¿Ciencias de la naturaleza?

Presentación del tema: "¿Ciencias de la naturaleza?"— Transcripción de la presentación:

1 ¿Ciencias de la naturaleza?
Hasta bien entrado el siglo XIX, la mayor parte de los descubrimientos matemáticos estaban motivados, fundamentalmente, por la necesidad de obtener nuevas herramientas que permitieran modelizar y describir con mayor precisión los fenómenos de la Naturaleza. A finales del siglo XIX, la idea que los matemáticos tenían de su Ciencia cambió de forma radical como consecuencia de la invención de las geometrías no euclídeas por Janos Bolyai ( ) y Nikolai Lobachcvsky ( ). Con la aparición de estas nuevas geometrías , se han ido introduciendo en matemáticas nuevos conceptos y desarrollos que no tienen una contrapartida inmediata en el mundo real. A partir de entonces, la definición usual de las matemáticas como la ciencia de la Naturaleza que estudia la cantidad y la forma no parece adecuada. Algunos piensan que la matemática, desde ese momento, será la ciencia que obtiene conclusiones lógicas de sistemas axiomáticos. Ciencia puramente deductiva.

2 A pesar de todo Bien es verdad que muchos de esos desarrollos puramente deductivos han resultado a la postre decisivos para la elaboración de nuevas teorías sobre distintos aspectos de la Naturaleza: La geometría Riemaniana, desarrollada en la segunda mitad del siglo XIX, es fundamental para la formulación por Einstein de la teoría general de la Relatividad en Los espacios de Hilbert, introducidos y estudiados a partir de 1906, son la base de la formulación de la Mecánica Cuántica por J. von Neumann 39, que permitió unificar los formalismos ondulatorio y matricial existentes. El estudio de los conjuntos convexos en el espacio n-dimensional iniciado a principios del siglo XX, es la base de la formulación axiomática de la teoría del equilibrio económico que valió el Premio Nobel en Economía de 1983 a G. Debreu.

3 A pesar de todo La teoría de ondas de choque necesaria para la construcción de los primeros reactores nucleares en los años 1940, estaba prácticamente desarrollada en un libro publicado ¡en 1903! Ejemplos de estas matemáticas prefabricadas, en palabras de S. Bochner ( ), se encuentran por doquier, El papel de la matemática como herramienta y lenguaje de la ciencia en general, sigue siendo fundamental en el desarrollo de nuevas teorías. En palabras del Premio Nobel de Física de 1963 , E. P. Wigner ( ), en su famoso artículo La irrazonable efectividad de las matemáticas en las Ciencias Naturales, El milagro de la adecuación del lenguaje de las matemáticas para la formulación de las leyes físicas es un don maravilloso que ni entendemos ni merecemos. Deberíamos estar agradecidos por ello, con la esperanza de que continúe siendo válido en el futuro y que se extienda […] a otras ramas del conocimiento.

4 D. Hilbert (1862, Könisgberg - 1943, gotinga)
Matemático alemán, reconocido como uno de los más influyentes del siglo XIX y principios del XX Estableció su reputación como gran matemático y científico desarrollando un gran abanico de ideas:

5 Problemas propuestos Hilbert conformó una lista de 23 problemas matemáticos para la conferencia en París del Congreso Internacional de Matemáticos de 1900. Los problemas estaban todos por resolver en aquel momento, y varios resultaron ser muy influyentes en la matemática del siglo XX. Ningún otro conjunto tan variado de problemas o conjeturas ha tenido un efecto comparable en el desarrollo del tema y obtenido una fracción importante de su celebridad. Los problemas se estudiaron con gran atención; y la resolución de cada uno labró reputaciones. Sugiere algunos programas de investigación y algunas direcciones por seguir sin fin concreto. Hilbert presentó diez de los problemas (1, 2, 6, 7, 8, 13, 16, 19, 21 y 22) en la conferencia, en un acto el 8 de agosto en La Sorbona. La lista completa se publicó más adelante.

6 Algunos de esos Problemas
1.erLa hipótesis del continuo  (Se ha probado la imposibilidad de probarlo como cierto o falso). 3 Dados dos poliedros de igual volumen, ¿es siempre posible cortar el primero en una cantidad finita de piezas poliédricas que puedan ser ensambladas de modo que quede armado el segundo? Resuelto. Resultado: no, 4ºConstruir todas las métricas cuyas rectas sean geodésicas. Demasiado vago para decidir si se ha resuelto o no. 7º ¿Es a b trascendental, siendo a ≠0,1 algebraico y b irracional algebraico?Resuelto. Resultado: sí, ilustrado por el teorema de Gelfond.

7 Problemas 8ºLa hipótesis de Riemann (la parte real de cualquier cero notrivial de la función zeta de Riemann es ½) y la conjetura de Goldbach(cada número par mayor que 2 se puede escribir como la suma de dos números primos).Sin solución 18º¿Existe un poliedro irregular y que construya otros poliedros? ¿Cual es el apilamiento compacto más denso?Resuelto. .20º¿Tienen solución todos los problemas variacionales con ciertas condiciones de contorno? Resuelto. Ha supuesto un área importante de investigación durante el siglo XX, culminando con las soluciones al caso no lineal. 23.erExtensión de los métodos del cálculo de variaciones .Sin resolver.

8 Problemas propuestos De los problemas de Hilbert claramente formulados, los problemas 3, 7, 10, 11, 13, 14, 17, 19 y 20 tienen una solución aceptada por consenso. Por otro lado, los problemas 1, 2, 5, 9, 15, 18*, 21 y 22 tienen soluciones de aceptación parcial, pero existe cierta controversia al respecto de si la solución resuelve realmente el problema. El * en el 18 indica que la solución a la ecuación de Kepler es una demostración asistida por computadora, una noción anacrónica para un problema de Hilbert y controvertida hasta cierto punto debido a que un lector humano no puede verificarla en tiempo razonable. Esto deja sin resolver el 8 (la hipótesis de Riemann) y el 12, ambos dentro de la teoría de números. En esta clasificación los 4, 6 y 16 son demasiado vagos como para que algún día se les pueda declarar resueltos. .

9 D. Hilbert Entre sus ideas podemos destacar: La teoría de invariantes
La axiomatización de la geometría (sustituye los axiomas de Euclides tradicionales por un conjunto formal de 20 axiomas (originalmente 21). Algunas partes significativas de la mecánica cuántica y la relatividad general Adoptó y defendió vivamente la teoría de conjuntos y los números transfinitos de Cantor. La resolución de ciertas ecuaciones integrales Uno de los fundadores de la teoría de la demostración, la lógica matemática y la distinción entre matemática y metamatemática. En definitiva, perseguía los objetivos de una formalización de todas las matemáticas: Integridad, Consistencia, Conservación y Decidibilidad.

10 Ecuaciones integrales
En 1909 D. Hilbert se dedicó al estudio de ecuaciones diferenciales e integrales; su trabajo tuvo consecuencias decisivas. En ciertos casos, de existir solución de una ecuación integral en un cierto espacio vectorial V de dimensión infinita, ésta coincide con el valor “mínimo” de un cierto operador lineal T:V ……..>R (Principio de G. Dirichlet ) . La pregunta es pues si tal punto crítico existe en dich0 espacio V. La respuesta en general es no, como ya hizo notar K. Weierstrass

11 Estrategia general D. Hilbert se encontró con esta situación de desencanto con el Principio de G. Dirichlet a principios de siglo XX. Su genialidad consistió en proponer una ampliación del conjunto donde buscar los extremos (soluciones) que por supuesto ha de contener al conjunto V. Pero, ¿cómo agrandar? Es obvio que los nuevos elementos (funciones) habrían de ser menos regulares. La idea exigía que el conjunto sobre el que hemos de trabajar (que por supuesto debe contener al de partida V) ha de tener suficiente riqueza geométrica, para que nos asegure la existencia de estos extremos. La riqueza geométrica está inspirada en los espacios euclídeos R^2 y R^3, donde se sabe encontrar las mejores aproximaciones de un punto a una recta o a un plano. Hilbert suministra las herramientas geométricas necesarias sobre espacio en el que los puntos (los cuales son ahora funciones). Introdujo así el concepto de espacio euclídeo de dimensión infinita, llamado más tarde espacio de Hilbert y muestra como las ecuaciones integrales son en realidad un sistema de “infinitas ecuaciones lineales con infinitas incógnitas”.

12 En este caso ||x||=√<x , x> es una norma sobre X
Un espacio prehilbertiano es un espacio vectorial X en el que se tiene definido un producto escalar, es decir, una aplicación <.,.>: X x X→ K que verifica las siguientes propiedades: 1) <x , x> ≥ 0, ∀x∊X 2) <y , x> = (conjugado*) (<x , y>), ∀x,y ∊ X 3) < α x+ β y , z>= α <x , z> + β <y , z>, ∀x,y,z ∊ X,α,β ∊K 4) <x , x>=0 sii x=0 En este caso ||x||=√<x , x> es una norma sobre X

13 Si el espacio prehilbertiano es
completo para la norma definida sobre X, es decir, si toda sucesión de Cauchy en X es convergente en X, se dice que X es un espacio de Hilbert. El concepto de espacio de Hilbert es una generalización del concepto de espacio euclídeo. Este hecho permite extrapolar nociones desde los espacios de dimensión finita a espacios de dimensión infinita.

14 Análisis Funcional Los espacios de Hilbert constituyen el germen para la posterior aparición de los espacios de Banach y han constituido uno de los motores fundamentales en el desarrollo del análisis funcional. El espíritu que dio lugar al Análisis funcional queda muy bien reflejado en las siguientes palabras atribuidas a S. Banach “ …el objetivo (…) es demostrar algunos teoremas que son ciertos para diferentes espacios funcionales. En lugar de probar los resultados para cada espacio particular, he optado por un enfoque diferente: considero en general un conjunto de elementos abstractos, para los que postulo una serie de propiedades y demuestro los teoremas para esos conjuntos. Entonces pruebo que los distintos espacios funcionales particulares en los que estoy interesado satisfacen los axiomas postulados” (Tesis doctoral de S. Banach 1920)

15 Intento D. Hilbert propuso un programa para dar una demostración de la consistencia de las matemáticas. En sus propias palabras: “Mis investigaciones acerca de los nuevos fundamentos de las matemáticas tienen como propósito eliminar de manera definitiva cualquier duda en relación a la confiabilidad de la inferencia matemática.[…] Una solución completa de estas dificultades requiere de una teoría cuyo objeto de estudio sea la demostración matemática misma…”¿En donde podríamos buscar la certeza y la verdad si el pensamiento matemático mismo falla?[…] Así pues, lo que propone Hilbert con su Teoría de la Demostración es “dar una base firme y segura a las matemáticas […] que se convierten así en una especie de tribunal de suprema instancia para la evaluación y resolución de cuestiones de principio.”

16 Pues va a ser que no Pero K. Gödel ( ) en su artículo “Sobre proposiciones formalmente indecidibles de Principia Matemática y sistemas afines, I” demolía el programa de Hilbert al mostrar que todo sistema formal [en el sentido del Programa de Hilbert] consistente y que contenga a la aritmética, es necesariamente incompleto, es decir, existen enunciados aritméticos verdaderos que no pueden ser probados en el sistema. El artículo provocó una verdadera conmoción en la comunidad matemática, al mostrar que existe una limitación intrínseca en el método axiomático-deductivo. Los resultados de Gödel supusieron el golpe de gracia para el Programa de Hilbert y un tremendo aldabonazo sobre las limitaciones del método axiomático y la naturaleza del propio mecanismo de razonamiento de los seres humanos

17 ¿Ciencias exactas? ¿Qué tienen que ver el misterio y las paradojas con el reino del rigor y exactitud que se supone son las Matemáticas? Lo cierto es que las paradojas han aparecido con profusión en las Matemáticas, y han jugado un papel decisivo en su desarrollo. Los intentos de resolver o evitar una determinada paradoja han supuesto, cuanto menos, una mayor comprensión del problema estudiado. La confrontación entre el resultado obtenido y lo que uno esperaba, produce siempre un efecto de sorpresa y es un toque de atención que nos induce a reflexionar. Y es este efecto dinamizador de la crítica y la reflexión lo que hace tan importante el valor de las paradojas en el desarrollo de la Ciencia en general y de las Matemáticas en particular.

18 Intentos En 1908 E. Zermelo publicó su sistema axiomático (que incluía el Axioma de Elección), desarrollado y mejorado posteriormente por A. Fraenkel ( ), dando origen a lo que se conoce como Axiomática de Zermelo-Fraenkel o ZF, que es la que se utiliza habitualmente en la actualidad (con o sin el axioma de elección). El sistema ZF evita las paradojas al restringir los tipos de conjuntos admisibles, aunque incluye entre ellos los suficientes para el desarrollo de las matemáticas usuales. Posteriormente, J. Von Neumann propuso algunas variaciones, haciendo distinción entre clases y conjuntos (que son clases que, a su vez, son miembros de otra clase). Como señaló J. Neumann, la contradicción puede aparecer no por la introducción de las clases, sino por considerarlas miembros de otras clases.

19 Bueno, pero cuidado La axiomática ZF, como hemos dicho, resulta adecuada para el desarrollo de las matemáticas usuales y evita las paradojas conocidas. Por otro lado, la axiomática presupone la lógica subyacente (con las dificultades a que podría dar origen un desarrollo sistemático de la misma) pero.. . incluye un axioma de existencia de conjuntos infinitos, lo que provocó en su momento ciertas reacciones en contra. Además, su consistencia no ha sido demostrada. Como observó agudamente Poincaré, “hemos puesto una cerca para proteger al rebaño de los lobos, pero no sabemos si hemos dejado algunos lobos dentro de la cerca.” Es decir, nadie nos garantiza que no podamos encontrar nuevas paradojas en el futuro.

20 ¿Ciencias exactas? El capítulo titulado “Paradoja perdida y paradoja recuperada” del libro clásico E. Kausner y J. Newman comienza así: “Quizá la mayor de todas las paradojas es que haya paradojas en la matemática. No nos sorprende descubrir inconsistencias en las ciencias experimentales… Verdaderamente, el testamento de la ciencia está situado en un fluir tan continuo que la herejía de ayer es el evangelio de hoy y el fundamentalismo de mañana…. Sin embargo, como la matemática se construye sobre lo viejo, pero no lo descarta, como sus teoremas se deducen de postulados con los métodos de la lógica, no sospechamos, a pesar de haber sufrido cambios revolucionarios, que sea una disciplina capaz de engendrar paradojas.”

21 ¿Ciencias Exactas? La crisis sobre los fundamentos de las matemáticas junto con los resultados espectaculares de Gödel y sus continuadores así como la proliferación de paradojas han provocado una cierta sensación de desconcierto entre los matemáticos, al tener que renunciar al carácter de irrefutable del que gozaba su Ciencia. Paradojas como la de Banach-Tarski ponen claramente en evidencia lo que debiera resultar obvio: las matemáticas son el lenguaje idóneo para modelizar y describir la Naturaleza, pero el modelo no es la realidad. un teorema que afirma que es posible dividir una esfera (llena) de radio 1 en ocho partes disjuntas dos a dos, de modo que, aplicando movimientos oportunos a cinco de ellas, obtengamos nuevos conjuntos que constituyan una partición de una esfera (llena) de radio 1, y lo mismo ocurra con las tres partes restantes.1 es posible fabricar un rompecabezas tridimensional de un total de ocho piezas, las cuales, combinadas de una determinada manera, formarían una esfera completa y rellena (sin agujeros) y, combinadas de otra manera, formarían dos esferas rellenas (sin agujeros) del mismo radio que la primera.1

22 ¿Qué hacemos? No obstante lo que estaba cayendo, la actitud oficial predominante en la manera de exponer y presentar las matemáticas a mediados del siglo XX fue el método axiomático-deductivo. Hay diversas razones para ello. 1.- Por un lado, su conexión con el positivismo lógico, la corriente dominante en la filosofía de la ciencia en esa época. 2.- Por otro lado, la influencia del grupo colectivo autodenominado N. Bourbaki y la publicación de su monumental obra Éléments de Matematique, paradigma de la exposición formalista de las matemática. 3.- Tampoco es desdeñable la sensación de seguridad que proporciona el sentirse dentro de unos límites “seguros”. 4.- Y, por qué no, también una cierta componente estética. La influencia formalista llegó incluso a invadir las escuelas primarias, con el nombre de Matemática Moderna.

23 Vuelven los infinitésimos
En 1960 , el lógico Abraham Robinson ( ) construyó un sistema numérico: Los hiperreales. Cuerpo totalmente ordenado no arquimediano, que contiene una copia de los números reales y en el que hay números infinitamente pequeños y números infinitamente grandes. Las técnicas desarrolladas por Robinson se conocen con el nombre de Análisis No Estándar. Dichas técnicas permiten probar los resultados fundamentales del Cálculo de forma intuitiva y directa al estilo de Newton y Leibniz.

24 Nuevos cambios Pero a partir de 1970, la situación fue cambiando. Las nuevas exigencias de la tecnología, la economía y la creciente influencia de los computadores y la transmisión de la información, hizo que renaciera el interés por áreas inactivas durante mucho tiempo o surgieran nuevos campos de investigación en matemáticas, sobre todo relacionados con la computación, modelización y simulación o el estudio del azar. Temas como los procesos estocásticos, los fractales, las ondículas, la teoría de códigos, los sistemas dinámicos, las técnicas combinatorias, etc., despiertan un interés creciente entre los investigadores. En estos campos, además de los métodos deductivos tradicionales, toma cada vez más importancia el uso del ordenador, no sólo para conjeturar resultados, sino como instrumento esencial para obtenerlos. En el interesante artículo [D. Dalmedico] el autor contrapone el término estructura, omnipresente en la matemática de los años 1960, con el de modelo, empleado sistemáticamente en una parte importante de la matemática actual.

25 Trabajamos a dos niveles
En el Congreso Internacional de Matemáticas celebrado en Berlín en 1998, D. Mumford formuló la vieja polémica entre matemática pura y aplicada en términos de “matemáticos que demuestran teoremas versus los que construyen modelos” . En todo caso, parece cierto que, dado un sistema formal, la lógica de primer orden debe conducir a resultados absolutamente correctos. Pero la matemática real (matemática informal de Lakatos), la que hacen los matemáticos en su quehacer diario, jamás se escribe en lenguaje formalizado. Las demostraciones son establecidas por consenso de los cualificados. Incluso cuando surgen diferencias de opinión entre los expertos, las dudas de resuelven por la comunicación y la explicación, nunca por la transcripción de la demostración al cálculo de predicados de primer orden (cosa, por otro lado, prácticamente imposible).

26 ¿Rigor o intuición? ...Una demostración en matemáticas no es más que una comprobación de los productos de nuestra intuición. Obviamente, no poseemos, y probablemente nunca tendremos, un estándar de demostración que sea independiente del tiempo, de lo que queramos probar o de la persona o escuela de pensamiento que lo emplee… Lo sensato parece que es admitir que no existe tal cosa como la verdad absoluta en matemáticas […] Nuestra intuición sugiere ciertos resultados [...] que comprobamos por lo que llamamos una demostración. ([R. Wilder]) Si quiere usted que las matemáticas tengan sentido, ha de abandonar usted la certeza. Si quiere usted certeza, elimine el significado. [I. Lakatos])

27 ¿Rigor o intuición? Pero, además, el método de formalización de las demostraciones choca frontalmente con la experiencia de la creación matemática. En su trabajo, el matemático fía en intuiciones sorprendentemente vagas, y avanza a tientas, marcha atrás en demasiadas ocasiones. Está claro que, en su forma actual, la lógica es incapaz de dar una descripción directa ni del desarrollo histórico de las matemáticas ni de la experiencia cotidiana de los profesionales. [S. Feferman] Es igualmente claro que la búsqueda de unos fundamentos definitivos a través de los sistemas formales, ha fracasado en llegar a conclusión convincente alguna. [S. Feferman] ...Los esfuerzos para conseguir el rigor más extremo han conducido a un callejón sin salida, en el que ya no existe acuerdo sobre lo que éste significa. Las matemáticas continúan vivas y vitales, pero sólo sobre una base pragmática. [M.Klein]

28 ¿Certezas o confianza? P. Davis y R. Hersh insisten en la dimensión colectiva que tiene actualmente la noción de demostración correcta en Matemáticas, Los matemáticos de todos los campos se apoyan unos en el trabajo de otros; la confianza mutua que les permite hacerlo reside en el sistema social del que forman parte. No se limitan a utilizar resultados que sean capaces de demostrar por sí mismos a partir de primeros principios. Cuando un teorema ha sido publicado en una revista seria, cuando el nombre del autor es conocido, cuando el teorema ha sido citado y utilizado por otros matemáticos, se considera que el teorema está debidamente establecido.

29 Consenso Durante la verificación de la demostración de A. Wiles del último Teorema de Fermat, varios matemáticos reconocieron que la dimensión social e institucional de la confianza depositada en las opiniones de algunos de los revisores era al menos tan importante como el rigor empleado en sus comprobaciones.

30 Conclusión Así pues, en los comienzos de este siglo XXI, la idea del consenso entre los cualificados dentro del cuerpo social de la Comunidad Matemática es la predominante para determinar, en último término, la aceptación de un resultado como correcto.

31 El suelo se mueve… en las Ciencias experimentales
Las dos grandes teorías físicas del siglo XX que proporcionan una explicación de la realidad y un nivel predictivo más exacto que cualquier otra teoría anterior: La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica, … están plagadas de resultados paradójicos e incluso mutuamente incompatibles.

32 Paradojas y la teoría de la relatividad
El postulado de que la velocidad de la luz es constante en el vacío para cualquier sistema inercial de referencia conduce a una serie de resultados paradójicos: 1.- la desaparición de las nociones de espacio y tiempo absolutos, 2.- la contracción del tiempo y de las longitudes en la dirección del movimiento, 3.- el aumento de masa a velocidades relativistas; En fin, la concepción de la realidad física como un continuo espacio temporal con estructura de variedad riemaniana, no necesariamente euclídea.

33 Paradojas y Mecánica Cuántica
La Mecánica Cuántica, por su parte, niega de entrada el principio de causalidad: “La posibilidad de predecir el estado futuro de un sistema físico con una probabilidad tan cercana a 1 como se quiera, mediante un análisis suficientemente elaborado del fenómeno observado” El comportamiento de las cosas a escala microcósmica es, simplemente, distinto al que estamos habituado.

34 Física La cuantificación de este principio conduce al principio de incertidumbre, formulado por primera vez por W. Heisenberg en 1926, una de cuyas consecuencias es la dualidad onda-partícula tan típica del mundo microfísico: Las partículas subatómicas se nos aparecen a veces como diminutas balas tremendamente veloces, y otras veces presentan fenómenos de difracción e interferencia propios de ondas, dependiendo de la disposición experimental que empleemos. podemos decir , con el premio Nobel R. P. Feynman, que “todas [las partículas] están chifladas, pero exactamente de la misma manera”

35 Física Así pues, la Física Moderna parece haberse instalado confortablemente en el convencionalismo: Las teorías proporcionan descripciones y predicciones cada vez más exactas de los hechos observados, sin pretender encontrar una explicación última de la realidad. A este respecto es quizá paradigmática la reflexión que hace R. Feynman a cuenta de la discusión del conocido experimento para detectar o bien la energía o bien la posición de los electrones que pasan a través de una pantalla con dos agujeros.

36 Misterio Como es bien sabido, en el primer caso los electrones se comportan como ondas, y en el segundo caso como partículas. Dice Feynman: La cuestión es saber cómo funciona realmente. ¿Qué mecanismo es el causante de todo esto? Nadie sabe de ningún mecanismo. Nadie puede dar una explicación del fenómeno más profunda que la que yo he dado; o sea, una mera descripción… La formulación matemática puede hacerse más precisa… Pero el misterio profundo es el que acabo de describir y, en la actualidad, nadie puede ir más al fondo.

37 Física En el mismo sentido se pronuncia S. Hawking, quien, con ocasión del 25 aniversario de los Premios Príncipe de Asturias, declaraba recientemente: Una teoría es tan sólo un modelo matemático para describir las observaciones, y no tiene derecho a identificarse con la realidad, sea lo que sea lo que esto signifique. Podría ser que dos modelos muy diferentes lograran describir las mismas observaciones: ambas teorías serían igualmente válidas, y no se podría decir que una de ellas fuera más real que la otra.