Texto académico

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1. El enfoque científico y el átomo


Todo buen texto, le exigirá al lector investigar los términos o palabras incómodas en su significado. Desconocer algunas palabras no es ninguna debilidad de nuestro intelecto, es una señal de que estamos frente a conocimientos nuevos para nuestra persona. El lector es en cuanto a la honradez de investigados de todo aquello necesario para interpretar un texto. La investigación de palabras que no están en nuestro vocabulario con significado profundo, es una oportunidad de mirar con la semántica de la ciencia para lograr una visión panorámica de esta actividad de enorme importancia para nuestro tiempo. El vocabulario ordinario que usamos no tiene extensión o prolongación al rigor del lenguaje científico, es por ello, que le rogamos sea cauteloso e investigue todos los conceptos que el texto le exija para su interpretación más precisa.


La experiencia de la vida académica; desde preescolar, primaria, secundaria, bachillerato, licenciatura, maestría, doctorado, postdoctorado, está dibujada en términos intelectuales, es decir, el anhelo de entrenar a la mente en los diferentes estilos de pensamiento. En el espacio educativo, la ciencia, la ingeniería y el diseño, son en su aprendizaje un propósito académico. La academia es un espacio para la investigación lingüística aplicada al discurso objetivo, es decir,  el entrenamiento central de las necesidades comunicativas y prácticas de los individuos que justifican, demuestran, explican, calculan, observan, debaten, discuten, argumentan…, por lo tanto,  la competencia de investigación es central en este contexto de las áreas experimentales. 


Hacer ciencia, ingeniería y diseño, es ser competentes en la investigación, cuyos procesos intelectuales de revisión, argumentos de tesis, preguntas de investigación, planteamientos de problemas, hipótesis, métodos, evaluación de ensayos experimentales y discusión de resultados, son los principales procesos intelectuales involucrados en el quehacer académico. 


El aprendizaje en las asignaturas de las ciencias experimentales, es una rama de la lingüística aplicada, tanto del lenguaje natural (español, inglés), como del lenguaje artificial (matemáticas y lenguajes informáticos). El propósito educativo, practicar procesos racionales que logren concretar conocimiento sobre lo verdadero y sobre propiedades técnicas que reinventen la realidad. Esta lingüística aplicada es el dominio de cuerpos de cadenas de proposiciones, operadores discursivos (cadenas de razones) e inferencias de conclusión; por otro lado, son axiomas, teoremas y modelos matemáticos aplicados como instrumentos que emulan, controlan y manipulan la realidad con medios sintéticos (tecnológicos). 

Las ciencias experimentales, son un discurso que describe la estructura de la realidad objetiva, para ello, produce el texto académico que expresa la experiencia de su aprendizaje y el texto científico-técnico, donde este último, estructura el análisis del problema, los métodos, la técnica y comunicación de los contextos prácticos de sus hallazgos. 


Las ciencias experimentales se materializan en el espacio académico como la competencia de la lingüística aplicada a la adquisición, la difusión y la demostración de conocimiento. La responsabilidad de la educación es buscar las maneras de resolver las limitaciones de los aprendices en el manejo de la competencia de investigación; desarrollar formas de aprendizaje de inteligencia científica como un uso específico de la lengua, para ganar control racional sobre la exploración intelectual de la realidad objetiva. 


En la actualidad, la lingüística aplicada a las ciencias experimentales (LACE), abandonó la idea mecánica de entrenar la mente objetiva de los jóvenes  mediante la pura práctica en contextos locales y necesidades particulares útiles en sentido técnico. En otras palabras, que realice el aprendiz experimentos prácticos, no garantiza el éxito en la realización de experimentos intelectuales -experimentos mentales- necesarios para la actividad intelectual de la mente científica. 


El trabajo académico para formar la mente científica, no consiste en controlar errores de estilo de redacción, gramática o pulido de formatos de los textos escritos para este fin en el espacio académico. Esta actividad responde mayormente a los procesos rigurosos de razonamiento dentro de métodos de observación; a una escritura más compleja y altamente diversificada en las disciplinas del conocimiento de la ciencia, la técnica y el diseño. El aprendiz en esencia escribe una variada gama de documentos como modelos de entrenamiento del pensamiento (ensayo, revisión, síntesis, resumen, reseña, artículo, tesis, argumentarios, modelos, marcos conceptuales…, rúbricas del aprendizaje académico). Escribir, nos hace conscientes que en nuestro aprendizaje, la ciencia asume roles epistémicos en cuanto a la construcción de conocimiento riguroso y los valores epistémicos implicados en la actividad experimental, tales como: originalidad, profundidad, respeto a las ideas de otros, etc.


Mario Bunge define en este mismo sentido a la ciencia: “Es un estilo de pensamiento y de acción: precisamente el más reciente, el más universal y el más provechoso de todos los estilos. Como ante toda creación humana, tenemos que distinguir en la ciencia entre el trabajo (investigación) y su producto final (conocimiento). El proceso de investigación científica (el método científico) se ocupa de problemas que serán justificados, fundamentados y demostrados objetivamente en su rigor racional[1]”. La estrategia de investigación, es lo que solemos llamar método científico, cuya ruta cognitiva es:


Problema; Hipótesis; Ley; Teoría (contenido); Explicación/Predicción; Observación; Medición; Experimento; Conclusión.


La promesa de un mejor mundo


Aristóteles estaba convencido que todos deseamos saber sobre la naturaleza, la ciencia es esa clase de deseo profundo. Es decir, la promesa humana de un mejor mundo la llamaremos ciencia. Cada día los nuevos descubrimientos sobre la comprensión de la realidad, es la posibilidad de nuevas tecnologías que hacen sustentables nuestras vidas. Los más jóvenes se preguntan ¿De dónde viene la vida? ¿De dónde viene el orden de las cosas que nos rodean? ¿Cómo se organizan los átomos en la construcción de la realidad? ¿Cómo nuestro cerebro se hace consciente en su conjunto de neuronas? Son preguntas que despiertan deseos de conocer.


Nuevos elementos químicos, anticuerpos y fármacos sintéticos son avances que iluminan nuestro horizonte, nos expresan que la ciencia está creando lo no dado en la naturaleza. La ciencia es nuestra mejor arma contra los destinos caóticos. En lugar de sucumbir ante la hambruna, la enfermedad, los desastres naturales, el hombre de ciencia desarrolla vacunas, mejora la producción de alimentos, y ante la creciente población mundial, también la ciencia nos advierte sobre el impacto de la actividad humana en el medio ambiente. Los dinosaurios fueron exterminados por un meteorito, pero la ciencia nos da la oportunidad de actuar, rigiendo como nuestro mejor escudo contra futuros golpes directos sobre nuestra civilización, ya se está pensando como desviar el meteorito. 


La ciencia no solo es nuestra supervivencia, mejora nuestra calidad de vida. Nos hace capaces de comunicarnos a grandes distancias y explicar-aplicar con un acceso sin precedente a los conocimientos y datos generados por generaciones de científicos. Se han creado mundos virtuales capaces de fortalecer la ciencia, la democracia y la cultura. En el alcance de nuestros dedos podemos navegar guiados por GPS, disponer de una poderosa capacidad de cómputo, extender la longevidad humana.


El deseo de conocer está inscrito en nuestros genes y, provocando en la mente humana una sed de conocimiento para adaptarnos, transformar nuestro modo de vida, evolucionar en nuestras ideas para conocer los secretos mejor guardados por la naturaleza del universo. Así como Aristóteles en su libro Metafísica, nosotros proponemos estudiar a la ciencia, apoyados en la sed de entender cómo funciona el mundo, proponemos dimensionarlo como una necesidad humana básica.


Platón pensaba que la manera de descubrir lo real era simplemente dirigiendo la razón en ello. Sería una observación puramente intelectual, pero como en muchas otras cosas Platón se equivocó. Un opuesto extremo lo tomó Francis Bacon, reflexionó que la ciencia era puramente empírica. Era necesario realizar mediciones en experimentos para desenfocar prejuicios sobre la naturaleza y, con la evidencia, poco a poco se construiría la verdad evidente. Él también estaba equivocado. 


La verdad científica, como hemos aprendido durante los tres últimos siglos, es que el descubrimiento en la ciencia es imprescindible, depende de una interacción entre teoría y experimento para ser interpretados como verdaderos. Los experimentos no solo son necesarios para afirmar una teoría o refutarla, sino también para inspirar la teoría. 


Los científicos teóricos están interesados en armar rompecabezas mediante una teoría, a partir de procesar los descubrimientos experimentales. Pero muchos experimentos manifiestan la necesidad de una nueva teoría, que preserve los éxitos de la anterior y que dé respuesta a preguntas perfectamente razonables con los nuevos experimentos y sus hechos. Pero en otros casos, nos encontramos con rompecabezas dentro de las teorías que de acuerdo con todas sus observaciones, no hay contradicción interna en sus razonamientos, aunque son claramente insatisfactorias porque tienen demasiadas funciones arbitrarias. De hecho, tenemos una idea de este tipo, la teoría de las fuerzas nucleares fuertes (quarks juntos dentro de las partículas dentro del núcleo atómico) y las fuerzas nucleares débiles y las electromagnéticas.  La teoría, es conocida como modelo estándar, representa todo lo que podemos medir en nuestros laboratorios de partículas elementales y da respuesta perfectamente a los cálculos, sin embargo, esta teoría es insuficiente por sus características de suponer que para ser tal como es, se ajusta a los resultados de los experimentos. Por ejemplo, el modelo estándar tiene seis tipos de partículas llamadas quarks. ¿Por qué seis tipos? ¿Por qué no cuatro u ocho? No hay idea. ¿Por qué tienen las propiedades que tienen? El más pesado de los quarks es aproximadamente cien mil veces más pesado que el tipo más ligero. No sabemos de dónde proviene la diferencia de masas; los valores solo tienen origen en los experimentos. No hay nada inconsistente en todo esto: la teoría concuerda con la observación empírica, pero no tenemos claramente la respuesta final en el porqué de su arquitectura. Hay un elefante fuera de todo esto, se trata de la gravedad. 


Tenemos una buena teoría de la gravedad, dada por Einstein (relatividad general), que funciona muy bien con todo lo observado, a pesar de que la empujamos a resultados en energías extremas. Estas energías no pueden lograrse  en los laboratorios, pero podemos pensar en ellas cuando hacemos a la gravedad encajar en nuestros rompecabezas (mosaico de teorías). Desde los años 1970 el modelo estándar para explicar el átomo unificó las teorías de la fuerza débil, fuerte y electromagnética con demasiadas características arbitrarias, y con la teoría de la gravedad que no se logró extender a energías extremadamente altas. Estamos atascados porque no hay nuevos datos que nos desafíen al rompecabezas y que puedan alimentar nuestra imaginación más allá de este modelo estándar. Quizá necesitaremos de más complejos y sofisticados aceleradores de partículas en el futuro, además, se requiere de una revolución en las matemáticas con las que observamos a la realidad[2]. La primera partícula descubierta fue el electrón en 1897.


Jaume Navarro, autor del libro A History of the Electron. J.J. and G.P Thomson (Cambridge University Press, 2012), resumimos el viaje de este descubrimiento[3]:



Ya en 1851, Richard Laming especuló que el átomo era divisible, se componía de un núcleo de materia rodeado de unidades de carga eléctrica[4]. En 1855, Michael Faraday acuñaba los términos “ion”, “catión” y “anión” para designar las especies químicas con carga eléctrica que en una pila viajaban de un electrodo a otro a través de un medio líquido: los cationes hacia el cátodo, los aniones al ánodo. Fue el irlandés George Johnstone Stoney quien en 1874 propuso que existían en el átomo unidades elementales de electricidad, para las que en 1894 inventó la palabra “electrón” para describir los cambios. La palabra «electrón», que deriva del inglés, es una combinación de la palabra «electricidad» y del sufijo griego «patrón».


En 1876, el alemán Eugen Goldstein llamó “rayos catódicos” a esta misteriosa energía emitida por el cátodo de esos tubos. Y el químico inglés William Crookes, estudió las descargas eléctricas en un tubo de vacío, y descubrió que los rayos catódicos viajaban en línea recta, proyectaban sombras, calentaban objetos situados en su camino y se desviaban con campos magnéticos.

La partícula de Stoney la recogió J. J. Thomson (1856-1940), matemático del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Allí Thomson hacía pasar corrientes eléctricas por gases, elaborando modelos apoyados en la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell.


El 30 de abril de 1897, J.J. Thomson anuncia en la Royal Institution  que sus datos demuestran  la naturaleza corpuscular de los rayos catódicos (se tratan de partículas subatómicas llamadas electrones). Los rayos emitidos por un cátodo (o electrodo negativo) estaban compuestos por partículas de carga negativa. Su masa calculada era del orden de 1.000 veces menor que la de la unidad de carga más pequeña conocida entonces, el átomo de hidrógeno ionizado (H+). Fue difícil de creer, ya que estaba muy arraigada la idea de que un átomo era lo más pequeño en la materia.


Thomson descubre al electrón intentando “una comprensión de los mecanismos de interacción entre materia y electricidad”. Agrega Navarro, “la figura de Thomson no representa fundamentalmente al padre del electrón, sino el avance de las teorías de Maxwell y su papel en la física del cambio de siglo”. J.J. Thomson recibió el Nobel en 1906 por sus investigaciones en la conducción de la electricidad en tubos contenedores de gas.


Pero, en la era de la electrónica, para Navarro esta sería iniciada con el diseño del diodo en 1904 por el ingeniero estadounidense Lee de Forest. 


El hijo de Thomson, George Paget Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1937 por su trabajo en el descubrimiento de las propiedades de onda del electrón. Mientras que su padre, JJ Thomson, había podido demostrar la existencia del electrón, el hijo, GP Thomson, demostró que podía ser difractado como una onda, un descubrimiento que demuestra el principio de la dualidad onda-partícula, que se había planteado por primera vez por Louis-Victor de Broglie en 1924. El premio fue compartido con Clinton Joseph Davisson, quien hizo el mismo descubrimiento en los EE. UU. De forma independiente y siguiendo un camino de investigación bastante diferente.



El modelo atómico de Dalton 1807, basado en las leyes de proporciones constantes para explicar la variedad de sustancias, afirmó, los átomos son iguales para un mismo elemento, en reacciones químicas, los átomos los consideró indivisibles. 


El modelo atómico de Thomson 1904, incluyó su descubrimiento, el electrón y un núcleo, este último con el protón, con una masa 1836 veces mayor que la de un electrón (observado por primera vez por en los rayos catódicos por Eugen Goldstein en 1886) y un neutrón  sin carga neta (descubierto en 1932 por James Chadwick). La forma geométrica de este modelo de Thomson, consideró una esfera teórica con carga positiva al centro y una nube cargada negativa formada de electrones, la evidencia presentada se basó en los datos de los tubos de rayos catódicos. 


El 7 de marzo de 1911, Ernest Rutherford anunció el descubrimiento de la existencia del núcleo atómico, basando su conclusión en la dispersión de partículas alfa en grandes ángulos al paso por una lámina de oro, identificando la carga positiva y deduciendo que la masa del átomo estaba en el núcleo del mismo. En este modelo, en el centro se concentra la masa y la carga positiva y en lo extra nuclear, una nube de electrones con carga negativa. 


El descubrimiento del núcleo fue esencial para una cadena de acontecimientos, Niels Bohr en 1913, Luis de Broglie, Erwin Schrödinger a Werner Heisenberg que condujeron a la mecánica cuántica que en términos modernos explica al átomo actual. Bohr en su modelo explica que los electrones tienen órbitas estables alrededor del núcleo, dado por la evidencia de espectros de emisión y absorción discretos (observados en gases), además, agrega la idea del efecto fotoeléctrico explicado por Albert Einstein. Bohr se basó en el modelo de Thomson. 


El modelo de Bohr funcionaba bien para el hidrógeno, pero para el resto de los elementos se revelaba un error. En 1916 Sommerfield presentó su modelo que básicamente es una generalización relativista del modelo de Bohr. Sommerfeld introdujo orbitales elípticos para los electrones y velocidades relativistas, además, que el núcleo y el electrón no están inmóviles, sino que giran sobre el centro de masa del átomo. Introduce el número cuántico azimutal (l), que define  la forma del orbital. 


En 1926 se introduce el modelo atómico de Schrödinger, modelando al electrón como ondas de materia, predice líneas de emisión espectral tanto para átomos neutros como ionizados, además predice modificaciones a los niveles de energía con la presencia de campos magnéticos y eléctricos. Este modelo explica el enlace químico como interacción con otros átomos y la estabilidad de moléculas. Pero Schrödinger no describe tal núcleo atómico y su estabilidad.


Entre el modelo de Schrödinger y el modelo de Dirac (1928) es que este último emplea  la ecuación relativista para su función de onda. Aparece en el modelo de Dirac, el cuarto parámetro, con característica cuántica, denominado S, además de los ya conocidos N, L y M. Da una descripción de las partículas elementales de espín ½, como el electrón, y es completamente consistente con los principios de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad especial.



[1] Bunge, M. (2018). La Investigación Cientifica: su estrategia y su Filosofia, por Mario Bunge. en Español. [LARGE PRINT. ReImaged for Clarity. Student Loose Leaf Facsimile Edition IN SPANISH.]. un.Problema

[2]Altarelli, G., & Wells, J. (2017). Collider Physics within the Standard Model: A Primer (Lecture Notes in Physics Book 937)., 188.

[3] Navarro, J. (2012). A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson (1 ed.). Cambridge University Press.

[4] Buchwald, J. Z., & Warwick, A. (2004). Histories of the Electron: The Birth of Microphysics (Dibner Institute Studies in the History of Science and Technology)., 510.