Libros imprescindibles en la Historia de la Ciencia (II). «Física»de Aristóteles.

Aristóteles (384 a. C.-322 a. C.) fue un polímata; filósofo, lógico y científico de la Antigua Grecia cuyas ideas han ejercido una enorme influencia sobre la historia intelectual de Occidente por más de dos milenios. Por el rigor de su metodología y por la amplitud de los campos que abarcó y sistematizó, Aristóteles puede ser considerado el primer investigador científico en el sentido moderno de la palabra.

Aristóteles estableció las bases que configurarían el pensamiento europeo: las teologías cristiana y musulmana del Medioevo asumieron su metafísica; la física y la astronomía aristotélicas se mantuvieron vigentes hasta el siglo XVII; sus estudios zoológicos, hasta el XIX; la lógica, hasta el siglo XX.

Aristóteles escribió cerca de 200 tratados (de los cuales sólo nos han llegado 31) sobre una enorme variedad de temas, incluyendo lógica, metafísica, filosofía de la ciencia, ética, filosofía política, estética, retórica, física, astronomía y biología.

Entre muchas otras contribuciones, Aristóteles formuló la teoría de la generación espontánea, el principio de no contradicción, las nociones de categoría, sustancia, acto, potencia y primer motor inmóvil. Algunas de sus ideas, que fueron novedosas para la filosofía de su tiempo, hoy forman parte del sentido común de muchas personas.

Aristóteles desarrolló una teoría física que se mantuvo vigente hasta la revolución científica. Aristóteles creía que la Tierra estaba formada por la combinación de cuatro elementos o compuestos básicos: tierra, aire, agua y fuego. También sostuvo que todos los cielos, y cada partícula de materia en el universo, estaban formados a partir de otro elemento, que era el quinto y que él llamó ‘aether’ (también designado como «éter»),el cual se suponía que no tenía peso y era «incorruptible». Al éter también se lo llamaba ‘quintaesencia’ – o sea la «quinta sustancia».Cada elemento tiene un movimiento natural. El agua y la tierra se mueven naturalmente hacia el centro del universo, el aire y el fuego se alejan del centro, y el éter gira en torno al centro. Estos principios servían para explicar fenómenos como que las rocas caigan y el humo suba. Además explicaban la redondez del planeta, y las órbitas de los cuerpos celestes, que están compuestos de éter.

«Física»   (en griego antiguo Φυσικής Ακροάσεως Physikḗs Akroáseōs) es el título de un tratado en ocho libros de Aristóteles datado alrededor del siglo IV a. C.

Como todas las otras obras aristotélicas, también la Física es el resultado del trabajo de reconstrucción, hecho probablemente por Andrónico de Rodas – erudito de la escuela peripatética – alrededor del siglo I a. C., sobre fragmentos aparecidos escritos por el Estagirita en distintas épocas, sobre distintos argumentos, pero siempre alrededor de la Física.

El libro I trata de los principios del Devenir.

El libro II es un tratado sobre las Cuatro causas, que retoma en parte el pensamiento de Empédocles.

Los libros III, IV, V, VI constituyen un estudio orgánico sobre el concepto de mutación (o movimiento) y los conceptos relacionados de: infinito, lugar, tiempo, continuo.

El VII continua, en modo totalmente autónomo, el análisis del Movimiento, introduciendo el concepto de Motor.

El VIII postula la existencia de un Primer motor inmóvil y eterno.

Entre las enormes aportaciones de Física, destacan:

El movimiento local es fundamental, está a la base de todos los otros movimientos que lo presuponen, y se distingue en:

.- circular, siempre igual a si mismo, caracteriza el movimiento de los cielos compuestos del quinto elemento, el éter, que es eterno y no tiene mutaciones;
.- rectilíneo, desde abajo hacia arriba y desde arriba hacia abajo, propio de los cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Los seres que tienen estos movimientos son corruptibles.

Las causas del movimiento pueden ser:

.- accidentales, si relacionados a fenómenos naturales.
.- queridos, si hecho por el hombre.

Si se saca uno de los cuatro elementos de su ambiente, de su lugar, este tiende a volver allí: como lo demuestra una piedra tirada en el agua que se hunde tendiendo hacia su esfera, la de la tierra, mientras las burbujas de aire que se liberan en el agua tienden hacia arriba, es decir hacia la esfera del aire.

El espacio (πού) o el lugar (τόπος) son calificados como límites en comparación con otros objetos.

Un vaso es el límite, el espacio, del agua que contiene. Naturalmente el vaso y el agua pueden existir independientemente de sus límites, pero solo un cuanto sustancia que siendo antes no puede tener un límite.

El espacio y el lugar vienen concebidos gracias al movimiento. Solo si veo cuerpos que se mueven puedo también concebir el espacio en el cual se mueven. Sin espacio no existiría el movimiento, pero sin movimiento no es pensable el espacio. Razón por la cual, es necesario negar la existencia del vacío, entendido como ser no dependiente de algún cuerpo.

El movimiento está en el tiempo y el tiempo no puede existir sin movimiento. Esta implicación lleva a Aristóteles a dar la célebre definición del tiempo como «el número del movimiento según el antes y el después» (Fisica, IV, 11, 219b), entendiendo por «número» la función de contar, que no es posible sin tener conciencia de la sucesión numérica y por lo tanto el tiempo como un hecho de conciencia.

Uniéndose a la cinemática (teoría general del movimiento) que sostiene que todo aquello que es movido debe ser movido por alguna otra cosa, Aristóteles dice que debe haber algo quieto inicialmente desde donde se origina el movimiento, es decir un primer principio inmóvil pero que de por sí es un motor que hace mover todos los entes hacia él, causa final del universo.

El reinado de los conceptos físicos de Aristóteles duró acaso dos milenios, y fue la primera teoría especulativa de la física de la que se tengan noticias. Luego de los trabajos de Alhacen, Avicena, Avempace, al-Baghdadi, Jean Buridan, Galileo, Descartes, Isaac Newton y muchos otros, se aceptó que la física de Aristóteles no era correcta o viable. Aun así, la física de Aristóteles fue capaz de sobrevivir hasta el siglo XVII, y probablemente más, ya que era enseñada todavía en las universidades de la época. El modelo de física de Aristóteles fue el principal impedimento académico para la creación de la ciencia física mucho después de que Aristóteles hubiera muerto.

El primero en modificar y criticar durante la Edad Media la teoría de gravedad de Aristóteles fue Juan Filópono, y posteriormente procedieron de igual manera varios físicos musulmanes. Ja’far Muhammad ibn Mūsā ibn Shākir (800-873) del Banū Mūsā escribió el Movimiento Astral y La Fuerza de Atracción, donde descubre que existe una fuerza de atracción entre los cuerpos celestes, anticipando lo que será la ley de gravitación universal de Newton.

Ibn al-Hayṯam (965-1039) también se ocupó de discutir la teoría de atracción entre diversas masas, y parece que él estaba al tanto de la magnitud de la aceleración producida por la gravedad y había descubierto que los cuerpos celestes «obedecían a las leyes de la física». Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) fue el primero en descubrir que la aceleración se encuentra asociada a un movimiento no uniforme, lo que es parte de la segunda ley del movimiento de Newton

En Europa, la teoría de Aristóteles fue desacreditada por primera vez en forma convincente por los trabajos de Galileo Galilei. Utilizando un telescopio, Galileo observó que la Luna no era completamente lisa, sino que en cambio tenía cráteres y montañas, contradiciendo la idea de Aristóteles de una Luna perfectamente lisa e incorruptible.

Historias de gigantes (III). Imhotep, el primer científico.

Imhotep (c. 2690 – 2610 a. C.). fue un erudito egipcio que merece ser considerado un arquetipo histórico de polimata; sabio, médico, astrónomo, y el primer arquitecto conocido en la historia. 

Es el primer científico cuyo nombre aparece en la Historia ya que no sólo era médico, también era arquitecto y astrónomo: esto indica que tenía los conocimientos operativos de aritmética y geometría necesarios para manejar estas disciplinas.

Sumo sacerdote de Heliópolis, fue chaty del faraón Necherjet Dyeser (Zoser), y diseñó la Pirámide escalonada de Saqqara, durante la dinastía III. El significado de la palabra Imhotep es «el que viene en paz». De origen plebeyo, hijo del también arquitecto Kanefer y de Kherduankh, según una inscripción hallada en el Uadi Hammamat, llegó a alcanzar, gracias a su valía personal, un significativo puesto en la Corte real, y llegó a actuar como consejero personal del rey a plena satisfacción de aquél.

Entre sus títulos, conocidos gracias a los jeroglíficos existentes en los restos de una estatua del rey Djeser hallada en Saqqara, tuvo los de Canciller del Bajo Egipto, Príncipe real, Juez principal, Sumo sacerdote de Heliópolis, Jefe de los trabajos públicos, Carpintero y Albañil real.

La importancia de la medicina egipcia se traduce en la figura de Imhotep, considerado como el fundador de la medicina egipcia, y autor del papiro Edwin Smith acerca de curaciones, dolencias y observaciones anatómicas (aunque este texto probablemente fue escrito alrededor del 1700 a. C., con añadidos de otros médicos).

Existe una entrada sobre el pergámimo Edwin Smith en «A hombros» dada su importancia histórica y científica.

La concepción mítico-religiosa de la enfermedad, en el Egipto de Imhotep, conducía a un enfoque mágico-religioso y empírico a la terapia médica. Es decir, una combinación de ritos, prácticas quirúrgicas y un extenso recetario farmacológico. También se registran algunos intentos de racionalización, como los que se aprecian en el papiro Smith, que describe 48 casos clínicos sin mencionar causas ni tratamientos mágicos y aportando un enfoque racional sobre el tratamiento de ciertas enfermedades y las heridas.

En este texto Imhotep recomienda el uso de vahos de opiáceos como anestésico. Describe observaciones anatómicas, el examen, diagnóstico, tratamiento y pronóstico de numerosas heridas con todo detalle. Los tratamientos son racionales, y en un sólo caso se recurre a remedios mágicos. El papiro contiene las primeras descripciones de suturas craneales, de la meninge, la superficie externa del cerebro, del líquido cefalorraquídeo, y de las pulsaciones intracraneanas. Según un grabado de una losa sepulcral en Saqqara, Imhotep preconizaba la aplicación de presión en las arterias carótidas para calmar el dolor de cabeza, al disminuir el flujo de sangre al cerebro. Imhotep afirmaba que el pulso era un índice del corazón y de las condiciones del enfermo.

Imhotep fue el autor del complejo funerario de la «Pirámide Escalonada» de Saqqara, cerca de Menfis. en tiempos del rey Dyeser (2650 a. C.). La pirámide necesitó la extracción, transporte y montaje de miles de toneladas de piedra caliza, desafío notable ya que tal material nunca se había utilizado en grandes construcciones, para las que se usaban ladrillos de adobe, fáciles de hacer y baratos.
Un gran problema técnico era el peso de la piedra: Imhotep lo solucionó en parte usando bloques relativamente pequeños, más fáciles de transportar y manejar. Por otra parte, las columnas son decorativas o están adosadas a los muros, sin sustentar mucho peso. hay que tener en cuenta que en esta época el metal utilizado en herramientas era el cobre, poco adecuado para estos trabajos.

Tuvo que organizar todo el proceso de construcción, controlar el trabajo de cientos de obreros, y realizar la primera ciudad funeraria: rodeada por una muralla de unos mil quinientos metros de perímetro, construyó diversas edificaciones como decorado, y hacia el centro erigió una pirámide de seis gradas con una altura de sesenta metros. A su vez, se excavó en la roca del terreno, bajo la pirámide, la que sería la tumba de Dyeser (Zoser) y un conjunto de galerías para almacenar miles de vasijas funerarias, muchas grabadas con los nombres de sus predecesores.
Aunque su vida es prácticamente desconocida, le fueron atribuidos los más antiguos textos de sabiduría, medicina y astronomía, y gozó de justa fama en el campo de las letras. Desempeñó también el cargo de médico y fue reconocido a su muerte como dios de la medicina y considerado incluso hijo del dios Ptah; los griegos, muchísimo más tarde, lo identificaron con el nombre de Imuthes, como Asklepios. La capilla de Saqqara -el Asklepion- fue lugar al que los lisiados y enfermos, en la Baja época, acudían en busca de curación. Muchos templos (dentro de otros complejos religiosos) le fueron consagrados: Karnak, Deir el-Bahari (aquí representado en compañía de su madre, de su esposa Renepet-neferet, y de diversas divinidades), Deir el-Medina e Isla de Filae (templo éste levantado por Ptolomeo V).

No ha podido ser identificada su tumba -una mastaba-, aunque se supone que hubo de estar en el sector norte de Saqqara, cerca del Serapeum de Menfis, en cuyas cercanías, tiempo después, se edificaría el Templo de Imhotep, «hijo de Ptah». De Imhotep descienden una serie de cualificados arquitectos, cuyos nombres aparecen recogidos en una inscripción del Uadi Hammamat.

El descubridor del neutrón; Chadwick.

El 24 de julio de 1974, fallecía el físico británico James Chadwick (20 de octubre de 1891 – 24 de julio de 1974).

James Chadwick estudió bajo la tutela de Rutherford en la Universidad de Manchester, donde se licenció en 1911. Viajó a Berlín para ampliar su formación, esta vez bajo la dirección de Geiger.

En 1913 Chadwick empezó a trabajar en el Physikalisch Technische Reichsanstalt en Charlottenburg (Alemania) a cargo del profesor Hans Geiger. Durante la Primera Guerra Mundial fue internado en el campo de concentración (Zivilgefangenlager) en Ruhleben, cerca de Berlín, acusado de espionaje.

En 1919, Chadwick volvió a Cambridge y prosiguió su colaboración con Rutherford, quien había descubierto en 1917 la desintegración atómica artificial al estudiar el átomo de nitrógeno y continuaba trabajando con otros elementos ligeros. Rutherford había teorizado sobre la existencia de nuevos núcleos atómicos, formados en su concepción por protones y electrones.

Chadwick fue profesor de física en la Universidad de Liverpool desde 1935 y desde 1959 miembro del Gonville College y del Caius College de la Universidad de Cambridge .Como resultado del memorándum Frisch-Peierls en 1940 sobre la factibilidad de la bomba atómica fue incorporado al Comité MAUD, que investigó la cuestión. Visitó Norteamérica como en la Misión Tizard de 1940 para colaborar con estadounidenses y canadienses en la investigación nuclear.  De 1943 a 1945 dirigió la delegación británica que trabajó en el laboratorio científico Los Álamos (hoy, Laboratorio Nacional Los Álamos), en Nuevo México.

El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía solamente un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo de hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más ligeros que los protones, se puede ignorar su contribución a la masa atómica.) Sin embargo, en realidad la relación es 4:1.

Antes de ser descubierto el neutrón, se creía que un núcleo de número de masa A (es decir, de masa casi A veces la del protón) y carga Z veces la del protón, estaba formada por A protones y A-Z electrones. Pero existen varias razones por las que un núcleo no puede contener electrones. Un electrón solamente podría encerrarse en un espacio de las dimensiones de un núcleo atómico (10-12 cm) si fuese atraído por el núcleo mediante una fuerza electromagnética muy fuerte e intensa; sin embargo, un campo electromagnético tan potente no puede existir en el núcleo porque llevaría a la producción espontánea de pares de electrones negativos y positivos (positrones). Por otra parte, existe incompatibilidad entre los valores del espin de los núcleos encontrados experimentalmente y los que podrían deducirse de una teoría que los supusiera formados por electrones y protones; en cambio, los datos experimentales están en perfecto acuerdo con las previsiones teóricas deducidas de la hipótesis de que el núcleo consta sólo de neutrones y protones.

Ernest Rutherford propuso por primera vez la existencia del neutrón en 1920, para tratar de explicar que los núcleos no se desintegrasen por la repulsión electromagnética de los protones.

En 1932 Chadwick, realizó una serie de experimentos de los que obtuvo unos resultados que no concordaban con los que predecían las fórmulas físicas: la energía producida por la radiación era muy superior y en los choques no se conservaba el momento. Para explicar tales resultados, era necesario optar por una de las siguientes hipótesis: o bien se aceptaba la no conservación del momento en las colisiones o se afirmaba la naturaleza corpuscular de la radiación. Como la primera hipótesis contradecía las leyes de la Física, se prefirió la segunda. Con ésta, los resultados obtenidos quedaban explicados pero era necesario aceptar que las partículas que formaban la radiación no tenían carga eléctrica. Tales partículas tenían una masa muy semejante a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo que se pensó que eran el resultado de la unión de un protón y un electrón formando una especie de dipolo eléctrico. Posteriores experimentos descartaron la idea del dipolo y se conoció la naturaleza de los neutrones.

Finalmente el 7 de febrero del año 1932, en un artículo publicado en la revista Nature, el físico británico James Chadwick, anuncia el descubrimiento de una nueva partícula nuclear; el neutrón.

Este descubrimiento haría posible el descubrimiento de la fisión atómica. En contraste con el núcleo de helio (partículas alfa) que está cargado positivamente y, por lo tanto, son repelidas por las fuerzas eléctricas del núcleo de los átomos pesados,la utilización de neutrones para la desintegración atómica no necesita sobrepasar ninguna barrera electrónica y es capaz de penetrar y dividir el núcleo de los elementos más pesados.

De esta forma, Chadwick allanó el camino hacia la fisión del uranio 235 y hacia la creación de la bomba atómica. Como reconocimiento por su descubrimiento, fue galardonado en 1932 con la medalla Hughes, concedida por la Royal Society «por sus estudios sobre la anormal dispersión de la luz» y, en 1935, con el Premio Nobel de física por el descubrimiento del neutrón.

Más tarde descubrió que un científico alemán había identificado al neutrón al mismo tiempo. Sin embargo, Hans Falkenhagen temía publicar sus resultados. Cuando Chadwick supo del descubrimiento de Falkenhagen le ofreció compartir el Premio Nobel. Falkenhagen, sin embargo, lo rechazó.

Desde 1946, fue asesor de la Comisión de la Energía Atómica de las Naciones Unidas.  

El neutrón es una partícula subatómica, un nucleón, sin carga neta, presente en el núcleo atómico de prácticamente todos los átomos, excepto el protio. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba.

Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos (885,7 ± 0,8 s); cada neutrón libre se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón. Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor.

El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos, a excepción del isótopo hidrógeno-1. La interacción nuclear fuerte es responsable de mantenerlos estables en los núcleos atómicos..