su curso. En todos los vórtices la materia pesada era arrastrada hacia el centro, en tanto que la ligera se veía dispersada hacia el exterior. Esto explicaba que los objetos pesados cayesen hacia la Tierra, mientras que el fuego se elevaba. En este sistema del mundo todas las clases de materia están en contacto entre sí, de manera que el movimiento dentro de un torbellino es transmitido de unos cuerpos a otros.

En 1643 se comprobó, por iniciativa de Evangelista Torricelli (1608-47), que la atmósfera ejercía presión sobre la superficie de la Tierra. Para ello, tomó un tubo recto de vidrio abierto por uno de sus extremos, llenó el tubo mercurio y lo invirtió -sin que cayera el mercurio- dentro de una cubeta que contenía mercurio. El mercurio descendió hasta 0,76 m por encima del nivel de mercurio de la cubeta. Torricelli defendía, por un lado, que en la parte superior del tubo se había formado espacio vacío y, por otro lado, que era la presión atmosférica actuante sobre la superficie libre libre del mercurio de la cubeta la que sustentaba la columna de mercurio de 0,76 m. Por el contrario, los seguidores de las posiciones plenistas o negadoras del vacío de Aristóteles y Descartes pensaban que debía de quedar alguna sustancia, el éter, que era la que con el fin de evitar la formación de vacío, ejercía una fuerza atractiva sobre el mercurio.Torricelli efectuó un segundo experimento con un tubo que contenía un gran bulbo en su extremo cerrado, y los resultados fueron los mismos. De este modo, acabó por rechazar la hipótesis plenista y confirmó la existencia de espacio vacío.

Torrricelli hizo uso la presión atmosférica para explicar el funcionamiento de la bombas aspirantes de agua. Para este mismo fin tanto los escolásticos como Galileo habían empleando la fuerza de succión del vacío, consecuencia del horror vacui que manifestaba la Naturaleza. Torricelli explicó también por qué el agua no subía a más de 10,5 m mediante bombas aspirantes: el pistón de la bomba desaloja aire, con lo cual libera al agua que sube de la presión atmosférica, y es esta misma presión atmosférica la que actuando sobre la superficie libre del agua hace subir al liquido.

Pierre Gassendi (1592-1655) atacó con dureza los fundamentos de la ontología cartesiana. Frente al plenismo cartesiano sostuvo que el mundo estaba constituido de átomos y vacío. Asignó a la materia las características de movilidad, impenetrabilidad y discontinuidad y se negó a identificarla con el espacio, que supuso ilimitado y continuo. Como puede verse, Gassendi no hace sino retomar ideas bien conocidas con anterioridad, si bien, tuvo la audacia de aplicarlas con acierto en la interpretación de algunos fenómenos. En concreto, superó la explicación que el Blaise Pascal (1623-62) dio a la célebre experiencia del Puy de Dôme. En ella, Pascal repitió el experimento de Torricelli, varias veces en un mismo día, en el pie y en la cima de la citada montaña. Obtuvo una diferencia de alturas de mercurio entre la falda y la cima de más de tres pulgadas. La interpretación de Gassendi para la variación de la altura del mercurio con la altitud, se basó en la distinción de la acción de dos factores: peso y presión elástica de la columna de aire atmosférico. El factor esencial en la experiencia de Pascal es la presión elástica del aire. Gassendi explica, de acuerdo con su modelo de átomos y vacío, la variación de la presión del aire mediante la dilatación o compresión de éste, y el hecho de que una misma cantidad de aire (un mismo peso de aire) pueda ejercer presiones diferentes según su estado de compresión o dilatación.

Pascal efectuó otro experimento decisivo en la confirmación de la influencia de la presión atmosférica en la experiencia de Torricelli. Repitió dicha experiencia en el interior de un recipiente en el que previamente habia hecho el vacío. Constató que el mercurio descendía por completo en el tubo.

En este punto, no podemos dejar de destacar el famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo, que llevó a cabo Otto von Guericke (1602-86) para evidenciar la fuerza que podía ejercer la presión atmosférica. En él mostró que cuando dos hemisferios metálicos se encajaban y se hacía un vacío interior mediante una bomba neumática, no podían ser separados por dieciséis caballos.

La pretensión de Robert Boyle (1627-91) como científico fue desarrollar una teoría universal de la materia, que consideraba formada por partículas, a partir de su propiedades mecánicas, y atendiendo siempre a los resultados obtenidos por los experimentos. Realizó, o mandó realizar, un sinfín de experimentos con el aire, al que definía como fluido tenue, transparente, compresible, dilatable, diferente al éter y compuesto de partículas. Comprobó con aire que, a temperatura constante, toda disminución de volumen de un gas lleva consigo un aumento proporcional de la presión, y también ocurre al revés (Ley de Boyle). También llevó a cabo experimentos mediante campanas de cristal en las que hacía el vacío. Con ellos verificó que el sonido no se transmite en el vacío, pero sí la luz.

Boyle ofreció dos modelos diferentes para explicar la compresibilidad y expansibilidad del aire, ambos de carácter corpuscular. En el primero, que podemos llamar modelo estático, las partículas del gas se comportan como pequeños muelles,y se encuentran unas en contacto con otras. En el segundo, que podemos llamar modelo cinético, las partículas se hallan en violenta agitación sumergidas en un fluido sutil o éter que lo llena todo, como ya proponía Descartes. De hecho, Boyle intentó encontrar una prueba experimental de la existencia del éter, pero no la halló.

La idea cartesiana dela presencia de un fluido o éter corporal que llena todo el espacio fue rechazada frontalmente por Isaac Newton (1642-1727). Para este gran científico un fluido material, por sutil que fuera, ofrecería gran resistencia al movimiento de los cuerpos celestes, lo que imposibilitaría el movimiento regular y permanente que se observa en los planetas y cometas.

Pese a que Isaac Newton (1642-1727) inicialmente rechazó la idea cartesiana de un fluido o éter que llena todo el espacio, y que se jactaba de utilizar una metodología que no usaba hipótesis especulativas y en la que se ligaba de manera muy fructífera la experimentación y las matemáticas, no pudo desprenderse del error conceptual de creer en la existencia de un éter que llena los espacios vacíos intra y extracorporales. De él dijo que era un medio estacionario y compuesto por partículas que se repelían entre sí, y eran repelidas por las partículas de los cuerpos. Por ello, el éter resultaba muy poco denso en las proximidades de los cuerpos celestes, y les ofrecía muy poca resistencia. Por consiguiente, la cantidad movimiento del universo no podía ser constante, como supuso Descartes y, según Newton, Dios reponía constantemente la cantidad de movimiento perdida por fricción.

También recurrió Newton en última instancia, movido por los incesantes interrogantes lanzados por sus adversarios, al éter como origen y medio de transmisión de la fuerza de atracción gravitatoria. Newton evitó mientras pudo hacer un análisis físico de este asunto y se decantó, en un principio, por un tratamiento matemático neutro, sin ningún tipo de implicación.

Tanto Newton como Christian Huygens (1629-95) consideraron que la luz se propagaba en un fluido sutil, elástico y compuesto por partículas: el éter. Sin embargo, para el primero la luz tenía realidad sustancial y estaba formada por corpúsculos materiales, a los que para justificar las propiedades observadas en la misma, se les podía aplicar las leyes de la Dinámica. Para el segundo, la luz era un movimiento vibratorio del éter situado entre el observador y el cuerpo luminoso, pensaba, por tanto, que tenía un carácter ondulatorio análogo al sonido.