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Sobre los modelos científicos como mediadores

26 de mayo de 2017

José Antonio Acevedo-Díaz
Inspector de Educación jubilado. Huelva, España
Resumen: En este documento de trabajo se trata con brevedad el papel de los modelos científicos como mediadores o intermediarios entre una teoría y el mundo real, el cual está relacionado con su carácter parcialmente autónomo respecto de ambos. Con ello, se espera contribuir a la mejora de la comprensión del funcionamiento de los modelos en la práctica científica. Asimismo, se incluyen varios ejemplos de modelos científicos para ilustrar la exposición.

Los modelos científicos no deberían contemplarse como derivados de una estructura teórica ya existente o como una simplificación de una teoría. Tampoco deberían ser considerados como teorías preliminares de la ciencia. Estos puntos de vista dan una descripción muy limitada del papel de los modelos en la investigación científica, además de que también puede ser inexacta en muchos casos. Los modelos científicos participan junto a los instrumentos de medida, experimentos, teorías y datos como uno de los ingredientes básicos de la práctica de la ciencia.

Como he señalado en otro lugar (Acevedo, 2017), una característica epistemológica central de los modelos científicos es su papel mediador entre una teoría y los datos empíricos, o si se prefiere entre una teoría y el mundo real 1; y de ahí su capacidad para intervenir sobre uno u otro, o ambos. Me ocuparé ahora de este rasgo porque es clave para la comprensión del funcionamiento de los modelos en la práctica científica. Para ello me basaré sobre todo en el estudio de Morrison y Morgan (1999) 2 , en el que se argumenta con profundidad que los modelos son instrumentos de investigación mediadores entre una teoría y el mundo porque funcionan en la actividad científica con cierta autonomía respecto a ambos. Los elementos que contribuyen a esta naturaleza parcialmente autónoma de los modelos se relacionan con su:

1) Construcción. Los modelos se construyen a partir de un conjunto de elementos de la realidad modelada y de la teoría; pero también de otros elementos externos, que les dotan de cierta independencia parcial respecto a la teoría y el mundo.

2) Funcionamiento. Los modelos son instrumentos que adoptan formas distintas (modelos teóricos, icónicos, matemáticos, analógicos, heurísticos, entre otros muchos más); y, sea cual sea el tipo de modelo que se considere, tienen funciones diversas relacionadas con su capacidad de intervención ya señalada. Como instrumentos son independientes del objeto sobre el que operan (teorías o el mundo), pero a la vez se relacionan con él de alguna manera, por lo que la autonomía solo puede ser parcial, tal y como se ha indicado antes. Los modelos también se utilizan a menudo como instrumentos para experimentar o explorar sobre teorías ya existentes; por ejemplo, un modelo se puede usar para corregir una teoría. Asimismo, hay modelos que funcionan directamente como instrumentos para experimentar.

3) Capacidad de representación. Esta competencia permite el funcionamiento instrumental de un modelo, y también nos enseña sobre lo que representa (una teoría o el mundo). Sin embargo, un modelo solo es una representación de una parte del objeto, y con frecuencia se necesita un conjunto de modelos, a veces inconsistentes entre sí, para dar cuenta de las diversas características y propiedades del objeto.

4) Papel en el aprendizaje. Los modelos pueden actuar como un instrumento potente de aprendizaje, pues son a la vez fuente y medio de conocimiento. El aprendizaje puede tener lugar en dos etapas del proceso: en la construcción del modelo y durante su uso, a las que habría que añadir durante su evaluación y revisión, la cual dota al modelo de un carácter dinámico y evolutivo. Cuando se construye un modelo se crea un tipo de estructura representativa, y se desarrolla el pensamiento científico. Asimismo, cuando se utiliza un modelo se aprende sobre lo que representa.

Ejemplos de modelos científicos

En lo que sigue se exponen varios ejemplos para ilustrar los cuatro elementos anteriores, señalándose en cursiva los principales aspectos recogidos en ellos. Los lectores pueden hacer lo mismo con otros ejemplos que les resulten más familiares o próximos a su especialidad.

1) El modelo del péndulo simple

Un péndulo se puede usar para medir la aceleración de la gravedad con una precisión de cuatro cifras significativas. Para ello, hay que elaborar un modelo ideal (péndulo simple) 3 que no se deriva de la teoría newtoniana por completo, ni representa con exactitud a un péndulo real, sino que se basa en un conjunto de decisiones de modelado que simplifican la matemática y la física de un péndulo real, idealizándolo. La teoría no proporciona un algoritmo a partir del cual construir el modelo y establecer todas las decisiones del modelado (autonomía). La modelización implica además simplificaciones y aproximaciones, que tienen que decidirse independientemente de los requisitos teóricos o de las condiciones de los datos. A partir de este modelo de péndulo ideal, se van haciendo correcciones para las diferentes fuerzas que actúan sobre las diversas partes del péndulo real. Una vez hechas estas, el modelo del péndulo es una aproximación razonable al sistema real (funcionamiento instrumental).

Aunque sea necesaria cierta autonomía, también tiene que existir alguna relación con la teoría. El modelo del péndulo ideal funciona como un modelo de la mecánica newtoniana que describe un movimiento armónico. El modelo representa ciertos tipos de movimiento que son descritos por la teoría y producidos por un péndulo real (capacidad de representación). En este sentido, también es un modelo del objeto físico. En resumen, el modelo del péndulo simple representa, en sus detalles, la teoría y el mundo (péndulo real), aunque sea parcialmente independiente de ambos, y funciona como un instrumento autónomo que permite hacer cálculos correctos en las mediciones para encontrar información sobre el mundo (la aceleración gravitatoria en un lugar).

2) Los modelos mecánicos del éter en el electromagnetismo

El éter era un medio imponderable e inobservable, pero rígido y elástico. La hipótesis de su existencia fue establecida en óptica (éter lumínico) por el físico holandés Huygens, contemporáneo de Newton. Esta idea quedó eclipsada en su época por la teoría corpuscular de la luz de Newton, hasta que fue retomada por algunos científicos del siglo XIX, como el inglés Young y el francés Fresnel. Thomson (Lord Kelvin) se basó en la óptica ondulatoria de Fresnel y su éter óptico para el desarrollo de sus modelos mecánicos del éter electromagnético. Los trabajos del físico holandés Lorentz provocaron posteriormente que se abandonara la búsqueda de un mecanismo newtoniano para el éter electromagnético, pues su modelo de éter inmóvil eliminaba cualquier intento de explicación mecánica del campo electromagnético (Acevedo, 2004). El experimento de Michelson y Morley puso fin a la hipótesis del éter poco después, a finales del siglo XIX.

Los modelos mecánicos del hipotético éter electromagnético, desarrollados por Thomson y FitzGerald durante la segunda mitad del siglo XIX, se usaron como sustitutos de experimentos reales sobre el éter, que eran imposibles de realizar. A partir de la publicación, en 1856, de su artículo Dynamical Illustrations of the Magnetic and Helicoidal Rotatory Effects of Transparent Bodies on Polarized Light, Thomson abandonó el uso de analogías heurísticas, sustituyéndolas por otras explicativas del mundo físico. Tal cambio se debió a su propósito de desarrollar un programa de investigación basado en teorías dinámicasde los fenómenos físicos, entendiendo por estas aquellas en las que las fuerzas que tienen su origen en un sistema físico se explican mediante movimientos de los componentes internos del propio sistema. Esta decisión le llevaría a construir y evaluar modelos mecánicos cartesianos del éter en el electromagnetismo durante más de tres décadas (Acevedo, 2004). Thomson tuvo, asimismo, una notable influencia en los trabajos de Maxwell del campo electromagnético 4 .

Los modelos del éter electromagnético proporcionaron una estructura mecánica que incorporó algunas propiedades mecánicas, conexiones y procesos supuestamente necesarios para la propagación de las ondas electromagnéticas. Como los modelos eran equivalentes a una representación del éter, su manipulación tenía el mismo estatus que un experimento y, si conseguía tener éxito, se consideraba que este era equivalente a una evidencia experimental de la existencia de las propiedades citadas antes. Con otras palabras, la manipulación de estos modelos equivalía a la del éter electromagnético y, en este sentido, funcionaron como instrumento de experimentación. De este modo, FitzGerald fue capaz de hacer correcciones a las ecuaciones de Maxwell mediante sus modelos mecánicos del éter electromagnético.

3) Los modelos del núcleo atómico

Existe una serie de modelos diferentes de la estructura del núcleo atómico para dar cuenta de los procesos nucleares, cada uno de los cuales es capaz de describir el núcleo de manera distinta e incompatible con los demás. Estos modelos solo representan una parte pequeña del comportamiento del núcleo atómico, y las representaciones que hacen de la estructura nuclear suelen ser poco exactas (e.g., ignorando ciertas propiedades de la mecánica cuántica). Así, el modelo de gota líquida es útil para describir e interpretar la producción de fisión nuclear y predecir la energía de ligadura de los núcleos, mientras que el modelo óptico sirve de base para la interpretación de experimentos de dispersión de alta energía.

El modelo de gota líquida, propuesto por primera vez por George Gamow en 1930 y desarrollado por Bohr en 1935, considera al núcleo como una “gota” de fluido nuclear incompresible, el cual estaría compuesto por nucleones (protones y neutrones) que permanecen unidos por la fuerza nuclear fuerte. El modelo no explica todas las propiedades del núcleo, pero sí su forma esférica. En cambio, el modelo óptico empleado para describir e interpretar las reacciones nucleares tiene su origen en la similitud que hay entre la difracción óptica de una onda plana por un disco opaco y la dispersión elástica nuclear. Cuando una onda plana de luz incide sobre un disco opaco con bordes bien definidos parte de la radiación es absorbida por el disco, mientras que otra parte genera un patrón de difracción como resultado del paso del haz de luz por las proximidades del disco. Análogamente, cuando un haz de núcleos incide sobre otro núcleo objetivo parte de las partículas del haz son absorbidas dando lugar a reacciones nucleares inelásticas, mientras que la otra parte genera un patrón de difracción correspondiente a la dispersión elástica nuclear.

Estos modelos no incorporan demasiados rasgos significativos del núcleo atómico (e.g., el tratamiento del núcleo por el modelo de la gota líquida se hace mediante la física clásica e ignora la estadística cuántica). Sin embargo, sirven para explorar las tecnologías citadas con éxito, y lo hacen de manera parcialmente independiente del conocimiento teórico existente.

4) El modelo de la estructura molecular del ADN

Algunos científicos son mejores como constructores de modelos, mientras que otros lo son como experimentalistas. Watson (2000) reconoció en todo momento que los modelos tridimensionales de Pauling 5 fueron su principal fuente de inspiración a la hora de decidir los tamaños, las formas y la disposición espacial de las subunidades que conforman la molécula del ADN. Por el contrario, Franklin y Wilkins no estaban convencidos de que este método pudiera resolver la estructura del ADN sin disponer previamente de datos radiológicos suficientemente claros para poder discutir las estructuras posibles.

En la elucidación de la estructura molecular del ADN, Rosalind Franklin investigó usando una metodología experimental cuidadosa, basada en la difracción de rayos X y un riguroso método analítico. Por el contrario, Watson y Crick lo hicieron de un modo más teórico, mediante la construcción de modelos. Durante el proceso de modelización que siguieron tuvieron inicialmente un gran fracaso, a finales de 1951. Los numerosos errores químicos y estructurales del primer modelo de tres hélices de Watson y Crick les fueron señalados por Rosalind Franklin y Gosling, tras una evaluación crítica del modelo 6. Sin embargo, el 28 de febrero de 1953, Watson y Crick consiguieron elucidar la estructura molecular de doble hélice del ADN, construyendo un modelo que respondía a toda la información que tenían disponible sobre el ADN. Como señala Giere (2002), la modelización física realizada por Watson y Crick resultó un sistema cognitivo más eficaz que el de radiografías y diagramas dibujados a mano por Rosalind Franklin. No obstante, es necesario recurrir a la historia real de este descubrimiento para conocer mejor los entresijos de por qué esto sucedió así. El lector interesado en la misma puede encontrar un relato detallado, aunque no demasiado largo (unas 5,500 palabras), en Acevedo-Díaz y García-Carmona, (2016, 2017).

El modelo de Watson y Crick no solo explicaba la estructura del ADN, sino que permitía hacer predicciones para encauzar investigaciones futuras: “No se nos escapa que el apareamiento específico que postulamos sugiere inmediatamente un mecanismo de copia para el material genético.” (Watson y Crick, 1953a: 737). Del apareamiento de las bases nitrogenadas de la molécula se deducía que la doble hélice del ADN podía hacer copias de sí misma; si se abría, cada una de las cadenas podía servir de molde para la síntesis de la cadena complementaria.

En otro artículo posterior, publicado en Nature en mayo del mismo año, Watson y Crick (1953b) resaltaron, con más firmeza aún, el valor de su modelo de la estructura molecular del ADN por sus consecuencias para el desarrollo de la genética:

Recientemente propusimos una estructura […] que, si es correcta, sugiere inmediatamente un mecanismo para su auto-duplicación […] Aunque la estructura no esté probada completamente hasta que se haya hecho una comparación más amplia con los datos de rayos X, tenemos suficiente confianza en su corrección general para discutir sus implicaciones genéticas. (Watson y Crick, 1953b: 965).

En 1957, Meselson y Stahl demostraron que la molécula de ADN era capaz de duplicarse a sí misma. Las dos cadenas que la forman pueden separase y cada una de ellas puede actuar como un patrón para la síntesis de la cadena complementaria. El resultado es la obtención de dos moléculas bihelicoidales idénticas, portadoras de una cadena de la molécula original y otra de nueva síntesis. Esto se conoce como replicación semi-conservativa del ADN. De este modo, la información genética puede transmitirse de generación en generación.

Este ejemplo del ADN ilustra bastante bien el aprendizaje con modelos científicos durante el proceso de construcción, evaluación y uso.

Referencias

Acevedo, J. A. (2004). El papel de las analogías en la creatividad de los científicos: La teoría del campo electromagnético de Maxwell como caso paradigmático de la Historia de las Ciencias. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 1(3), 187-204.
Acevedo-Díaz, J. A. (2017). Sobre modelos científicos. OEI, Divulgación y Cultura Científica Iberoamericana, 21-5-2017, Disponible en línea en http://www.oei.es/historico/divulgacioncientifica/?Sobre-modelos-cientificos.

Acevedo-Díaz, J. A. y García-Carmona, A. (2016). Rosalind Franklin y la estructura del ADN: un caso de historia de la ciencia para aprender sobre la naturaleza de la ciencia. Revista Científica, 27, 162-175.

Acevedo, J. A. y García-Carmona, A. (2017). Controversias en la historia de la ciencia y cultura científica. Madrid: Los Libros de la Catarata.

Giere, R. (1999). Using Models to Represent Reality. In L. Magnani, N. J. Nersessian, and P. Thagard (eds.), Model-Based Reasoning in Scientific Discovery. Dordrecht, The Netherlands: Springer.

Giere, R. N. (2002). Models as Parts of Distributed Cognitive Systems. In L. Magnani and N. J., Nersessian, and & P. Thagard (eds.), Model-based reasoning in scientific discovery (pp. 227-241). Dordrecht, The Netherlands: Springer.

Giere, R. N. (2004). How Models Are Used to Represented Reality. Philosophy of science, 71(5), 742-752.

Justi, R. (2006). La enseñanza de las ciencias basada en modelos. Enseñanza de las Ciencias, 24(2), 173-184.

Morrison, M. y Morgan, M. S. (1999). Models as mediating instruments. In M. S. Morgan and M. Morrison (eds.), Models as mediators: Perspectives on Natural and Social Science (pp. 10-37). Cambridge: Cambridge University Press.

Watson, J. D. (2000). La doble hélice. Madrid: Alianza.

Watson, J. D. y Crick, F. H. C. (1953a). A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, 171, 737-738.

Watson, J. D. y Crick, F. H. C. (1953b). Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature, 171, 964-967.

Notas

1 Como es obvio, esto solo es posible cuando se dispone de una teoría; en caso contrario, los modelos se consideran “sustitutivos” de la teoría (e.g., los modelos del cambio climático).

2 Este estudio ha sido citado con frecuencia, tanto por filósofos de la ciencia (e.g., Giere, 1999, 2004) como por educadores de ciencia (e.g., Justi, 2006).

3 El hilo de este péndulo ideal es inextensible y sin masa. El cuerpo suspendido es puntual. Asimismo, su movimiento es armónico simple para oscilaciones pequeñas; es decir, cuando la amplitud de la oscilación es igual al seno de la misma.

4 Véase Acevedo (2004) para un recorrido histórico, que muestra la creatividad de Maxwell, en los procesos de sus investigaciones sobre el campo electromagnético, razonamientos analógicos y modelos mecánicos del éter electromagnético.

5 Linus Pauling fue el gran impulsor del uso de la modelización en la elucidación de la estructura de moléculas químicas.

6 El propio Pauling propuso con Corey, hacia finales de 1952, otro modelo de tres hélices que resultó ser un completo fiasco. Los errores de este modelo sorprendieron a Watson y Crick, al comprobar que los “genios” también cometen graves errores.

Controversias en la historia de la ciencia y cultura científica

25 de mayo de 2017

José Antonio Acevedo-Díaz y Antonio García-Carmona
Los Libros de La Catarata /OEI. Serie Ensayos y Sociedad
Proyecto "Alta Divulgación" de la Cátedra CTS+I con el apoyo de la Consejería de Economía y Conocimiento de la Junta de Andalucía

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