Las leyes científicas o leyes de la ciencia son declaraciones, basadas en experimentos u observaciones repetidas , que describen o predicen una variedad de fenómenos naturales . [1] El término ley tiene un uso diverso en muchos casos (aproximado, exacto, amplio o restringido) en todos los campos de las ciencias naturales ( física , química , astronomía , geociencia , biología ). Las leyes se desarrollan a partir de datos y pueden desarrollarse aún más a través de las matemáticas ; en todos los casos se basan directa o indirectamente en evidencia empírica . Generalmente se entiende que reflejan implícitamente, aunque no afirman explícitamente, relaciones causales fundamentales para la realidad, y que se descubren en lugar de inventarse. [2]
Las leyes científicas resumen los resultados de experimentos u observaciones, generalmente dentro de un cierto rango de aplicación. En general, la exactitud de una ley no cambia cuando se elabora una nueva teoría del fenómeno relevante, sino más bien el alcance de la aplicación de la ley, ya que las matemáticas o enunciados que representan la ley no cambian. Como ocurre con otros tipos de conocimiento científico, las leyes científicas no expresan una certeza absoluta, como lo hacen los teoremas o las identidades matemáticas . Una ley científica puede verse contradicha, restringida o ampliada por observaciones futuras.
Una ley a menudo puede formularse como uno o varios enunciados o ecuaciones , de modo que pueda predecir el resultado de un experimento. Las leyes se diferencian de las hipótesis y postulados , que se proponen durante el proceso científico antes y durante la validación mediante experimento y observación. Las hipótesis y los postulados no son leyes, ya que no han sido verificados en el mismo grado, aunque pueden conducir a la formulación de leyes. Las leyes tienen un alcance más limitado que las teorías científicas , que pueden implicar una o varias leyes. [3] La ciencia distingue una ley o teoría de los hechos. [4] Llamar hecho a una ley es ambiguo , una exageración o un equívoco . [5] La naturaleza de las leyes científicas ha sido muy discutida en filosofía , pero en esencia las leyes científicas son simplemente conclusiones empíricas alcanzadas por el método científico; no pretenden estar cargados de compromisos ontológicos ni de declaraciones de absolutos lógicos.
Una ley científica siempre se aplica a un sistema físico en condiciones repetidas e implica que existe una relación causal que involucra a los elementos del sistema. Declaraciones objetivas y bien confirmadas como "El mercurio es líquido a temperatura y presión estándar" se consideran demasiado específicas para calificarlas como leyes científicas. Un problema central en la filosofía de la ciencia , que se remonta a David Hume , es el de distinguir relaciones causales (como las implícitas en las leyes) de principios que surgen debido a una conjunción constante . [6]
Las leyes se diferencian de las teorías científicas en que no postulan un mecanismo o explicación de los fenómenos: son meras destilaciones de los resultados de observaciones repetidas. Como tal, la aplicabilidad de una ley se limita a circunstancias similares a las ya observadas, y se puede encontrar que la ley es falsa cuando se extrapola. La ley de Ohm sólo se aplica a redes lineales; La ley de gravitación universal de Newton sólo se aplica en campos gravitacionales débiles; las primeras leyes de la aerodinámica , como el principio de Bernoulli , no se aplican en el caso de flujo compresible como ocurre en los vuelos transónicos y supersónicos ; La ley de Hooke sólo se aplica a deformaciones por debajo del límite elástico ; La ley de Boyle se aplica con perfecta precisión sólo al gas ideal, etc. Estas leyes siguen siendo útiles, pero sólo bajo las condiciones específicas en las que se aplican.
Muchas leyes adoptan formas matemáticas y, por tanto, pueden expresarse como una ecuación; por ejemplo, la ley de conservación de la energía se puede escribir como , donde es la cantidad total de energía en el universo. De manera similar, la primera ley de la termodinámica se puede escribir como , y la segunda ley de Newton se puede escribir como Si bien estas leyes científicas explican lo que perciben nuestros sentidos, todavía son empíricas (adquiridas mediante observación o experimento científico) y, por lo tanto, no son como teoremas matemáticos que puede demostrarse puramente mediante matemáticas.
Al igual que las teorías y las hipótesis, las leyes hacen predicciones; específicamente, predicen que las nuevas observaciones se ajustarán a la ley dada. Las leyes pueden ser falsificadas si se encuentran en contradicción con nuevos datos.
Algunas leyes son sólo aproximaciones de otras leyes más generales y son buenas aproximaciones con un dominio restringido de aplicabilidad. Por ejemplo, la dinámica newtoniana (que se basa en transformaciones galileanas) es el límite de baja velocidad de la relatividad especial (ya que la transformación galileana es la aproximación de baja velocidad a la transformación de Lorentz). De manera similar, la ley de gravitación newtoniana es una aproximación de baja masa de la relatividad general, y la ley de Coulomb es una aproximación a la electrodinámica cuántica a grandes distancias (en comparación con el rango de interacciones débiles). En tales casos, es común utilizar las versiones más simples y aproximadas de las leyes, en lugar de las leyes generales más precisas.
Las leyes se prueban constantemente de forma experimental con grados cada vez mayores de precisión, lo cual es uno de los principales objetivos de la ciencia. El hecho de que nunca se haya observado que se violen leyes no impide probarlas con mayor precisión o en nuevos tipos de condiciones para confirmar si continúan vigentes o si se rompen, y qué se puede descubrir en el proceso. Siempre es posible que las leyes sean invalidadas o se demuestre que tienen limitaciones, mediante evidencia experimental repetible, en caso de que se respete alguna. De hecho, leyes bien establecidas han sido invalidadas en algunos casos especiales, pero las nuevas formulaciones creadas para explicar las discrepancias se generalizan sobre las originales, en lugar de derrocarlas. Es decir, se ha descubierto que las leyes invalidadas son sólo aproximaciones cercanas, a las que se deben agregar otros términos o factores para cubrir condiciones no contabilizadas previamente, por ejemplo, escalas de tiempo o espacio muy grandes o muy pequeñas, velocidades o masas enormes, etc. Por lo tanto, en lugar de un conocimiento inmutable, es mejor considerar las leyes físicas como una serie de generalizaciones mejoradas y más precisas.
Las leyes científicas suelen ser conclusiones basadas en experimentos y observaciones científicos repetidos durante muchos años y que han sido aceptadas universalmente dentro de la comunidad científica . Una ley científica se " infiere de hechos particulares, aplicables a un grupo o clase definida de fenómenos , y expresables mediante la afirmación de que un fenómeno particular siempre ocurre si ciertas condiciones están presentes". [7] La producción de una descripción resumida de nuestro entorno en forma de tales leyes es un objetivo fundamental de la ciencia .
Se han identificado varias propiedades generales de las leyes científicas, particularmente cuando se refieren a leyes de la física . Las leyes científicas son:
El término "derecho científico" se asocia tradicionalmente con las ciencias naturales , aunque las ciencias sociales también contienen leyes. [11] Por ejemplo, la ley de Zipf es una ley de las ciencias sociales que se basa en la estadística matemática . En estos casos, las leyes pueden describir tendencias generales o comportamientos esperados en lugar de ser absolutas.
En las ciencias naturales, las afirmaciones de imposibilidad llegan a ser ampliamente aceptadas como abrumadoramente probables en lugar de considerarse probadas hasta el punto de ser incuestionables. La base de esta fuerte aceptación es una combinación de evidencia extensa de que algo no ocurre, combinada con una teoría subyacente , muy exitosa en hacer predicciones, cuyos supuestos conducen lógicamente a la conclusión de que algo es imposible. Si bien una afirmación de imposibilidad en las ciencias naturales nunca puede probarse de manera absoluta, podría refutarse mediante la observación de un solo contraejemplo . Un contraejemplo así requeriría que se reexaminaran los supuestos subyacentes a la teoría que implicaba la imposibilidad.
Algunos ejemplos de imposibilidades ampliamente aceptadas en física son las máquinas de movimiento perpetuo , que violan la ley de conservación de la energía , superando la velocidad de la luz , lo que viola las implicaciones de la relatividad especial , el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica , que afirma la imposibilidad de conocer simultáneamente tanto la posición como el momento de una partícula, y el teorema de Bell : ninguna teoría física de variables locales ocultas podrá reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica.
Algunas leyes reflejan simetrías matemáticas encontradas en la naturaleza (por ejemplo, el principio de exclusión de Pauli refleja la identidad de los electrones, las leyes de conservación reflejan la homogeneidad del espacio , el tiempo y las transformaciones de Lorentz reflejan la simetría rotacional del espacio-tiempo ). Muchas leyes físicas fundamentales son consecuencias matemáticas de diversas simetrías del espacio, el tiempo u otros aspectos de la naturaleza. Específicamente, el teorema de Noether conecta algunas leyes de conservación con ciertas simetrías. Por ejemplo, la conservación de la energía es una consecuencia del cambio de simetría del tiempo (ningún momento del tiempo es diferente de otro), mientras que la conservación del impulso es una consecuencia de la simetría (homogeneidad) del espacio (ningún lugar en el espacio es especial, o diferente de cualquier otro). La indistinguibilidad de todas las partículas de cada tipo fundamental (por ejemplo, electrones o fotones) da como resultado las estadísticas cuánticas de Dirac y Bose , que a su vez dan como resultado el principio de exclusión de Pauli para los fermiones y la condensación de Bose-Einstein para los bosones . La relatividad especial utiliza la rapidez para expresar el movimiento según las simetrías de la rotación hiperbólica , una transformación que mezcla espacio y tiempo. La simetría entre la masa inercial y gravitacional da como resultado la relatividad general .
La ley del cuadrado inverso de las interacciones mediadas por bosones sin masa es la consecuencia matemática de la tridimensionalidad del espacio .
Una estrategia en la búsqueda de las leyes más fundamentales de la naturaleza es buscar el grupo de simetría matemática más general que pueda aplicarse a las interacciones fundamentales.
Las leyes de conservación son leyes fundamentales que se derivan de la homogeneidad del espacio, el tiempo y la fase , es decir, la simetría .
Las leyes de conservación se pueden expresar usando la ecuación de continuidad general (para una cantidad conservada) y se pueden escribir en forma diferencial como:
donde ρ es alguna cantidad por unidad de volumen, J es el flujo de esa cantidad (cambio en cantidad por unidad de tiempo por unidad de área). Intuitivamente, la divergencia (denotada ∇•) de un campo vectorial es una medida del flujo que diverge radialmente hacia afuera desde un punto, por lo que el negativo es la cantidad que se acumula en un punto; por lo tanto, la tasa de cambio de densidad en una región del espacio debe ser la cantidad de flujo que sale o se acumula en alguna región (consulte el artículo principal para obtener más detalles). En la siguiente tabla, se recopilan para comparar los flujos de diversas cantidades físicas en el transporte y sus ecuaciones de continuidad asociadas.
Las ecuaciones más generales son la ecuación de convección-difusión y la ecuación de transporte de Boltzmann , que tienen sus raíces en la ecuación de continuidad.
La mecánica clásica, incluidas las leyes de Newton , las ecuaciones de Lagrange , las ecuaciones de Hamilton , etc., se pueden derivar del siguiente principio:
¿ Dónde está la acción ? la integral del lagrangiano
del sistema físico entre dos tiempos t 1 y t 2 . La energía cinética del sistema es T (una función de la tasa de cambio de la configuración del sistema) y la energía potencial es V (una función de la configuración y su tasa de cambio). La configuración de un sistema que tiene N grados de libertad está definida por coordenadas generalizadas q = ( q 1 , q 2 , ... q N ).
Hay momentos generalizados conjugados a estas coordenadas, p = ( p 1 , p 2 , ..., p N ), donde:
Tanto la acción como el lagrangiano contienen la dinámica del sistema en todos los tiempos. El término "trayectoria" simplemente se refiere a una curva trazada por el sistema en términos de coordenadas generalizadas en el espacio de configuración , es decir, la curva q ( t ), parametrizada por el tiempo (ver también ecuación paramétrica para este concepto).
La acción es funcional más que una función , ya que depende del lagrangiano, y el lagrangiano depende del camino q ( t ), por lo que la acción depende de toda la "forma" del camino para todos los tiempos (en el intervalo de tiempo de t 1 a t 2 ). Entre dos instantes de tiempo hay infinitos caminos, pero uno para el cual la acción es estacionaria (de primer orden) es el verdadero camino. Se requiere el valor estacionario para todo el continuo de valores lagrangianos correspondientes a alguna trayectoria, no sólo a un valor del lagrangiano (en otras palabras, no es tan simple como "derivar una función y establecerla en cero, y luego resolver las ecuaciones para encontrar los puntos de máximos y mínimos, etc", más bien esta idea se aplica a toda la "forma" de la función, consulte cálculo de variaciones para obtener más detalles sobre este procedimiento). [12]
Observe que L no es la energía total E del sistema debido a la diferencia, en lugar de la suma:
Los siguientes [13] [14] enfoques generales de la mecánica clásica se resumen a continuación en el orden de establecimiento. Son formulaciones equivalentes. La de Newton se usa comúnmente debido a su simplicidad, pero las ecuaciones de Hamilton y Lagrange son más generales y su alcance puede extenderse a otras ramas de la física con las modificaciones adecuadas.
De lo anterior se puede derivar cualquier ecuación de movimiento en la mecánica clásica.
Se pueden derivar ecuaciones que describen el flujo de fluidos en diversas situaciones utilizando las ecuaciones de movimiento clásicas anteriores y, a menudo, la conservación de masa, energía y momento. A continuación se presentan algunos ejemplos elementales.
Algunas de las leyes de la naturaleza más famosas se encuentran en las teorías de la (ahora) mecánica clásica de Isaac Newton , presentadas en su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , y en la teoría de la relatividad de Albert Einstein .
Los dos postulados de la relatividad especial no son "leyes" en sí mismos, sino suposiciones de su naturaleza en términos de movimiento relativo .
Se pueden expresar como "las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales " y "la velocidad de la luz es constante y tiene el mismo valor en todos los sistemas inerciales".
Dichos postulados conducen a las transformaciones de Lorentz , la ley de transformación entre dos sistemas de referencia que se mueven uno respecto del otro. Para cualquier 4 vectores
esto reemplaza la ley de transformación de Galileo de la mecánica clásica. Las transformaciones de Lorentz se reducen a las transformaciones de Galileo para velocidades bajas mucho menores que la velocidad de la luz c .
Las magnitudes de los 4 vectores son invariantes, no "conservadas", pero son las mismas para todos los marcos inerciales (es decir, todos los observadores en un marco inercial estarán de acuerdo en el mismo valor), en particular si A es el momento de los cuatro , la magnitud puede derivar la famosa ecuación invariante para la conservación de masa-energía y momento (ver masa invariante ):
en el que la (más famosa) equivalencia masa-energía E = mc 2 es un caso especial.
La relatividad general se rige por las ecuaciones de campo de Einstein , que describen la curvatura del espacio-tiempo debido a la masa-energía equivalente al campo gravitacional. Resolviendo la ecuación de la geometría del espacio deformado debido a la distribución de masa se obtiene el tensor métrico . Utilizando la ecuación geodésica, se puede calcular el movimiento de masas que caen a lo largo de las geodésicas.
En un espacio-tiempo relativamente plano debido a campos gravitacionales débiles, se pueden encontrar análogos gravitacionales de las ecuaciones de Maxwell; las ecuaciones GEM , para describir un campo gravitomagnético análogo . Están bien establecidos por la teoría y las pruebas experimentales forman parte de investigaciones en curso. [15]
Las Leyes de Kepler, aunque se descubrieron originalmente a partir de observaciones planetarias (también debido a Tycho Brahe ), son válidas para cualquier fuerza central . [dieciséis]
Las ecuaciones de Maxwell dan la evolución temporal de los campos eléctrico y magnético debido a la carga eléctrica y las distribuciones de corriente . Dados los campos, la ley de fuerzas de Lorentz es la ecuación de movimiento de las cargas en los campos.
Estas ecuaciones pueden modificarse para incluir monopolos magnéticos y son consistentes con nuestras observaciones de monopolos existentes o no existentes; si no existen, las ecuaciones generalizadas se reducen a las anteriores; si existen, las ecuaciones se vuelven completamente simétricas en cargas y corrientes eléctricas y magnéticas. De hecho, existe una transformación de dualidad en la que las cargas eléctricas y magnéticas pueden "girarse entre sí" y aún así satisfacer las ecuaciones de Maxwell.
Estas leyes se encontraron antes de la formulación de las ecuaciones de Maxwell. No son fundamentales, ya que pueden derivarse de las ecuaciones de Maxwell. La ley de Coulomb se puede encontrar a partir de la ley de Gauss (forma electrostática) y la ley de Biot-Savart se puede deducir de la ley de Ampère (forma magnetostática). La ley de Lenz y la ley de Faraday se pueden incorporar a la ecuación de Maxwell-Faraday. No obstante, siguen siendo muy eficaces para cálculos sencillos.
Clásicamente, la óptica se basa en un principio variacional : la luz viaja de un punto del espacio a otro en el menor tiempo.
En óptica geométrica, las leyes se basan en aproximaciones de la geometría euclidiana (como la aproximación paraxial ).
En óptica física , las leyes se basan en las propiedades físicas de los materiales.
En realidad, las propiedades ópticas de la materia son mucho más complejas y requieren mecánica cuántica.
La mecánica cuántica tiene sus raíces en postulados . Esto conduce a resultados que normalmente no se denominan "leyes", pero que tienen el mismo estatus, en el sentido de que toda la mecánica cuántica se deriva de ellas. Estos postulados se pueden resumir de la siguiente manera:
Estos postulados, a su vez, implican muchos otros fenómenos, por ejemplo, los principios de incertidumbre y el principio de exclusión de Pauli .
Aplicando el electromagnetismo, la termodinámica y la mecánica cuántica a átomos y moléculas, algunas leyes de la radiación electromagnética y la luz son las siguientes.
Las leyes químicas son aquellas leyes de la naturaleza relevantes para la química . Históricamente, las observaciones condujeron a muchas leyes empíricas, aunque ahora se sabe que la química tiene sus fundamentos en la mecánica cuántica .
El concepto más fundamental en química es la ley de conservación de la masa , que establece que no hay cambios detectables en la cantidad de materia durante una reacción química ordinaria . La física moderna muestra que en realidad lo que se conserva es energía y que la energía y la masa están relacionadas ; un concepto que adquiere importancia en la química nuclear . La conservación de energía conduce a los importantes conceptos de equilibrio , termodinámica y cinética .
Otras leyes de la química profundizan en la ley de conservación de la masa. La ley de composición definida de Joseph Proust dice que las sustancias químicas puras están compuestas de elementos en una formulación definida; ahora sabemos que la disposición estructural de estos elementos también es importante.
La ley de proporciones múltiples de Dalton dice que estas sustancias químicas se presentarán en proporciones que son números enteros pequeños; aunque en muchos sistemas (notablemente biomacromoléculas y minerales ) las proporciones tienden a requerir números grandes y frecuentemente se representan como una fracción.
La ley de composición definida y la ley de proporciones múltiples son las dos primeras de las tres leyes de la estequiometría , las proporciones mediante las cuales los elementos químicos se combinan para formar compuestos químicos. La tercera ley de la estequiometría es la ley de proporciones recíprocas , que proporciona la base para establecer pesos equivalentes para cada elemento químico. Luego se pueden utilizar pesos equivalentes elementales para derivar pesos atómicos para cada elemento.
Las leyes de la química más modernas definen la relación entre la energía y sus transformaciones.
Si la selección natural es o no una “ley de la naturaleza” es un tema controvertido entre los biólogos. [17] [18] Henry Byerly , un filósofo estadounidense conocido por su trabajo sobre la teoría de la evolución, discutió el problema de interpretar un principio de selección natural como una ley. Sugirió una formulación de la selección natural como principio marco que puede contribuir a una mejor comprensión de la teoría de la evolución. [18] Su enfoque fue expresar la aptitud relativa , la propensión de un genotipo a aumentar en representación proporcional en un entorno competitivo, como una función de la adaptación (diseño adaptativo) del organismo.
Algunos teoremas y axiomas matemáticos se denominan leyes porque proporcionan una base lógica a las leyes empíricas.
Ejemplos de otros fenómenos observados a veces descritos como leyes incluyen la ley de posiciones planetarias de Titius-Bode , la ley de lingüística de Zipf y la ley de crecimiento tecnológico de Moore . Muchas de estas leyes caen dentro del ámbito de la ciencia incómoda . Otras leyes son pragmáticas y observacionales, como la ley de las consecuencias no deseadas . Por analogía, los principios de otros campos de estudio a veces se denominan vagamente "leyes". Estos incluyen la navaja de Occam como principio de filosofía y el principio de economía de Pareto .
La observación y detección de regularidades subyacentes en la naturaleza datan de tiempos prehistóricos : el reconocimiento de relaciones de causa y efecto reconoce implícitamente la existencia de leyes de la naturaleza. Sin embargo, el reconocimiento de tales regularidades como leyes científicas independientes per se estaba limitado por su implicación en el animismo y por la atribución de muchos efectos que no tienen causas fácilmente obvias (como los fenómenos físicos) a las acciones de dioses , espíritus, seres sobrenaturales , etc. La observación y la especulación sobre la naturaleza estaban íntimamente ligadas a la metafísica y la moral.
En Europa, la teorización sistemática sobre la naturaleza ( physis ) comenzó con los primeros filósofos y científicos griegos y continuó durante los períodos helenístico e imperial romano , épocas durante las cuales la influencia intelectual del derecho romano se volvió cada vez más primordial.
La fórmula "ley de la naturaleza" aparece por primera vez como "una metáfora viva" favorecida por los poetas latinos Lucrecio , Virgilio , Ovidio , Manilio , ganando con el tiempo una firme presencia teórica en los tratados en prosa de Séneca y Plinio . ¿Por qué este origen romano? Según la persuasiva narrativa de [el historiador y clasicista Daryn] Lehoux, [19] la idea fue posible gracias al papel fundamental de la ley codificada y los argumentos forenses en la vida y la cultura romanas.
Para los romanos. . . el lugar por excelencia donde se superponen la ética, el derecho, la naturaleza, la religión y la política es el tribunal de justicia . Cuando leemos las Preguntas naturales de Séneca y observamos una y otra vez cómo aplica los estándares de evidencia, evaluación de testigos, argumentos y pruebas, podemos reconocer que estamos leyendo a uno de los grandes retóricos romanos de la época, completamente inmerso en el método forense. Y no sólo Séneca. Los modelos legales de juicio científico aparecen por todas partes y, por ejemplo, resultan igualmente integrales para el enfoque de verificación de Ptolomeo , donde a la mente se le asigna el papel de magistrado, los sentidos el de revelar la evidencia y la razón dialéctica el de ley misma. [20]
La formulación precisa de lo que ahora se reconocen como declaraciones modernas y válidas de las leyes de la naturaleza data del siglo XVII en Europa, con el comienzo de la experimentación precisa y el desarrollo de formas avanzadas de matemáticas. Durante este período, filósofos naturales como Isaac Newton (1642-1727) fueron influenciados por una visión religiosa -derivada de conceptos medievales de la ley divina- que sostenía que Dios había instituido leyes físicas absolutas, universales e inmutables. [21] [22] En el capítulo 7 de El Mundo , René Descartes (1596-1650) describió la "naturaleza" como la materia misma, inmutable como creada por Dios, por lo que los cambios en las partes "deben atribuirse a la naturaleza. Las reglas según a las que tienen lugar estos cambios las llamo 'leyes de la naturaleza'". [23] El método científico moderno que tomó forma en esta época (con Francis Bacon (1561-1626) y Galileo (1564-1642)) contribuyó a una tendencia a separar la ciencia de la teología , con una mínima especulación sobre la metafísica y la ética. ( El derecho natural en el sentido político, concebido como universal (es decir, divorciado de la religión sectaria y de los accidentes de lugar), también fue elaborado en este período por eruditos como Grocio (1583-1645), Spinoza (1632-1677) y Hobbes. (1588-1679).)
La distinción entre ley natural en el sentido político-legal y ley de la naturaleza o ley física en el sentido científico es moderna, y ambos conceptos derivan igualmente de physis , la palabra griega (traducida al latín como natura ) para naturaleza . [24]
Isaac Newton obtuvo por primera vez la idea de leyes absolutas, universales, perfectas e inmutables de la doctrina cristiana de que Dios creó el mundo y lo ordenó de manera racional.
Individuos como Galileo, Johannes Kepler, René Descartes e Isaac Newton estaban convencidos de que las verdades matemáticas no eran producto de la mente humana, sino de la mente divina. Dios era la fuente de las relaciones matemáticas que eran evidentes en las nuevas leyes del universo.
