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La irrazonable eficacia de las matemáticas en las ciencias naturales

« La irrazonable eficacia de las matemáticas en las ciencias naturales » es un artículo de 1960 escrito por el físico Eugene Wigner , publicado en Communication in Pure and Applied Mathematics . [1] [2] En él, Wigner observa que la estructura matemática de una física teórica a menudo señala el camino hacia mayores avances en esa teoría y hacia predicciones empíricas . Las teorías matemáticas a menudo tienen poder predictivo para describir la naturaleza.

Observaciones y argumentos

Wigner sostiene que los conceptos matemáticos tienen una aplicabilidad que va mucho más allá del contexto en el que fueron desarrollados originalmente. Escribe: "Es importante señalar que la formulación matemática de la experiencia a menudo rudimentaria del físico conduce en un asombroso número de casos a una descripción asombrosamente precisa de una amplia clase de fenómenos". [3] Añade que la observación de que "las leyes de la naturaleza están escritas en el lenguaje de las matemáticas ", hecha correctamente por Galileo hace trescientos años, "es ahora más cierta que nunca".

El primer ejemplo de Wigner es la ley de la gravitación formulada por Isaac Newton . Originalmente utilizada para modelar cuerpos en caída libre sobre la superficie de la Tierra, esta ley fue extendida con base en lo que Wigner denomina "observaciones muy escasas" [3] para describir el movimiento de los planetas, donde "ha demostrado ser precisa más allá de todas las expectativas razonables". [4] Wigner dice que "Newton  ... notó que la parábola de la trayectoria de la roca arrojada sobre la Tierra y el círculo de la trayectoria de la Luna en el cielo son casos particulares del mismo objeto matemático de una elipse, y postuló la ley universal de la gravitación sobre la base de una única y, en ese momento, muy aproximada coincidencia numérica".

El segundo ejemplo de Wigner proviene de la mecánica cuántica : Max Born "observó que algunas reglas de cálculo, dadas por Heisenberg , eran formalmente idénticas a las reglas de cálculo con matrices, establecidas mucho tiempo antes por los matemáticos. Born, Jordan y Heisenberg propusieron entonces reemplazar por matrices las variables de posición y momento de las ecuaciones de la mecánica clásica. Aplicaron las reglas de la mecánica matricial a unos pocos problemas altamente idealizados y los resultados fueron bastante satisfactorios. Sin embargo, no había, en ese momento, ninguna evidencia racional de que su mecánica matricial resultara correcta en condiciones más realistas". Pero Wolfgang Pauli encontró que su trabajo describía con precisión el átomo de hidrógeno : "Esta aplicación dio resultados de acuerdo con la experiencia". El átomo de helio , con dos electrones, es más complejo, pero "no obstante, el cálculo del nivel de energía más bajo del helio, realizado hace unos meses por Kinoshita en Cornell y por Bazley en el Bureau of Standards, concuerda con los datos experimentales dentro de la precisión de las observaciones, que es de una parte en diez millones. Seguramente en este caso 'sacamos algo' de las ecuaciones que no habíamos incluido". Lo mismo es cierto para los espectros atómicos de los elementos más pesados.

El último ejemplo de Wigner proviene de la electrodinámica cuántica : "Mientras que la teoría de la gravitación de Newton todavía tenía conexiones obvias con la experiencia, la experiencia entró en la formulación de la mecánica matricial solo en la forma refinada o sublimada de las prescripciones de Heisenberg. La teoría cuántica del desplazamiento de Lamb , tal como la concibió Bethe y la estableció Schwinger , es una teoría puramente matemática y la única contribución directa del experimento fue mostrar la existencia de un efecto medible. La concordancia con el cálculo es mejor que una parte en mil".

Existen otros ejemplos además de los mencionados por Wigner. Otro ejemplo que se cita con frecuencia son las ecuaciones de Maxwell , derivadas para modelar los fenómenos eléctricos y magnéticos elementales conocidos a mediados del siglo XIX. Las ecuaciones también describen las ondas de radio, descubiertas por David Edward Hughes en 1879, cerca de la época de la muerte de James Clerk Maxwell .

Respuestas

Entre las respuestas que recibió la tesis se incluyen:

Richard Hamming

En 1980, el matemático y ganador del premio Turing, Richard Hamming , reflexionó sobre la Eficacia irrazonable de Wigner y la amplió , analizando cuatro "explicaciones parciales" [5] y concluyendo que no eran satisfactorias:

1. Los seres humanos ven lo que buscan . La creencia de que la ciencia se basa en la experimentación es sólo parcialmente cierta. Hamming ofrece cuatro ejemplos de fenómenos físicos no triviales que, según él, surgieron de las herramientas matemáticas empleadas y no de las propiedades intrínsecas de la realidad física.

Supongamos que un cuerpo que cae se rompe en dos pedazos. Por supuesto, los dos pedazos disminuirían inmediatamente su velocidad hasta alcanzar sus velocidades apropiadas. Pero supongamos además que un pedazo toca al otro. ¿Serían ahora una sola pieza y ambos acelerarían? Supongamos que ato los dos pedazos juntos. ¿Con qué fuerza debo hacerlo para que sean una sola pieza? ¿Con una cuerda ligera? ¿Con una soga? ¿Con pegamento? ¿Cuándo dos pedazos son una sola pieza? [12]

Sencillamente, no hay forma de que un cuerpo que cae pueda "responder" a esas "preguntas" hipotéticas. Por lo tanto, Galileo habría concluido que "los cuerpos que caen no necesitan saber nada si todos caen con la misma velocidad, a menos que otra fuerza interfiera con ellos". Después de proponer este argumento, Hamming encontró una discusión relacionada en Pólya (1963: 83-85). [13] El relato de Hamming no revela un conocimiento del debate académico del siglo XX sobre lo que hizo Galileo. [ Aclaración necesaria ]

2. Los seres humanos crean y seleccionan las matemáticas que se adaptan a una situación . Las matemáticas disponibles no siempre funcionan. Por ejemplo, cuando los simples escalares resultaron difíciles de entender para las fuerzas, primero se inventaron los vectores y luego los tensores .

3. Las matemáticas abordan sólo una parte de la experiencia humana . Gran parte de la experiencia humana no cae dentro del ámbito de la ciencia o las matemáticas, sino dentro de la filosofía del valor , que incluye la ética , la estética y la filosofía política . Afirmar que el mundo puede explicarse a través de las matemáticas equivale a un acto de fe.

4. La evolución ha preparado a los humanos para pensar matemáticamente . Las primeras formas de vida deben haber contenido las semillas de la capacidad humana para crear y seguir largas cadenas de razonamiento preciso.

Marca máxima

El físico Max Tegmark argumentó que la eficacia de las matemáticas para describir la realidad física externa se debe a que el mundo físico es una estructura matemática abstracta. [8] [15] Esta teoría, conocida como la hipótesis del universo matemático , refleja las ideas planteadas previamente por Peter Atkins . [16] Sin embargo, Tegmark afirma explícitamente que "la verdadera estructura matemática isomorfa a nuestro mundo, si existe, aún no se ha encontrado". Más bien, las teorías matemáticas en física son exitosas porque se aproximan a matemáticas más complejas y predictivas. Según Tegmark, "Nuestras teorías exitosas no son matemáticas que se aproximan a la física, sino matemáticas simples que se aproximan a matemáticas más complejas".

Ivor Grattan-Guinness

Ivor Grattan-Guinness consideró que la eficacia en cuestión era eminentemente razonable y explicable en términos de conceptos como analogía, generalización y metáfora. Subraya que Wigner ignora en gran medida "la eficacia de las ciencias naturales en las matemáticas, en el sentido de que gran parte de las matemáticas han sido motivadas por interpretaciones en las ciencias". [9] [ Aclaración necesaria ]

Michael Atiyah

Michael Atiyah cambió la situación con su ensayo "La irrazonable efectividad de la física en las matemáticas". Argumentó que las herramientas de la física permiten a un profesional como Edward Witten ir más allá de las matemáticas estándar, en particular la geometría de las 4-variedades . Las herramientas de un físico se citan como la teoría cuántica de campos , la relatividad especial , la teoría de calibre no abeliana , el espín , la quiralidad , la supersimetría y la dualidad electromagnética . [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ Wigner, EP (1960). «La irrazonable eficacia de las matemáticas en las ciencias naturales. Conferencia de Richard Courant sobre ciencias matemáticas dictada en la Universidad de Nueva York, 11 de mayo de 1959». Communications on Pure and Applied Mathematics . 13 (1): 1–14. Bibcode :1960CPAM...13....1W. doi :10.1002/cpa.3160130102. S2CID  6112252. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2021.
  2. ^ Nota: La mención de Wigner a Kellner y Hilleraas "... Jordan sintió que habríamos estado, al menos temporalmente, indefensos si hubiera ocurrido un desacuerdo inesperado en la teoría del átomo de helio. Esta fue, en ese momento, desarrollada por Kellner y por Hilleraas ..." se refiere a Georg W. Kellner ( Kellner, Georg W. (1927). "Die Ionisierungsspannung des Heliums nach der Schrödingerschen Theorie". Zeitschrift für Physik . 44 (1–2): 91–109. Bibcode :1927ZPhy...44...91K. doi :10.1007/BF01391720. S2CID  122213875.) y a Egil Hylleraas .
  3. ^ ab Wigner 1960, §¿Es realmente sorprendente el éxito de las teorías físicas? p. 8
  4. ^ Wigner 1960, pág. 9
  5. ^ ab Hamming, RW (1980). "La irrazonable eficacia de las matemáticas". The American Mathematical Monthly . 87 (2): 81–90. doi :10.2307/2321982. hdl : 10945/55827 . JSTOR  2321982. Archivado desde el original el 22 de junio de 2022 . Consultado el 30 de julio de 2021 .
  6. ^ Lesk, AM (2000). "La efectividad irrazonable de las matemáticas en la biología molecular". The Mathematical Intelligencer . 22 (2): 28–37. doi :10.1007/BF03025372. S2CID  120102813.
  7. ^ Halevy, A. ; Norvig, P. ; Pereira, F. (2009). "La efectividad irrazonable de los datos" (PDF) . IEEE Intelligent Systems . 24 (2): 8–12. doi :10.1109/MIS.2009.36. S2CID  14300215. Archivado (PDF) desde el original el 2022-08-09 . Consultado el 2015-09-04 .
  8. ^ ab Tegmark, Max (2008). "El universo matemático". Fundamentos de la física . 38 (2): 101–150. arXiv : 0704.0646 . Código Bibliográfico :2008FoPh...38..101T. doi :10.1007/s10701-007-9186-9. S2CID  9890455.
  9. ^ ab Grattan-Guinness, I. (2008). "Resolviendo el misterio de Wigner: La efectividad razonable (aunque quizás limitada) de las matemáticas en las ciencias naturales". The Mathematical Intelligencer . 30 (3): 7–17. doi :10.1007/BF02985373. S2CID  123174309.
  10. ^ Velupillai, KV (2005). "La ineficacia irrazonable de las matemáticas en economía". Cambridge Journal of Economics . 29 (6): 849–872. CiteSeerX 10.1.1.194.6586 . doi :10.1093/cje/bei084. 
  11. ^ "La eficacia irrazonable de las matemáticas - RW Hamming - Algunas explicaciones parciales". ned.ipac.caltech.edu . Consultado el 6 de enero de 2024 .
  12. ^ Van Helden, Albert (1995). "On Motion". El Proyecto Galileo . Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2017. Consultado el 16 de octubre de 2013 .
  13. ^ Pólya, George ; Bowden, Leon; School Mathematics Study Group (1963). Métodos matemáticos en la ciencia; un curso de conferencias . Estudios en matemáticas. Vol. 11. Stanford: School Mathematics Study Group. OCLC  227871299.
  14. ^ Folland, Gerald B.; Sitaram, Alladi (1997). "El principio de incertidumbre: un estudio matemático". Revista de análisis de Fourier y aplicaciones . 3 (3): 207–238. doi :10.1007/BF02649110. S2CID  121355943.
  15. ^ Tegmark, Max (2014). Nuestro universo matemático . Knopf. ISBN 978-0-307-59980-3.
  16. ^ Atkins, Peter (1992). La creación revisitada . WHFreeman. ISBN 978-0-7167-4500-6.
  17. ^ Atiyah, Michael (2002). "La irrazonable efectividad de la física en las matemáticas". En Fokas, AS (ed.). Lo más destacado de la física matemática . American Mathematical Society . págs. 25–38. ISBN 0-8218-3223-9.OCLC 50164838  .

Lectura adicional