jueves, 28 de mayo de 2015

No es posible filosofar con consistencia y verdad prescindiendo de la ciencia. Pero también resulta necesario filosofar sobre esta misma ciencia y sobre el conocimiento que ha develado. Esta necesidad demanda encontrar un principio unitario para el universo para recuperar la visión sistemática de la realidad, perdida precisamente con el advenimiento de la ciencia. Para ello analiza los conceptos de materia, energía, tiempo, espacio, causa, efecto.


Patricio Valdés Marín


Registro de propiedad Intelectual Nº 169.033



Prefacio a la colección El universo, sus cosas y el ser humano



El formidable desarrollo que ha experimentado la tecnología relacionada con la computación, la informática y la comunicación electrónicas ha permitido el acceso a un inmenso número de individuos de la cada vez más gigantesca información. Por otra parte, existe bastante irresponsabilidad en parte de esta información sobre su veracidad por parte de algunos de quienes la emiten, tergiversando los hechos. Además, mucha de la información produce alarmas y temores, pues aquella gira en torno a intrigas, conspiraciones, crisis y amenazas. Habría que preguntarse ¿hasta qué punto esta información refleja la compleja realidad? ¿Cuánta de toda esa información es verdadera? ¿En qué nos afecta? Como resultado hemos entrado en una era de desconfianza, relativismo y escepticismo. Sin embargo la raíz de ello debe buscarse más profundamente.

Vivimos en un periodo histórico ya denominado posmodernismo, que se caracteriza por el derrumbe de los dogmas religiosos y sistemas filosóficos tradicionales a consecuencia del enorme progreso que ha tenido la ciencia moderna y su método empírico, contra cuyo descubrimiento de la realidad no pudieron sostenerse. Sin embargo, la antigua sabiduría respondía de alguna manera a las preguntas más vitales de los seres humanos: su existencia, su sentido, el cosmos, el tiempo, el espacio, la vida y la muerte, Dios, la verdad, el pensamiento, el conocimiento, la ética, etc., pero la ciencia, que ocupó su puesto, no ha podido responderlas, ya que no son esas preguntas su objeto de conocimiento. Por la ciencia entramos en una época de enorme conocimiento y certeza, pero si no se es fiel a la verdad que devela, es fácil caer en el  relativismo: ahora todo es opinable y no se respeta ninguna autoridad, en cambio se pide respetar a cualquiera por cualquier sonsera que esté diciendo; existe poca o ninguna crítica; aparecen gurúes, charlatanes y falsos profetas por doquier, mientras la gente permanece desorientada y escéptica; se divulga falsedades por negocio, fama o intereses espurios.

No se trata de revivir los antiguos dogmas religiosos y sistemas filosóficos, sin embargo, 1º las preguntas que responden al ¿qué es? filosófico, más que el ¿cómo es? científico, que éstos intentaban responder están tan plenamente vigentes hoy, ya que sin aquellas nuestra vida sería vacía y que la filosofía emergió como un esfuerzo racional y abstracto para conferir unidad y racionalidad al mundo, y 2º, la ciencia sigue con firmeza develando esta tan misteriosa realidad, puesto que no fue hasta el desarrollo de aquella que el mundo comenzó a ser entendido como sujeto a leyes naturales y universales de relaciones causales. En consecuencia, esta obra requerirá llegar a los grados de abstracción que demanda la filosofía y a partir de justamente la ciencia intentará responder a las preguntas más vitales. El criterio de verdad que la guiará son las ideas universales y necesarias de ‘energía’ para lo cosmológico y la complementariedad ‘estructura-fuerza’ para el universo material.

Nuestras ideas son representaciones subjetivas y abstractas de una realidad objetiva y concreta, pero la realidad es profundamente misteriosa y nuestro intelecto es bastante limitado para aprehenderla. De este modo se intentará  reflexionar en forma sistemática y unificada sobre los temas más trascendentales de la realidad. En este discurrir, deberemos mantenernos críticos, en el sentido de análisis y juicio referido a la realidad, pues dichas ideas no son “claras y distintas”, como supuso Descartes. El filosofar que podemos emprender debe intentar entender tanto el sentido último del universo, sus cosas y los seres humanos como servirles de fundamento racional. Replanteándolo todo hasta querer bosquejar un nuevo sistema filosófico, un nombre apropiado para esta obra de diez libros podría ser simplemente El universo, sus cosas y el ser humano.


EL CONTEXTO CÓSMICO DE LA OBRA

Parafraseando el inicio del Evangelio de s. Juan (Jn. 1, 1), afirmaremos, “En el principio, estaba la infinita energía”. La energía, que no se crea ni se destruye, solo se transforma —según reza el primer principio de la termodinámica—, que no debe ser pensada como un fluido, ya que no tiene ni tiempo ni espacio, que su efectividad está relacionada con su discreta intensidad, que es tanto principio como fundamento de la materia, no puede existir por sí misma y debe, en consecuencia, estar contenida o en dependencia. Y Dios la causó y liberó en un instante, hace unos 13 mil setecientos millones de años atrás, la codificó y la dotó de su infinito poder, creando el universo entero. La cosmología llama “Big Bang” a esta ‘explosión’ y se puede definir como un traspaso instantáneo, irreversible y definitivo de energía infinita a nuestro material universo en el mismo instante de su nacimiento. La energía que este agente suministró al universo, tal como si fuera un sistema, no termina en desorden, sino sirve para generar y estructurar la materia. El Big Bang, que sería el soplo divino, es también el instante del punto del comienzo de la creación y es igualmente el manto que, desde nuestro punto de vista, envuelve todo el universo. En el mismo grado que el objeto que se aleja cercano a la velocidad de la luz del observador, que de acuerdo con la contracción de FitzGerald se acorta en el eje común entre objeto y observador, aseveramos que, con el fin de mantener la simetría, el plano transversal del objeto a este eje se agranda recíprocamente hasta identificarse con la periferia de nuestro universo. Inversamente, la teoría especial diría que para un observador situado justo en el Big Bang, Dios en este caso, el tiempo habría sido tan grande que ni una fracción infinitesimal de segundo habría transcurrido. Una vez más, para este observador la distancia se habría reducido a cero, como si el Big Bang fuese la base de un tronco que sostiene la inmensidad del universo, dándole unidad a través de una inmensa relación causa-efecto. Dado que todo el universo tuvo un origen único y común, entonces las mismas leyes naturales gobiernan todas las relaciones de causa-efecto entre sus cosas. Para la causa del universo entronizada en el Big Bang, a pesar de estar a alrededor de 13,7 mil millones de años de distancia en el pasado, cada parte del universo estaría en su propio tiempo presente, mientras que la manifestación de causalidad estaría recíprocamente presente en todo el universo.

El universo conforma una unidad en la energía que no admite dualismos espíritu-materia, como los postulados por Platón, Aristóteles o Descartes. Así, el universo, en toda su diversidad, está hecho de energía y nada de lo que allí pueda existir puede no estar hecho de energía. Tales de Mileto, considerado el primer filósofo de la historia, postuló al “agua” y sus tres estados como clave para incluir la diversidad del universo; después de él otros sugirieron diversos entes como fundamento de la cosas; tiempo después Parménides inventó el concepto de “ser” para darle unidad a la realidad, concepto que hechizó a toda la filosofía posterior; ahora proponemos la idea de “energía” para este mismo efecto metafísico. Si desde Heráclito la filosofía comenzó a especular sobre el cambio que ocurre en la naturaleza, la ciencia observó por doquier a conjuntos relacionados causalmente como sistemas que se transforman de modo determinista según las leyes naturales que los rigen y ella los reconoció, más que cambios, como procesos. El tiempo y el espacio del universo están relacionados con el proceso. Ambos no son categorías kantianas a priori que residen en nuestra mente. El tiempo proviene de la duración que tiene un proceso y el espacio procede de su extensión. La infinidad de interacciones originadas en el Big Bang constituyen el espacio-tiempo del universo, donde cada ser u observador existe en su tiempo presente y todo lo demás está entre su próximo y lejano pasado, estando el Big Bang a la máxima distancia y siendo lo más joven del universo. La velocidad máxima de las interacciones es la de la luz. La fuerza gravitacional es el producto de la masa que se aleja con energía infinita de su origen en el Big Bang a dicha velocidad y que forzadamente se va separando angularmente del resto de la masa del universo, por lo cual el universo es una enorme máquina que, por causa de su expansión radial (no como un queque en el horno), genera la fuerza de gravedad, teniendo como consecuencia su pérdida asintótica de densidad. Y esta fuerza más el electromagnetismo y las otras dos que ellas causan dentro de la estructura atómica producen la incesante estructuración y decaimiento de las cosas.

Algunos científicos creen observar un completo indeterminismo en el origen del universo, pudiendo éste haber evolucionado indistintamente y al azar en cualquier sentido. No consideran que el universo haya seguido la dirección impresa desde su origen según las propiedades de la energía primordial y la relativa estabilidad de lo que se estructura. De modo que la energía primigenia se convirtió en el universo y fue desarrollándose y evolucionando, auto-regulado por lo posible en cada posible escala estructural. La energía comprende los códigos de la estructuración de las partículas fundamentales de la materia. Estas partículas poseen máxima funcionalidad, ya que adquirieron entonces energía infinita, lo que las llevó a viajar a la máxima velocidad posible (la de la luz) desde el Big Bang. El universo que percibimos es estructuración de energía en materia en dos formas básicas, como masa según la famosa ecuación E = m·c² y como carga eléctrica (positiva y negativa). La conversión en carga eléctrica requirió también mucha energía. La fuerza para vencer la resistencia entre dos cargas eléctricas del mismo signo es enorme. Se calcula que solamente 100.000 cargas (electrones) unipolares reunidas en un punto ejercerían la misma fuerza que la fuerza de gravedad de toda la masa existente de la Tierra. Infinitos y funcionales puntos o centros atemporales y adimensionales de energía generan el espacio-tiempo del universo al interactuar entre sí y relacionarse causalmente mediante también energía, estructurando enlaces relativamente permanentes, generando la diversidad existente, que se rige por el principio complementario de la estructura y la fuerza, y produciendo energía cinética y/o ondulante que podemos sentir, que nos puede afectar y que mediante éstas también podemos afectar a otras cosas.

El mundo aparecía naturalmente a nuestros antepasados como caótico y desordenado, existiendo allí tanto nacimiento, gozo y regeneración como sufrimiento, muerte y destrucción. Ellos se esforzaron en dar explicaciones para dar cuenta de esta arbitraria situación y que resultaron ser mayormente míticas. Ahora, por medio de la ciencia moderna, podemos entender objetivamente este mundo y su evolución y desarrollo. El dominio de la ciencia comprende las relaciones de causa-efecto que producen el cambio en la naturaleza, determinadas según sus leyes naturales, siendo válido para todo el universo, y que es virtualmente todo lo que sabemos con mayor, menor o total certeza. Las hipótesis científicas concluyen en la definición de las leyes naturales que rigen la causalidad del universo a través de la demostración empírica y la observación. La ciencia devela que en el curso de su existencia el universo ha ido evolucionando y se ha ido desarrollando hacia una complejidad cada vez mayor de la materia, la que se ha venido estructurando en escalas incluyentes cada vez más multifuncionales. Desde las estructuras subatómicas, atómicas, moleculares y biológicas, hasta las psicológicas, sociales, económicas y políticas, la estructuración en escalas mayores y más complejas no ha cesado. Las estructuras, que se ordenan desde las partículas fundamentales hasta el mismo universo, son unidades discretas funcionales que componen estructuras de escalas mayores y cada vez más complejas (por ejemplo, solo existe un centenar de tipos de átomos relativamente estables y unos 50.000 tipos de proteínas) y son formadas por unidades discretas funcionales de escalas menores. La estructura más compleja y de mayor funcionalidad es el ser humano, el homo sapiens del orden mamífero de los primates.

Como todo animal con cerebro, que  ha venido adaptativamente a relacionarse con el medio a través del conocimiento, la afectividad y la efectividad y que necesita satisfacer sus instintos primordiales, fijado por la especie, de supervivencia y reproducción, el ser humano es capaz de generar estructuras psíquicas (percepciones e imágenes) a partir de la materialidad biológica y electro-química de este órgano nervioso central y de las sensaciones que proveen los sentidos. Pero a diferencia de todo animal el más evolucionado cerebro humano tiene capacidad de pensamiento racional y abstracto, pudiendo estructurar en su mente todo un mundo lógico y conceptual, a partir de imágenes, y que busca representar el mundo real que experimenta y comprender el significado de las cosas y de sí mismo. Él estructura en su mente relaciones lógicas, ontológicas y hasta metafísicas y también puede comprender las relaciones causales de su entorno. Para ello se ayuda del sistema del lenguaje que emplea primariamente para comunicarse simbólicamente con otros seres humanos y también para acumular información y desarrollar aprendizaje y cultura. La realidad que conoce es la sensible y, por tanto, material. Su accionar más humano en el mundo es intencional y responsable, ya que emana de su libre albedrío, que es producto de su razonar deliberado. En esta misma escala su afectividad, más allá de sensaciones y emociones, se estructura propiamente en sentimientos. Persiguiendo vivir la vida con la mayor plenitud posible, los individuos humanos se organizan en sociedades que buscan la paz, el orden, la defensa, el bienestar y la explotación de los recursos económicos a través de la cooperación y la justicia, pero muy imperfectamente, ya que algunos fuerzan satisfacer necesidades individuales de modo desmedido y otros dominan y explotan al resto. Son objetos (no sujetos) de los derechos reconocidos como fundamentales por la sociedad civil, y resguardados por sus instituciones de poder político.

Cuando el ser humano reflexiona sobre el por qué de sí mismo, llegando a la convicción de su propia y radical singularidad, su multifuncionalidad psíquica es unificada por y en su conciencia, o yo mismo, pero no de modo mecánico, sino transcendente y moral. La transcendencia es el paso desde la energía materializada, que se estructura a sí misma y es funcional, hasta la energía desmaterializada que la persona estructura por sí misma. Si el individuo se estructura a partir de partes que anteriormente pertenecieron a otros individuos y pertenecerán en el futuro a nuevos individuos, la persona se estructura a partir de energía que permanecerá en lo sucesivo estructurada. La conciencia humana es el advertir que el yo (el sujeto) es único y que su existencia transcurre en una realidad objetiva que su intelecto le representa como verdadera. Pero transcendiendo esta materialidad que ella conoce, está lo llamado “espiritual” y viene a ser la estructuración de la energía como producto del intencionar, en lo que llamaremos conciencia profunda, forjándola indeleblemente en sí de un modo desmaterializado. El punto de partida de este tránsito a lo inmaterial es la acción intencional, que depende de la razón y los sentimientos y que se relaciona al otro a través del amor o el odio; ésta se identifica con el ejercicio de la libertad y con la autodeterminación, siendo lo que caracteriza al ser humano. La conciencia profunda reconoce que la realidad, no es solo material, sino que también es transcendente, y la puede conocer con otros “ojos” que ven la experiencia sensible, los cuales podrían abrirse completamente solo tras la muerte fisiológica del individuo. El alma no preexiste en un mundo de las Ideas, al estilo de Platón, para unirse al cuerpo en el momento de la concepción, sino que se fragua en el curso de la vida intencional. Esta metempsicosis transforma lo inmanente de la cambiante materia en lo transcendente de la energía inmaterial. La estructuración de una mismidad singular como reflejo de la actividad psíquica de su particular deliberación es el máximo logro de la evolución que, a partir de materia individual, produce energía estructurada. Así, el ser humano puede definirse, más que como animal racional, como un animal transcendente que transita de lo animal a la energía personal. Desde esta perspectiva el sentido de la vida es doble: vivir plena y conscientemente la vida y estar consciente de la vida eterna y sus demandas. Estas explicaciones son especulativas y no se asientan ciertamente en conocimiento científico alguno, pues están fuera del ámbito de lo material, ya que solo conocemos lo sensible, pero está en sintonía con los sucesos místico y parapsicológico reconocidos y surge de superar el dualismo del ser metafísico por la energía que incluye tanto lo material como lo inmaterial.

Y cuando la muerte, propia de todo organismo biológico, desintegra la estructura del individuo, subsiste la persona, que es propiamente la estructura del yo mismo puramente de energías diferenciadas que se han unificado en la conciencia profunda durante su vida. La muerte supone la destrucción irreversible del vínculo de la energía estructurada del yo mismo, inmortal, con su cuerpo de materia estructurada que la contenía, manifiestamente incapaz ahora de existir. Considerando que ya no resulta necesario satisfacer los instintos biológicos de supervivencia y reproducción, como tampoco estar sujeto a ningún otro instinto, en su nuevo estado de existencia el yo personal se libera del consumo de energía de un medio material y, por tanto, de la entropía, lo que significa también que su acción ya no puede tener efectos sobre la materia. Asimismo, desaparecen nuestros atesorados conocimientos y experiencias de la realidad del universo material que percibimos a través de nuestros sentidos animales como también nuestra forma de pensamiento racional y abstracto y memoria basados en el cerebro biológico. Surgiría una forma nueva, inmaterial, transcendental, de pura energía, pero implícita en la conciencia profunda, incomparablemente más maravillosa para conocer y relacionarnos que corresponde a esa insondable y misteriosa realidad que se presentaría, todavía imposible de conocer en nuestra vida terrena. Pero la persona, ahora reducida a lo esencial de su ser, necesitaría y buscaría afanosamente un contenedor de su propia y estructurada energía para poder manifestarse y expresarse en forma plena de conexión. La esperanza es que quien en su vida ha reconocido de alguna manera a Dios y ha sido justo y bondadoso según, por ejemplo, la enseñanza evangélica, estará finalmente, cuando muere, en condiciones de acceder al Reino de misericordia, amor y bondad, que Jesús conoció (¿a través del fenómeno EFC?) y anunció, y existir colmadamente. De ahí que su condición en la “otra vida” sea un asunto de opción moral personal durante su vida terrena. Al no estar inmerso en la materialidad, ya no se interpone el espacio-tiempo que lo mantiene separado de Dios. Así, la energía liberada originalmente por Dios retorna a Él estructurada en el amor.

Los libros de esta obra se enumeran y titulan como sigue:

Libro I, La materia y la energía (ref. http://unihum1.blogspot.com/), es una indagación filosófica sobre algunos de los principales problemas de la física, tales como la materia, la energía, el cambio, las partículas fundamentales, el espacio-tiempo, el big bang, la forma y el tamaño del universo, la causa de la gravitación, agujeros negros, y llega a conclusiones inéditas.

Libro II, El fundamento de la filosofía (ref. http://unihum2.blogspot.com/), analiza lo que relaciona y lo que separa a la filosofía y a la ciencia; expone la concepción histórica de la relación entre la idea y la realidad, la razón y el caos; critica a la filosofía tradicional en lo referente a la dualidad espíritu y materia que proviene de la antigua antinomia de lo uno y lo múltiple, y sienta nuevas bases para una metafísica a partir del conocimiento científico.

Libro III, La clave del universo (ref. http://unihum3.blogspot.com), expone la esencia de la complementariedad de la fuerza y la estructura como el fundamento del universo y sus cosas, que es coextensiva del ser, y que es el tema tanto de la ciencia como de la filosofía, con lo que se supera toda contradicción entre ambas ramas del saber objetivo.

Libro IV, La llama de la mente (ref. http://unihum4.blogspot.com/), se remite a una teoría del conocimiento que identifica las funciones psicológicas del cerebro, en tanto estructura fisiológica, con generadores de estructuras psíquicas, siendo ambas estructuras propias de nuestro universo de materia y energía, y descubre que las imágenes y las ideas son estructuraciones en escalas superiores que parten de las sensaciones y las percepciones de nuestra experiencia.

Libro V, El pensamiento humano (ref. http://unihum5.blogspot.com), desarrolla una nueva epistemología que busca descubrir los fundamentos del pensamiento abstracto y racional en las relaciones ontológicas y lógicas que efectúa la mente humana a partir de las cosas y sus relaciones causales.

Libro VI, La esencia de la vida (ref. http://unihum6.blogspot.com/), se refiere principalmente al reino animal, del cual el ser humano es un miembro pleno, en cuanto es una estructuración de la materia en una escala superior.

Libro VII, La decisión de ser (ref. http://unihum7.blogspot.com/), trata de una de las funciones de los animales, la efectividad, que específicamente en el ser humano se estructura como voluntad, que proviene de su actividad racional, que se manifiesta en su acción intencional, que es juzgada por la moral, la ética y la norma jurídica, y que confiere sustancia y sentido a su vida.

Libro VIII, La flecha de la vida (ref. http://unihum8.blogspot.com/), en las fronteras de la reflexión filosófica y aún más allá, intenta explicar la relación de lo humano con lo divino, la que comienza por la capacidad natural del ser humano para reconocer y alabar la existencia de lo divino, y la que termina en una invitación divina a una existencia en su gloria.

Libro IX, La forja del pueblo (ref. http://unihum9.blogspot.com/), analiza una filosofía política que parte del ser humano como un ser tanto social como excluyente para indicar que la máxima organización social debe estar en función de los superiores intereses de la persona humana, finalidad que se ve entorpecida por anteponer artificiosamente el derecho al goce individual a los derechos de la vida y la libertad.

Libro X, El dominio sobre la naturaleza (ref. http://unihum10.blogspot.com/), estudia el contradictorio esfuerzo humano de supervivencia y reproducción para conquistar y transformar su entorno a través de una asignación desequilibrada de recursos económicos, entre los cuales la tecnología, como creación de la mente humana, es una prolongación del cuerpo para reemplazar su esfuerzo, la demanda por capital es proporcional a la oferta de trabajo, y la naturaleza resulta demasiado limitada para las ilimitadas necesidades humanas que satisfacer.

Deseo expresar mi reconocimiento y mis más vivos agradecimientos a mi esposa Isabel Tardío de Valdés. Sin su paciencia, apoyo moral y cariño esta obra no habría sido posible.

Patricio Valdés Marín



CONTENIDO



Prólogo

Introducción

Capítulo 1. Materia primordial

Mecánica
Termodinámica
Relatividad

Capítulo 2. Materia fundamental

Desentrañando lo ínfimo
Lo fundamental
Fuerzas forzadas
Espacio-tiempo cuántico

Capítulo 3. Materia cósmica

El big bang
El observador
Gravitación y expansión
Límites de la materia y la energía
La energía en evolución



PRÓLOGO



En la actualidad, en plena revolución del conocimiento científico, no es posible filosofar con cierta consistencia y verdad prescindiendo de la ciencia moderna. Pero también resulta necesario filosofar sobre esta misma ciencia y sobre el conocimiento que ha develado. Esta necesidad ha demandado de muchos científicos hacer de filósofos, y ellos han filosofado sobre lo que han descubierto. Este libro sobre la ciencia es filosófico y desde este enfoque estudia los hallazgos de ésta. A partir del conocimiento científico el libro medita sobre temas como dinámica, mecánica cuántica o cosmología, buscando un principio unitario para el universo en el intento de recuperar la visión sistemática de la realidad, perdida precisamente con el advenimiento de la ciencia moderna. De este modo se adentra en el concepto de energía desde ideas como movimiento, cambio y fuerza.

A partir de la famosa ecuación de Einstein, de que la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado, se puede concluir con algo que no es tan evidente: que la energía no existe por sí misma, sino que está vinculada a algo. En nuestro universo ese algo es material, como la masa o la carga eléctrica. Se podría afirmar también que antes del big bang, toda la infinita energía que compone el universo, ya sea como materia o vinculada a la materia, estuvo contenida en algo que muchos denominan su creador, por lo que big bang se puede definir como un traspaso instantáneo, irreversible y definitivo de energía infinita en nuestro material universo en el mismo instante de su creación. Sigue a continuación la idea de que la energía que se suministró al universo, tal como si fuera un sistema, no termina en desorden, sino que es utilizada para estructurar la materia.

En referencia a la física cuántica este libro resalta varios aspectos. Uno de éstos es que no existe un continuum preexistente de espacio-tiempo, como Einstein supuso, sino que tanto el espacio como el tiempo comienzan a existir a partir de dimensiones muy pequeñas y discretas –las definidas por el número de Planck–, es decir, las que pueden establecer dos o más partículas subatómicas cuando interactúan. En otras palabras, la existencia del espacio y el tiempo está determinada por la interacción causal de la materia, y la materia no es otra cosa que condensación de energía, como explica la citada fórmula de Einstein. Otro aspecto relevante es la conclusión de que las partículas fundamentales no son otra cosa que las causas de las cuatro fuerzas fundamentales.

Por último, en la escala macroscópica de la cosmología este libro describe por primera vez la forma y el tamaño del universo, tarea que los astrónomos modernos, a pesar de todos sus sofisticados medios de telescopios y satélites, no logran aún desentrañar. Además contiene una inédita explicación de la fuerza de gravedad, la misma para la que Newton estableció su famosa ecuación en función de la masa y la distancia.

En definitiva este libro sirve de prolegómeno para poder filosofar con coherencia y realismo, pues si uno quiere explicar el ser de la metafísica, no puede quedar en la tautología de “el ser es el ser”, ya que por esa vía no se avanza nada. Es necesario entender primero qué son la materia y la energía, conceptos que han resultado de la gigantesca revolución del conocimiento humano que llamamos “ciencia moderna”, para permitirnos filosofar más apegado a qué son en realidad las cosas del universo.



INTRODUCCION



Nuestra época ha sido fecunda en revolucionarios descubrimientos sobre la composición y el comportamiento de la materia y la energía. Estos han alterado profundamente la concepción tradicional de las cosas y el universo, dejando definitivamente obsoleta la clásica concepción dualista que sostiene que el universo está constituido por entes compuestos de forma y materia, donde una cosa adquiere existencia cuando su “materia prima” es actualizada por la “forma”, y que, en el caso del ser humano, se trata de una forma espiritual. En nuestros días, estos milenarios conceptos se han vuelto irrelevantes cuando intentamos compatibilizarlos con las nuevas ideas desarrolladas por la ciencia.

Por el contrario, el universo que la ciencia descubre es únicamente material, y está hecho de materia y energía, elementos que explican el cambio, su estructuración y su evolución. La alternativa al dualismo no es uno de los dos monismos (materia o espíritu), sino la incorporación de la noción de energía a la idea tradicional de materia. Con ello dejan de ser necesarios los vitalismos, por ejemplo, Henri Bergson (1859-1941), que necesitan postular conceptos supuestamente ajenos a la materia, tales como ánima, élan vital, esprit, Idea, Razón, etc. para explicar el movimiento y el cambio de lo material. En efecto, las cosas poseen una fuerza interna que proviene de la capacidad de cada una de ellas para utilizar energía y ser específicamente funcional. Ellas no son entes pasivos movidos por fuerzas externas.

Ya en el ámbito de la física contemporánea, por lo material se entiende tanto la materia y la energía como el tiempo y el espacio, realidades estas últimas que derivan de las primeras; y también la masa y la carga eléctrica como concreciones de la relación materia y energía. Debemos superar la errónea concepción de atribuir únicamente a la masa la calidad de materia, suponiendo que la materia es únicamente masa. De este modo, la masa viene a ser sólo una de las formas como la materia se ha “condensado” a partir de la energía primigenia. Además de la masa está también la carga eléctrica.

La materia condensada a partir de la energía tiene también otras propiedades: tiene extensión y volumen, y, a escala subatómica, posee simetría, estados cuánticos, niveles de energía, spin, onda, etc. Algunos hablan de cuerpo antes que de masa para indicar tanto la masa como las demás propiedades mencionadas. Pero un cuerpo es también una abstracción en consideración a que no nos dice nada sobre sus componentes a distintas escalas ni de qué cosas forma parte. La idea que mejor define la materia es la de estructura y fuerza. Entre ambas otorgan a la materia y la energía la capacidad para constituir estructuras funcionales en cualquier escala, explicar la causalidad y conformar el tiempo y el espacio.

La ciencia se ha desarrollado sobre los mencionados concep­tos que están, no obstante, muy lejos del ideal cartesiano de las ideas claras y distintas. Nociones como fuerza, masa, energía, carga eléctrica, espacio-tiempo, que desde Galileo Galilei (1564-1642) han ido surgiendo lentamente en brillantes mentes científicas tras experimentar y observar el comportamiento de las cosas, no son en absoluto claros, aunque sí se les puede asignar valores muy precisos. Muchas de estas nociones son extraordinariamente complejas y abstractas, por lo que cuesta mucho llegar a entenderlas y explicarlas. Sin embargo, son estos conceptos, propios de una filosofía de la naturaleza, moderna y renovada, los que con mayor exactitud llegan a reflejar la realidad, en comparación con aquellos de la filosofía tradicional, como materia y forma, sustancia y accidente, esencia y existencia, potencia y acto.

La materia se basta a sí misma desde el instante que comenzó a existir o, mejor dicho, desde el instante que Dios la creó. La primera parte de la afirmación indica que la materia contiene en sí misma la capacidad para desarrollarse, evolucionar, estructurarse, no necesitando para ello de causalidad externa al universo alguna. Pero su segunda parte está señalando que la materia no pudo llegar a existir por sí misma.

Mientras para explicar la primera parte, “que se baste a sí misma”, podemos analizar la complementariedad de la estructura y la fuerza, la segunda afirmación, “que Dios la creó”, es indudablemente extracientífica y hasta extrafilosófica, pues corresponde a una realidad que está más allá de nuestras capacidades cognoscitivas, pero se hace necesaria si consideramos que si la materia tuvo un comienzo, requirió, tal como ya Aristóteles había concluido, de una causa incausada, de un primer motor, puesto que por ella misma jamás pudo comenzar a existir. Así, dicho motor debe ser considerado extrauniversal. Precisaré que posiblemente este primer motor sería más bien un contenedor de la energía primigenia “anterior” al big bang, considerando que la energía no tiene existencia por sí misma, y que confirió a esta energía la capacidad para condensarse en determinadas partículas fundamentales específicamente funcionales de masa y carga eléctrica. En consecuencia, la existencia del universo y de lo que contiene no puede explicarse por sí misma, sino que debe depender de una entidad fuera de éste.

Las anteriores dos afirmaciones se comprenden con una tercera afirmación: la capacidad de la materia para desarrollarse, evolucionar y estructurarse está ligada a las leyes naturales que rigen su comportamiento de modo absolutamente necesario, y estas leyes naturales son de origen divino, como divino es el origen de la materia.

Aceptar estas afirmaciones que pertenecen a un orden extracientífico parece imperdonable para muchos que, siguiendo a Bertrand Russell (1872-1970), pretenden que toda verdad proviene del conocimiento científico. Pero negar la dependencia de la existencia del universo de una entidad meta universal es aún más imperdonable, máxime considerando la evidencia científica de que el universo tuvo su inicio en un “big bang”, o gran explosión, y que no es, por tanto, eterno e infinito. El problema de la ciencia es que limita con Dios, y los científicos rehúsan considerar a Dios en el saber científico. También rehúsan considerar lo infinito y lo eterno en sus cálculos. Y sin embargo, lo infinito y lo eterno son aspectos de la realidad del universo.

Además, por el supuesto de que el universo haya sido creación de Dios, es decir, que haya tenido un origen único y esté compuesto por los mismos elementos fundamentales, aquél se nos muestra precisamente como inteligible. Ésta fue la idea del autor del capítulo primero de libro del Génesis y sobre la cual toda la cultura occidental se ha erigido. En consecuencia, diré que aquello meta universal podemos identificarlo con Dios, que el universo es la expresión del poder de Dios y que en su evolución se ha ido estructurando en infinitas diversidades a partir de la simpleza natural de las partículas fundamentales, específicamente funcionales, que se formaron a partir de la condensación de la energía primigenia que dio origen al universo.

Aunque Dios está al comienzo de la existencia del universo, su acción posterior sobre éste proviene de haberlo creado con capacidad para evolucionar y estructurarse en formas cada vez más complejas a partir de lo más simple: la energía primigenia. Esta idea difiere radicalmente del pensamiento tradicional, anevolutivo y fundamentalista, que ha sido influenciado por el Génesis, del que se deduce que la creación consistió en un conjunto de actos divinos efectuados en el principio de los tiempos y para todos los tiempos. Pero Dios no creó cosas por etapas. Lo que podríamos decir es que en un instante dado de esta entidad meta universal, que podemos llamar Dios, emanó una energía infinita que contenía el código de todas las leyes naturales y que estuvo condicionada para condensarse en determinadas partículas fundamentales tan específicamente funcionales que conforman una materia con capacidad para, en el curso del tiempo, estructurarse indefinidamente y evolucionar en infinitas formas a través de una multiplicidad de escalas. Desde luego, esta idea contradice la afirmación de San Agustín (354-430) de que Dios creó el universo ab nihilo, es decir, de la nada.

Si al universo le suponemos un comienzo, como se desprende con fuerza cada vez mayor de todos los descubrimientos cosmológicos que se han ido efectuando, para comenzar a existir, la materia necesitó de un acto de creación por parte de un agente externo a ella, como se ha dicho más arriba. Aunque sostengamos con Stephen W. Hawking (1942- ) que la materia salió de la nada a través de una separación de ella y su contraria, la antimateria, debió necesitar de todos modos de un agente externo al universo que de la nada haya, en un momento dado y con gran traspaso de energía, producido o separado estas dos existencias mutuamente extinguibles, pero generadoras a su vez de energía. Algo similar puede decirse de Ernst Pascual Jordan (1902-1980), quien postuló que no existe diferencia energética alguna entre el universo de cosas y el universo vacío, pues a la energía ligada a la masa se podría restar la energía gravitacional, ambas supuestamente de un mismo valor equivalente.

Una explicación a esta correlación energética puede residir en la posibilidad de que la fuerza gravitacional esté vinculada a la energía primigenia del acto creativo del big bang que propulsó radialmente la masa a la velocidad de la luz, siendo la masa misma condensación de la energía primigenia. Según esta teoría, el big bang sería una especie de tronco o base para toda la masa del universo, uniendo dicho acto al comienzo del universo con el momento presente. En un segundo punto de vista, la de cada observador en particular, o la de cada cosa existente, el big bang envuelve su propio universo. Así, pues, el big bang, que no otra cosa que el soplo divino, es el instante del comienzo de la creación y es igualmente el capullo que envuelve todo el universo. Estas ideas parecen menos fantásticas e inverosímiles que muchas de las postuladas por eminentes cosmólogos, quienes, fieles a sus principios científicos, no han querido tal vez introducir factores meta universales en una realidad que forzosamente limita con lo divino (siendo quizás el otro límite con lo divino la posible vida después de la muerte de cada ser humano).

Pero el ulterior desarrollo y evolución del universo no necesita ni de una causa extranatural ni de una causa final para ser explicado. Reeditando en parte la noción deísta dieciochesca del Deus ex machina, los procesos materiales prescinden de la causalidad divina y adquieren autonomía inmanente en razón del determinismo de la causalidad y de la capacidad inmanente de la materia para estructurarse. La estructuración que la materia en definitiva actualiza es aquella que le es posible según las leyes que la rigen y según la capacidad de subsistencia que la funcionalidad resultante de una estructuración particular le confiere.

Cabría agregar que si el curso de la evolución del universo tiene algún sentido más allá de la estructuración histórica que ha experimentado la materia, no es resorte de la ciencia para determinarlo. Por parte de la finalidad, si acaso la evolución y la estructuración del universo tienen un propósito, una intención, una causa final, es algo que es imposible inferir por su solo conocimiento. Y el hecho comprobable de su progresiva complejificación, en términos de Pierre Teilhard de Chardin (1881-1955), es insuficiente para concluir que existe necesariamente una intencionalidad divina, aunque no lo es ciertamente para concluir sobre su imposibilidad. Simplemente, el conocimiento objetivo no puede determinarlo.

Sin embargo, el hecho de que el universo ha estado evolucionando desde su inicio y que seguirá haciéndolo hasta el final de los tiempos nos indica que la creación es energía que emana permanentemente desde el principio y es fuerza que continua estructurando la materia.

Las anteriores nociones son las que separan abruptamente la mentalidad científica de la mítica. En la actualidad podemos pensar que desde el primer instante de su existencia la materia tuvo las características que no sólo le permitieron adquirir infinitas formas, sino también la energía para ir conformando estructuras cada vez más complejas y funcionales. Es maravilloso saber que la materia que compone el universo surgió con una capacidad intrínseca para desarrollarse y evolucionar ilimitadamente, pero según leyes y relaciones de causa-efecto muy determinadas.

Ahora bien, el universo, considerado después del acto de creación, es el objeto de estudio tanto de la ciencia como de la filosofía, disciplinas que han encontrado en el análisis de las relaciones y de las causas la posibilidad del conocimiento objetivo. Las anteriores afirmaciones, de carácter más bien filosófico, pueden ser hechas ahora y después de decisivos descubrimientos y desarrollos científicos. Estos descubrimientos y desarrollos están relacionados con la energía, la masa, la carga eléctrica y, sobre todo, con la naturaleza de la luz y su velocidad.

El propósito de este ensayo no es servir de introducción a la física, sino que procura tener una perspectiva más afín con la filosofía de la naturaleza que con la ciencia, pues intenta meterse en lo más fundamental de las ideas que han surgido de la ciencia para explicar su sentido y razón de ser. Persigue recapitular materias de la ciencia que en la actualidad se encuentran innecesariamente de modos indeterminados e indefinidos, como con excesivo respeto tanto a las tradiciones de escuelas de pensamiento científico como al pensamiento de científicos eminentes.



CAPÍTULO 1 - MATERIA PRIMORDIAL



El universo es material y la materia es universal, identificándose ambos mutuamente. Tuvieron un origen en una causa extrauniversal e inmaterial que puede ser postulada, pero no conocida naturalmente. Tampoco la finalidad que pueda tener su evolución puede ser conocida, aunque la materia en sí misma puede explicar el cambio y la evolución de las cosas del universo. La materia (la masa y la carga eléctrica) y la energía que contiene el universo se encuentran tras la estructura y la fuerza de las cosas, estando la funcionalidad de las partículas fundamentales en el origen de toda estructuración y de toda fuerza, y siendo el empleo de la energía, no fuente de desorden, sino que de mayor complejidad y estructuración.


Mecánica


El fenómeno más evidente de la naturaleza es el movimiento de todos los cuerpos. Un cuerpo se mueve cuando cambia de lugar respecto a otros. El movimiento nos da la idea del espacio y el tiempo. De hecho, por aquél estos parámetros se relacionan entre sí. Un automóvil se desplaza, por ejemplo, a 90 kilómetros (espacio) por hora (tiempo) con respecto a la carretera. El movimiento es materia de estudio de la mecánica, que significa precisamente estudio del movimiento. Así, las mecánicas de Isaac Newton (1642-1727) y de Alberto Einstein (1879-1955) describen los movimientos de corpúsculos y cuerpos que están sometidos a la fuerza de gravedad, como las órbitas de los planetas en torno al Sol, la oscilación del péndulo de un reloj o el desplazamiento de los fotones. La mecánica cuántica, por su parte, describe movimientos de partículas que están sometidas a la influencia de la fuerza electromagnética, permitiendo el cálculo de estados de energía de electrones ligados a átomos. Esta descripción es necesaria para la comprensión tanto de la naturaleza cuántica de la radiación magnética como de la valencia química. Si lo primero que aparece de la naturaleza a un observador es el movimiento, el problema que sigue es qué lo produce. La respuesta que se ha dado desde la antigüedad es la fuerza.

Fuerza y masa

La idea moderna de fuerza se originó en el principio de inercia de Galileo Galilei (1564-1642), que dice: “un cuerpo sobre el cual no actúa ninguna fuerza conservará indefinidamente su estado de movimiento”. Dicho principio contradecía la enorme autoridad de Aristóteles, para quien hacía falta una fuerza permanente para mantener el movimiento. Así, mientras para Aristóteles un cuerpo permanece naturalmente en reposo en tanto una fuerza no lo mueva de su estado, para Galileo un cuerpo permanece naturalmente en movimiento en tanto una fuerza no cambie su estado. Así, pues, Galileo introdujo también la distinción entre movimiento y cambio. El movimiento es el desplazamiento de un cuerpo relativo a otro, mientras el cambio es la modificación de su movimiento. Es el cambio el que requiere la aplicación de una fuerza.

Newton incorporó a las ideas de movimiento, fuerza y cambio de Galileo el concepto de masa. Con la precisión que caracteriza su Dinámica Newton definió, en consecuencia, la fuerza en función del cambio del movimiento de la masa. Además de introducir el concepto de masa, le confirió dos funciones distintas: gravitación e inercia. La función de gravitación se refiere a la fuerza de atracción mutua que existe entre dos cuerpos. Esta fuerza es proporcional al producto de las masas de ambos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Por su parte, la función de inercia está relacionada con la tendencia de la masa a resistir al cambio de movimiento. Arriba vimos que según Galileo, es el cambio de movimiento, y no el movimiento mismo, el que requiere aplicación de una fuerza. Newton describió el movimiento, definido como el desplazamiento de un cuerpo en el espacio y el tiempo, a través de sus sencillas y ahora famosas tres leyes: 1. Un cuerpo se mueve en una dirección a menos que actúe una fuerza. 2. La fuerza aplicada a un cuerpo es igual a su masa tantas veces su aceleración. 3. Para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Así, si un cuerpo está bajo la acción de un sistema equilibrado de fuerzas, permanecerá en reposo, o bien se moverá uniformemente en línea recta. Solamente las fuerzas no equilibradas modifican el movimiento de un cuerpo. El cambio de movimiento a causa de una fuerza constituye la ley fundamental de la mecánica y supone que la única propiedad de los cuerpos que interesa en la relación fuerza-cambio de movimiento es la masa.

Para Newton, todo cuerpo contiene masa y al cuerpo se le puede abstraer la extensión y convertirlo, en nuestra imaginación, en un punto geométrico sin extensión. Así, la trayectoria del movimiento de un cuerpo considerado como punto geométrico es una línea geométrica. Pero también Newton anotó en Principia, su célebre libro: “La cantidad de masa es la medida de la misma que se establece proporcionalmente a una densidad y a su volumen”. Este principio debería ser considerado por quienes postulan singularidades y agujeros negros sin espacio.

El nuevo enfoque de Newton, que explica el movimiento de una masa con doble función, implicó un profundo cambio de mentalidad. Las cosas ya no pertenecen a estados distintos del universo por naturaleza, sino que el movimiento común entre las cosas les confiere una unidad en el universo y también otorga una unidad al mismo universo. Tanto la Luna como una manzana, y cualquier otra cosa del universo, son afectadas por la fuerza de gravedad y por la inercia. Las ideas del cambio de movimiento a causa de una fuerza y de la gravitación universal en función de una masa, junto con su explicación mediante la creación del cálculo diferencial, fueron los principales aportes científicos de Newton. La mecánica clásica, tal cual fue desarrollada por Galileo y Newton, con sus principios tan sencillos como universales, fue el fundamento de la filosofía que emergió en el siglo XVIII.

Energía

A los anteriores conceptos de cambio de movimiento y fuerza, es decir, el principio de inercia de Galileo y al concepto de masa de Newton, la dinámica moderna incorporó el concepto de energía. Este concepto tiene una data relativamente reciente. Fue desarrollado a mediados del siglo pasado, principalmente por William Thomson (1824-1907), más tarde lord Kelvin, y W. J. Macquorn Rankine (1820-1872). Comprende mucho de lo que se tuvo anteriormente por fuerza. Por consiguiente, es preciso diferenciarlo del concepto fuerza. Una cosa tiene energía si es capaz de ejercer una fuerza sobre una distancia, lo que en física se denomina trabajo. De este modo, la energía no es una cosa, sino que una capacidad o facultad de la cosa, y se distingue de la fuerza en el sentido de que la primera es un poder que tiene una cosa o un cuerpo, y la segunda es ejercida por una cosa o cuerpo en uso precisamente de ese poder. 

La fuerza se ejerce por el traspaso de energía entre dos cuerpos. El traspaso de energía se verifica a través de la fuerza y produce el cambio, con lo que se explicita la relación entre la causa y el efecto. La fuerza es la propiedad de la materia que permite que sus partes se relacionen causalmente en sus distintas manifestaciones a través de la energía.

Específicamente, la energía es la medida de la fuerza que puede ejercer una cosa o cuerpo y está relacionada con su masa a través de la velocidad. La energía es la capacidad para efectuar trabajo, y éste, que es un estado del movimiento, corresponde a una fuerza desarrollada a lo largo de un espacio determinado. Así, un trabajo realizado por un cuerpo en posesión de energía lo efectúa cuando aplica una fuerza, moviendo el punto de aplicación sobre un segundo cuerpo. El trabajo es el producto de la fuerza por la proyección sobre ella del desplazamiento de su punto de aplicación y depende de la dirección y sentido de la fuerza, siendo el trabajo máximo cuando la proyección del desplazamiento sobre el punto de aplicación tiene su dirección y su sentido. El trabajo es evidentemente nulo si el desplazamiento y la proyección de la fuerza son perpendiculares. La energía es, por lo tanto, una cantidad conservada, producto de la fuerza y la distancia a través de la cual una fuerza actúa provocando un cambio del movimiento. Luego, la fuerza es, en palabras de Miguel Faraday (1791-1867), la causa de una acción, siendo la fuente de todas las posibles acciones de y sobre los cuerpos y corpúsculos del universo. Por su parte, el concepto de potencia se refiere al índice temporal al que es gastada la energía.

En mecánica la energía está en función de la masa y la velocidad. Por masa se entiende el peso de un cuerpo relativo a la gravedad y se conserva invariante a través de los procesos físicos y químicos. Por una parte, la energía de un cuerpo depende de la cantidad de masa. Por la otra, la energía de un cuerpo depende de su velocidad. Pero la velocidad de un cuerpo es siempre relativa a otro cuerpo; está siempre referida a otro cuerpo. Luego, la energía de un cuerpo está en función de la velocidad que tenga respecto a este otro cuerpo. De este modo, la energía de un cuerpo depende de su masa, la cual se mantiene sin modificación, y de su velocidad que es siempre relativa a otro cuerpo.

Específicamente, la energía se relaciona con la masa en dos formas distintas: como energía potencial y como energía cinética. Esta distinción nos ayudará a comprender mejor la idea de una energía variable en razón de la velocidad y relativa a un segundo cuerpo. La cantidad de energía potencial que un cuerpo puede acumular en sí mismo depende primariamente de la cantidad de masa que contenga. Secundariamente, la energía potencial es una medida del efecto que un cuerpo es capaz de ejercer sobre un segundo cuerpo en virtud de sus respectivas posiciones, direcciones y velocidades relativas.

Para ser utilizada, la energía potencial debe transformarse en energía cinética. Más aún, para volverse en otras formas de energía la energía potencial debe transformarse primero en energía cinética. Pero la transformación de la energía potencial en energía cinética es sólo un asunto de perspectiva. Conforme se relaciona un cuerpo con otro en función del movimiento, la cantidad de masa específica que el primero contiene adquiere una energía cinética determinada por el movimiento relativo de ambos cuerpos. Luego, la energía cinética es la medida del efecto que la masa de un cuerpo puede ejercer sobre la masa de otro por obra de la velocidad.


Termodinámica


Prolegómenos

La fuerza se ejerce por el traspaso de energía entre dos cuerpos, y este traspaso se verifica a través de la fuerza y produce el cambio, con lo que se explicita la relación entre la causa y el efecto. La fuerza es la propiedad de la materia que permite que sus partes se relacionen causalmente en sus distintas manifestaciones a través de la energía. Toda relación de causa-efecto significa cambio y el vínculo entre una causa y un efecto es la fuerza. Una causa es el ejercicio de una fuerza que tiene por término un efecto. En la relación causal la causa genera una fuerza que el efecto absorbe y, en esta acción, ambos son modificados de alguna manera. La fuerza genera la relación causal al actualizar la energía. Un efecto es producido por la fuerza, recibiendo la energía que ésta porta. El ejercicio de una fuerza requiere contener energía en alguna forma, ya sea acumulada, como portadora (energía potencial), ya sea en movimiento, como transmisora (energía cinética). La fuerza es el vehículo de la energía que transita a lo largo de un acontecimiento entre una causa y un efecto. El cambio es el producto de la transferencia de energía por medio de la fuerza que produce estructuraciones y desestructuraciones en los cuerpos durante un acontecimiento o proceso.

Puesto que en toda relación causal se produce una secuencia temporal, la fuerza es aquello que se interpone entre el “antes” y el “después” de tal acontecimiento; ella constituye el “ahora” del acontecimiento. En todo cambio hay traspaso de energía de acuerdo a la primera ley de la termodinámica; todo cambio es irreversible, según su segunda ley. Por lo tanto, podemos subrayar que la fuerza genera el devenir y desarrolla el tiempo. Los acontecimientos conforman un proceso que genera un tiempo y un espacio para efectuarse. Una relación causal es el proceso, y depende de la cantidad de energía que se transfiere y de la velocidad de la transferencia. Un cambio puede ser tan imperceptible como la evaporación del agua en un vaso en el ambiente de una pieza o tan explosivo como la oxidación de un volumen de hidrógeno. También entre la causa y su efecto se genera un tiempo y un espacio, siendo la relación más rápida la que alcanza la velocidad de la luz. El espacio generado en una relación causal adquiere significación sólo cuando la causa y su efecto se relacionan entre sí; antes son solo campos de fuerza de ambos, causa y efecto, que no se relacionan aún.

Un solo acontecimiento, una sola relación causa-efecto, no logra decirnos mucho acerca del espacio-tiempo: tan sólo que un acontecimiento separa un antes de un después en algún lugar. La dimensión espacio-temporal es el conjunto de los múltiples acontecimientos particulares que están sucesivamente relacionados en un proceso, porque se van actualizando en un tiempo determinado, que es el presente para un determinado lugar del espacio. Pero esta dimensión no puede ser únicamente lineal, ni tampoco unidimensional. El tiempo no es independiente del espacio, pues la sucesión de acontecimientos no se da únicamente en un punto espacial, sino que abarca un tejido interdependiente de distintos acontecimientos cuya correlación es asunto de la posición en el espacio no sólo del observador, que es un referente particular, sino del big bang, que es el referente absoluto del universo. El universo es el conjunto de las interrelaciones causales que tiene su origen en el big bang. Y a causa de este origen común y estar compuesto por la misma energía, aquél tiene unidad y sus leyes naturales se cumplen en todo tiempo y lugar.

La acción de la materia no ocurre en el espacio-tiempo, sino que produce el espacio-tiempo. La relación de causalidad se da tanto directamente, mediante el contacto entre corpúsculos y cuerpos, como indirectamente, mediante los campos de fuerzas gravitacionales y electromagnéticos. Einstein descubrió que el fotón es la partícula encargada de las relaciones de causalidad electromagnética a distancia. De modo distinto, sin intervención de una supuesta partícula gravitacional, pero a causa de la funcionalidad gravitacional de la masa se produce la causalidad de la gravitación, y ello es efecto de la expansión del universo.

El espacio es propio de la estructura, y el tiempo, de la fuerza. Entonces, nuestro universo no es el campo espacio-temporal donde juegan fuerzas y estructuras, sino que el juego mismo es el espacio-tiempo desarrollado por la interacción fuerza-estructura. Si su origen primigenio fue una energía infinita contenida en un no-espacio, su evolución en el curso del tiempo ha seguido el transcurso de una continua y cada vez más compleja estructuración, la cual ha ido desarrollado el espacio. En el universo existen un límite inferior y un límite superior para la acción de la causalidad. El límite inferior es la dimensión del cuanto de energía, dado por el número de Planck, y que determina la escala más pequeña para la existencia de la relación causal. El límite superior para la relación causal se refiere a la velocidad máxima que puede tener el cambio, que es la de la luz.

La explicación de las anteriores afirmaciones se encuentra en dos consideraciones que son importantes. Por una parte, la energía no tiene existencia en sí misma, sino que a través de la materia. La materia en sí misma es condensación de energía. Pero también la materia es el medio a través del cual la energía fluye de un lugar a otro. Por la otra, la materia no es un algo indiferenciado, sino que estructurado. Al decir estructurado se refiere a dos características. En primer lugar, una estructura está compuesta por estructuras de escalas menores y forma parte de estructuras de escalas mayores, y en segundo término, toda estructura es específicamente funcional, es decir, emplea la energía para ejercer fuerza de manera específica. Las leyes de la termodinámica se refieren a la cantidad de energía. Evidentemente, la energía puede medirse por la cantidad, pero en la energía convertida en fuerza gracias a la funcionalidad específica de cada estructura se mide más bien la calidad. Por ejemplo, la energía contenida en el azúcar que la sangre lleva al cerebro es transformada por las neuronas en complejos pensamientos, tales como relacionar conceptos tan abstractos como materia, energía, estructura y fuerza. Así, en este ejemplo se pueden distinguir la física, la química, la biología, la psicología y la filosofía.

Transformaciones

La termodinámica, disciplina que analiza los procesos físicos que operan en cualquier sistema en términos de estado, y en oposición a la mecánica, describe la energía con gran brillo. Sus dos primeras leyes tienen una significación análoga: la energía de un sistema aislado es constante y su entropía tiende a un máximo. Su primera ley, enunciada primeramente por Hermann von Helmholtz (1821-1894) a partir del experimento de James Joule (1818-1889) que probaba la equivalencia del calor y del trabajo mecánico, es la de la conservación de la energía. Esta afirma que todo cambio en la materia debe ser compensado exactamente por la cantidad de energía: “la energía no puede ser creada ni destruida, sólo se transforma”. Vimos más arriba que la energía pasa desde una causa hacia un efecto. La energía total de un sistema aislado es siempre constante, a pesar de las transformaciones que haya sufrido.

Del mismo modo como toda estructura está constituida, en último término, por partículas fundamentales, los diversos tipos fundamentales de fuerza asociados a las estructuras son también limitados. Estas fuerzas transfieren un conjunto limitado de energías y también se disuelven en el mismo conjunto. Podemos distinguir entre estas energías la térmica, la química, la radiante, la eléctrica, la mecánica y la atómica. Únicamente la energía radiante puede darse en ausencia de masa o de carga eléctrica, pues existe en los fotones. Estas diversas formas de energía pueden transformarse unas en otras mediante un motor, el cual relaciona lo que tienen en común, que es la fuerza. Ésta se expresa en el cambio del movimiento de los cuerpos, desde partículas subatómicas hasta galaxias. Observemos que las estructuras no pueden interactuar si las fuerzas correspondientes no están relacionadas a energías del mismo tipo para que puedan sumarse, restarse o anularse.

El siguiente ejemplo puede ilustrar el caso: la reacción nuclear del Sol, asociada a las estructuras de los núcleos de hidrógeno, produce luz, la que es transmitida por radiación a la Tierra. Esta radiación produce la fotosíntesis, fenómeno químico asociado a una estructura molecular y que produce una estructura con un cierto contenido energético aprovechable. En su estado leñoso o de combustible fósil esta estructura puede combustionarse químicamente para generar calor. El calor, transmitido por radiación infrarroja, conducción y convección, excita los átomos de la estructura cristalográfica del receptor, logrando elevar su temperatura. Si es agua, puede transformarse en vapor, alterando su propia estructura intramolecular, y adquirir presión, esto es, conservar en sí la energía inicial. La presión del vapor puede mover un mecanismo asociado con una estructura mecánica, como un pistón o una turbina, y hacer girar un eje. Su movimiento, transmitido a un rotor, puede, en combinación con un estator, generar electricidad, energía asociada a la estructura del manto electrónico de los átomos. Mediante una resistencia eléctrica esta energía puede transformarse en calor y proseguir por un ciclo diferente y así sucesivamente ad in aeternum de acuerdo a la primera ley de la termodinámica o ley de conservación de energía.

Entropía o desorden

La segunda ley de la termodinámica, enunciada por primera vez por Nicolás Carnot (1796-1832), nos señala no obstante que cada transformación efectuada es irreversible si no hay aporte adicional de energía, siendo la irreversibilidad una característica fundamental de la naturaleza. La energía tiende a fluir desde el punto de mayor concentración de energía al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. Esto es, el flujo tiene un solo sentido y, por tanto, demuestra la irreversibilidad del tiempo, rompiendo la simetría entre el antes y el después y estableciendo la diferencia entre la causa y el efecto. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

Más tarde, Rudolf J. E. Clausius (1822-1888) aportó la idea de que “en toda transformación que resulte irreversible en un sistema aislado, la entropía aumenta con el tiempo”. Entropía, palabra griega que significa transformación, es el término que Clausius empleó para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía. Cuanto más uniforme, mayor es la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión. Las concentraciones de energía tienden a igualarse y la entropía aumenta con el tiempo.

Usualmente la entropía se la representa figurativamente, a partir de Ludwig Boltzmann (1844-1906), como una medida de desorden. A pesar de que esta imagen ha ganado popularidad, frecuentemente ella se presta a gran confusión y muchos equívocos, pues el desorden se lo representa en forma estructural y, por lo tanto, estático, en circunstancias de que la entropía se trata de un fenómeno dinámico y se refiere únicamente a la energía. El error es explicar lo que ocurre con la energía recurriendo a la estructura. Y así, algunos (en realidad, muchos), expresando figurativamente la segunda ley al modo de Boltzmann, afirman que el desorden, imaginado como homogeneización estructural, siempre aumenta con cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, lo cual es un error.

Entropía o transformación

A pesar de la difusión que ha tenido la identificación de la idea de homogeneización, propia del desorden estructural, con el concepto de uniformidad con que se describe la entropía a partir de Clausius y Boltzmann, sugiero no obstante que por entropía debe entenderse genéricamente transformación, tal como es su etimología. Ahora bien, desde el punto de vista de la energía, por entropía debe entenderse específicamente una medida de disponibilidad de energía o de la probabilidad del estado de un sistema físico; si un sistema se ha desviado de su estado de equilibrio estadístico, la probabilidad de que vuelva a dicho estado es mucho más grande que la de que se aleje aún más.

En palabras no cuánticas, lo decisivo de esta segunda ley es que afirma simplemente que en un sistema cerrado, en el que la energía permanece constante, disminuye la cantidad de energía disponible para realizar trabajo; se puede convertir todo trabajo en calor, pero no se puede convertir todo el calor en trabajo. Así, aunque se mantiene el haber total de energía, no toda ella puede ser convertida en trabajo, puesto que éste siempre fluye del cuerpo caliente al frío o, más genéricamente, desde el que tiene mayor energía potencial hacia el que tiene menos. En consecuencia, el trabajo aprovechable en cualquier proceso concreto ocurre entre dos estados determinados de energía potencial. Una vez agotada la energía disponible cesará el proceso. Si se quisiera efectuar nuevo trabajo útil habría que abrir temporalmente el sistema cerrado y suministrarle energía adicional.

Tiempo después, el mismo Clausius introdujo el interesantísimo concepto de “disgregación” a manera de una medida de la ordenación de las moléculas de un cuerpo, dándole una explicación mecánica. Contrario a esta nueva formulación de la segunda ley de la termodinámica, James Clerk Maxwell (1831-1879) argüía que ésta es una ley esencialmente estadística que describe el comportamiento de un gran número de moléculas y que no puede ser explicada mediante una teoría de los movimientos moleculares individuales. Pero para Clausius la disgregación es más fundamental que la entropía, y desde nuestra perspectiva, él andaba por el camino correcto, pues la segunda ley, más que entenderse como cambio y transformación, o desorden, se refiere principalmente al efecto de la aplicación de trabajo.

Así, en todo sistema en que la energía se convierte en trabajo, existe tanto desestructuración como estructuración de la materia. Pero puesto que toda estructura es funcional en toda escala a partir de la estructura más fundamental de todas, el resultado neto de la aplicación de trabajo, que termina en entropía, es recíprocamente una mayor estructuración de la materia. Más que un simple ordenamiento de moléculas, partículas o cualquier otro tipo de unidades, como pensaba Clausius, la disgregación es en realidad estructuración. Si lo que antes era y ahora aparece disgregado, la disgregación es en efecto la estructuración de otra cosa probablemente más compleja. De éste modo, todo trabajo se emplea en el proceso de estructuración, y toda transformación produce nuevas estructuras, incluso de escalas superiores.

Boltzmann sólo era capaz de ver desorden como resultado del ingreso de energía en un sistema. Si un tarro de pintura recién abierto, que contiene un conjunto heterogéneo de materiales, tales como pigmentos diversos, aceites, disolventes, etc. en estratos, lo revolvemos, es decir, traspasamos la energía de nuestro brazo al sistema del tarro, al cabo de unos minutos los compuestos quedarán homogeneizados y podremos aplicar el compuesto a una superficie para que quede de un solo color. Boltzmann hubiera dicho que el desorden es completo y la entropía máxima. No obstante él habría estado en un error. Para explicar este dilema, podríamos considerar esta aplicación de energía como una condición del sistema. Entonces, al cabo de días o semanas de revolver, y si la pintura se encuentra además expuesta a la sequedad del aire, sin duda aparecerán algunos pequeños conglomerados y grumos en ella, hasta que se produzca algún tipo de estructuración nueva, probablemente no tan funcional a nuestras necesidades como para cubrir de color alguna superficie.

Sin embargo, la estructuración que resulta de la entropía no se limita unilinealmente a la sola escala del sistema considerado, como ocurre cuando una sustancia, junto a otra (u otras) se transforma en una tercera. Así, por ejemplo, algunos seguidores de Boltzmann debieran “lamentar que cristales de sacarosa deban disolverse irreversiblemente en, digamos, un determinado volumen de leche de vaca. Pero si tras aplicar calor y revolver la mezcla por un tiempo obtenemos una nueva estructura caracterizada por un color, textura, sabor y hasta aroma que nos deleita y que llamamos “manjar blanco”, ya no tendríamos razón para lamentarnos. Incluso, aquellos seguidores quedarían perplejos si esta nueva estructura se transformara en subestructura de otra extraordinaria estructura que llamamos torta de panqueque con nuez.

Entropía y estructuración

Lo que indica el ejemplo anterior es que las fuerzas exógenas que intervienen en un sistema producirán ciertamente grados de desestructuración y de homogeneización. Si estas fuerzas exógenas son consideradas como condiciones del sistema, como por ejemplo, la fuerza de gravedad, la radiación solar, la presión atmosférica, la humedad relativa, etc., no sólo las fuerzas endógenas de las partículas fundamentales, sino que también la capacidad funcional de las estructuras para transformar energía exógena y para relacionarse mutuamente, conseguirán nuevas estructuraciones de la materia.

El punto que se debe destacar es que la energía que ingresa en un sistema no lo hace en forma indiferenciada, sino que mediante algún tipo específico de fuerza o de fuerzas. Ciertamente, a una causa determinada sigue un efecto también determinado. Este efecto puede ser una estructuración a escala superior, como cuando se juntan dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno. La estructuración resulta virtualmente impredecible, no pudiendo establecerse el efecto específico que sigue, cuando una pluralidad de causas actúa en forma aleatoria y variable.

En consecuencia, se puede sugerir que entropía no significa sólo homogeneización, sino que su resultado es la estructuración, y que lo que la segunda ley de la termodinámica expresa realmente es que en un sistema cualquiera la energía disponible empleada para realizar trabajo no produce necesariamente uniformidad y menos desorden. Por el contrario, esta energía se utiliza para estructurar la materia según la funcionalidad de las estructuras y dependiendo de sus distintas escalas, desde las más simples hasta las más complejas. Además, las estructuras creadas obtienen un equilibrio energético y una conservación molecular, situación que tiende a mantenerse mientras el sistema no entregue ni absorba energía, esto es, que no sea ni causa ni efecto. La propuesta redefinición de la segunda ley fundamenta aún más la teoría de la complementariedad estructura-fuerza.

La explicación de las anteriores afirmaciones se encuentra en dos consideraciones que son importantes. Por una parte, la energía no tiene existencia en sí misma, sino que a través de la materia. La materia en sí misma es condensación de energía. Pero también la materia es el medio a través del cual la energía fluye de un lugar a otro. Por la otra, la materia no es un algo indiferenciado, sino que estructurado. Al decir estructurado me refiero a dos características. En primer lugar, una estructura está compuesta por estructuras de escalas menores y forma parte de estructuras de escalas mayores, y en segundo término, toda estructura es específicamente funcional, es decir, emplea la energía para ejercer fuerza de manera específica. Las leyes de la termodinámica se refieren a la cantidad de energía. Evidentemente, la energía puede medirse por la cantidad, pero en la energía convertida en fuerza gracias a la funcionalidad específica de cada estructura se mide más bien la calidad. Por ejemplo, la energía contenida en el azúcar que la sangre lleva al cerebro es transformada por las neuronas en complejos pensamientos, tales como relacionar conceptos tan abstractos como materia, energía, estructura y fuerza. Así, en este ejemplo se pueden distinguir la física, la química, la biología, la psicología y la filosofía.

Límites

Prosiguiendo con la física, si se deseara aumentar al máximo la entropía, el estado final del proceso debiera tener la temperatura más baja posible. La entropía máxima que se puede esperar es que toda la energía haya sido empleada en el proceso de estructuración. Sin embargo, la entropía tiene un límite que es expresado por una tercera ley de la termodinámica: “conforme nos acercamos al cero absoluto, las energías libres y totales llegarán a hacerse iguales”. Esta ley implica que nunca un cuerpo puede llegar a la temperatura de cero absoluto, punto en el cual los procesos transcurren sin pérdida de energía. El cero absoluto no puede ser alcanzado; es inaccesible. A la temperatura de cero absoluto simplemente deja de haber movimiento. De este modo, mientras la velocidad finita de la teoría de la relatividad fija el límite máximo a los cambios de energía posible, la energía de punto cero de la termodinámica les fija el límite mínimo. Esta limitación de un proceso natural --el alejamiento asintótico de un ideal propuesto por las nociones matemáticas de infinito y cero-- condiciona la realidad del universo. Todos los cambios reales de energía son finitos y todo cambio de energía, por pequeña que sea, implica pérdida. Jamás se puede alcanzar la estructuración absoluta.

Todo sistema, en cuanto estructura, pertenece a un sistema de escala mayor, siendo el mayor de todos, límite absoluto de todo, el mismo universo. En este sentido, ningún sistema puede ser considerado absolutamente cerrado, pues forma parte del universo de una u otra manera. Y el universo, en tanto sistema, no es cerrado, pues sus límites se van expandiendo en forma continua y permanente a la misma velocidad que la máxima que puede alcanzar la causalidad, que es la de la luz.

En el curso de la historia del universo, cuyo origen estuvo en una cantidad infinita de energía contenida en un punto espacial infinitamente pequeño, se puede suponer que la condensación de energía, en la medida que el espacio se fue expandiendo a la velocidad de la luz, ha tenido como resultado una creciente estructuración de la materia que ha tenido como principio la conversión de energía en masa y carga eléctrica. Todas las cosas del universo no han emergido con diferentes grados de estructuración, sino que han surgido a partir de las partículas fundamentales que han sido el inicio de la estructuración de la materia para proseguir a través de escalas sucesivas cada vez más complejas. Toda estructura es una forma de contener energía, y la masa y la carga eléctrica se han ido estructurando en formas cada vez más eficientes de contener y utilizar energía.


Relatividad


Precursores

Para la física clásica, un cuerpo en reposo respecto a otro no tiene energía, sino sólo masa. Recibe energía sólo cuando se pone en movimiento respecto a otro cuerpo. La energía aumenta con la velocidad de la masa. El cuerpo gana en inercia. Sin embargo, para el físico holandés Hendrick Antoon Lorentz (1853-1928), la masa del cuerpo crece si su velocidad aumenta, pero no de modo proporcional según el aumento de la velocidad, sino exponencialmente hasta el límite de la velocidad de la luz. A la velocidad de la luz la masa de un cuerpo sería infinita.

Lorentz había deducido su ecuación de la idea del físico irlandés George Francis Fitzgerald (1851-1901), quien, en 1893, expresó una hipótesis para explicar los resultados del experimento de Michelson-Morley respecto a la velocidad de la luz, aduciendo que toda materia se contrae en la dirección del movimiento y que esa contracción aumenta exponencialmente según la velocidad de la masa. Según su propia ecuación, a velocidades muy elevadas la contracción es sustancial. Por ejemplo, una regla de 30 cm de longitud que pasara ante nuestra vista a 262.000 km/s nos parecería que mide sólo 15,24 cm, y a la velocidad de la luz su longitud en la dirección del movimiento sería cero. Este fenómeno recibió el nombre de “contracción de FitzGerald”.

Teoría especial de la relatividad

Para la teoría especial de la relatividad, producto del genio del citado Einstein, el acrecentamiento de la energía cinética de un cuerpo ocurre simultáneamente con el de su masa, y llega a ser enorme para velocidades próximas a la de la luz, llegando a ser infinita si la masa alcanzara dicha velocidad, cosa que lógicamente es imposible experimentar, indicando que la velocidad de la luz es una barrera infranqueable. Einstein dedujo que la energía de un cuerpo en reposo es el producto de su masa por el cuadrado de la velocidad de la luz, relación que se escribe en la famosa fórmula E = m c². Así, la energía contenida en la masa es enorme (1 gramo de masa contiene 9 billones de julios, ó 25 millones de kilovatios hora). Esta realidad es de gran importancia y significa que la energía y la masa son interconvertibles, siendo la masa un enorme acumulador de la energía y siendo ambas dos aspectos de una misma realidad. Si en el comienzo del universo sólo hubo energía, la masa existente ha sido el producto de la conversión de parte de dicha energía.

Así, pues, la teoría de la relatividad resulta ser un perfeccionamiento de la teoría de la gravitación universal, y surgió para compatibilizar la idea newtoniana de que toda velocidad, incluida la de la luz, depende del movimiento del observador, con la idea de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores. Esta teoría, publicada por Einstein en 1905, se denomina “especial” o “restringida” porque se refiere al movimiento a velocidad constante respecto al observador, y se distingue de la teoría “general”, publicada diez años después, que se refiere al movimiento uniformemente acelerado. Analizaremos a continuación el fundamento de esta primera teoría.

Newton supuso que para las leyes físicas de la inercia y la gravitación debe existir un sistema de referencia absoluto. Este sistema lo atribuyó a un tiempo y un espacio absolutos, donde los acontecimientos son simultáneos. Esta idea probó ser una abstracción, o una simplificación de la realidad. Así, pues, mientras los parámetros de tiempo y espacio fueron considerados absolutos, se pudo pensar en la simultaneidad de los sucesos para distintos observadores. Pero, a partir del descubrimiento realizado por Albert A. Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923) de que la velocidad del movimiento tiene un límite absoluto de 299.793 kilómetros por segundo en el espacio vacío, Einstein revolucionó la concepción euclidiana respecto a la infinitud y la eternidad del universo. En primer término, si la velocidad máxima del movimiento es la de la luz y tiene un valor absoluto, ella constituye una constante universal. Esta velocidad máxima para la propagación de una causa se refiere tanto a los fenómenos electromagnéticos, por ejemplo la luz, como a los fenómenos gravitacionales, y es el tope absoluto para el movimiento de la masa.

En segundo lugar, si la velocidad del movimiento tiene un límite máximo absoluto, entonces el tiempo y el espacio tienen que ser relativos para un observador con relación al cuerpo observado que se mueve, ya que la velocidad de la luz es enteramente independiente del movimiento tanto de la fuente luminosa como del observador. Así, dos sucesos acaecidos en lugares diferentes son o no simultáneos dependiendo de la posición del observador. El universo no tiene un sistema de referencia absoluto, diría Einstein. Me atrevería a agregar que los únicos referentes absolutos para el universo son su inicio en el big bang, la gran explosión que estuvo en el origen del universo, y el tiempo presente del observador. El hecho de que el tiempo y el espacio son en sí mismos relativos y que se relacionan entre sí a través de la velocidad de la luz, único parámetro absoluto, llevó a Einstein a hablar, no de tiempo y espacio, sino de espacio-tiempo.

La teoría de la relatividad parte, como hipótesis fundamental, de que las acciones no pueden propagar sus efectos con una velocidad mayor que la de la luz. La propagación de la fuerza no puede superar la velocidad de la luz. Esta velocidad es el límite de la propagación del efecto en el cono de luz, que comprende los puntos espacio-temporales que son alcanzados por la onda lumínica emitida por el punto activo. Puesto que el campo de fuerza, cuya velocidad máxima es la de la luz, determina las relaciones espacio-temporales entre los sucesos, no puede existir un sistema de referencia absoluto. Todos los sistemas inerciales son equivalentes, y la contracción de las longitudes y la dilatación de las duraciones observadas son recíprocas.

En el espacio-tiempo newtoniano podemos suponer que entre el pasado y el futuro se intercala un momento infinitamente breve, al que llamamos el instante actual. Einstein descubrió que lo que se intercala es un intervalo temporal finito cuya amplitud depende de la distancia espacial entre el acontecimiento y el observador, y, en último término, entre la causa y el efecto, pues lo percibido por el observador es el efecto del acontecimiento.

Al aceptar que la velocidad de la luz es constante, se debe aceptar también una serie de fenómenos inesperados que salen de nuestra experiencia cotidiana. Famosos son los ejemplos de Einstein empleando trenes en marcha, varas de medida y relojes para dar a entender que para un observador los objetos tienden a acortarse en la dirección del movimiento hasta llegar a una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz (contracción de FitzGerald). En dichos objetos, para el observador, el paso del tiempo tiende a hacerse más lento, hasta detenerse en el límite de la velocidad de la luz. Para el mismo observador la masa de aquellos objetos en movimiento tiende a aumentar con la velocidad hasta hacerse infinita con la velocidad de la luz (transformación de Lorentz).

El corolario que sigue es que la energía que se debe imprimir a un cuerpo tendría que ser infinita para que llegara a alcanzar la velocidad máxima límite; o, desde el punto de vista complementario, la masa de tal cuerpo que alcance la velocidad de la luz llegaría a ser infinita en la perspectiva del observador ubicado ya sea en el punto de partida o en el de llegada; toda la energía que se le transfiera se va convirtiendo en masa a medida que el cuerpo se va desplazando cada vez más cercano a la velocidad de la luz, desde el punto de vista de dicho observador. Por ello, a la velocidad máxima absoluta, o de la luz, no puede haber masa. De ahí que tan solo los neutrinos y los fotones, las únicas partículas que se desplazan a esa velocidad, no tienen masa ni carga eléctrica, y de éstos, sólo los fotones tienen únicamente energía.

La energía que contendría la masa de un cuerpo que viajara a la velocidad de la luz es más que el suplemento de masa que se agrega a la masa de un cuerpo cuando es sacado del reposo y que proviene de la transformación, proporcional al cuadrado de la velocidad, de su energía cinética en masa, según lo establecido por Newton. Según la teoría de la relatividad, ese suplemento es infinito. El suplemento de masa no es proporcional a la velocidad, sino que se va haciendo asintóticamente infinito a medida que la masa se acerca a la velocidad de la luz.

Einstein dedujo que la masa y la energía son interconvertibles a la velocidad de la luz. A esta velocidad la masa adquiere una nueva función, además de las establecidas por Newton de inercia y gravedad. Su sencilla fórmula E = mc² afirma que la masa es una forma muy concentrada de energía, pues el valor de la velocidad de la luz al cuadrado es realmente grande. Esta relación fue experimentalmente comprobada en 1932 por Cockroft y Walton, en su acelerador de partículas, al descomponer en dos núcleos de helio un núcleo de litio, bombardeado con protones de hidrógeno. La famosa fórmula significa que la masa es condensación de energía y que puede también convertirse en energía.

Teoría general de la relatividad

A fines de 1915 y diez años después de enunciar su teoría especial de la relatividad, Einstein publicó su teoría general. Esta se hacía necesaria para él en vista de que su teoría especial daba cuenta únicamente de sistemas inerciales de movimiento rectilíneo y uniforme, mientras que en el universo real de las fuerzas gravitacionales existen no sólo sistemas de movimientos acelerados, sino que también existirían sistemas de movimiento curvilíneos.

Lo primero que hizo fue formular el principio de equivalencia de los efectos del movimiento acelerado y los del campo gravitacional, las dos funciones distintas de la masa de Newton, es decir, inercia y gravitación. Una persona que estuviera sobre la superficie de la Tierra tendría el mismo peso relativo que si estuviera en un ascensor que mantuviera un movimiento uniformemente acelerado de 1 G. A ella le sería imposible distinguir el movimiento producido por fuerzas inerciales (aceleración, reculado, fuerza centrífuga, etc.) del producido por la fuerza de gravedad. Este principio es la clave de la teoría de la relatividad general, y también su debilidad.

En su propia concepción cosmológica Einstein sustituyó el campo de gravitación por sistemas de referencia de carácter acelerado, descartando el concepto clásico de la fuerza gravitatoria que atrae. La gravitación deja de ser una fuerza, y no atrae nada. La idea de que los cuerpos se atraen entre sí sería una ilusión causada por erróneos conceptos mecánicos de la naturaleza. El universo no sería una máquina que produce fuerzas gravitatorias. En cambio, la gravitación sería una propiedad geométrica que el continuo espacio-temporal adquiriría en las cercanías de las masas. La masa, por simple presencia, intervendría en la estructura geométrica del espacio y en el ritmo del transcurrir del tiempo, acortando las distancias y prolongando las duraciones. La gravitación sería una perturbación métrica que la presencia de la masa provocaría en el espacio-tiempo.

El comportamiento de los cuerpos en un campo gravitacional no estaría en función de atracciones, sino en función de las trayectorias que siguen. La gravitación sería simplemente parte de la inercia. El movimiento de los cuerpos (cometas, planetas, estrellas, etc.) dependería de su inercia y los cursos respectivos que siguen estarían determinados por las propiedades métricas del continuo espacio-temporal. La gravitación daría la medida de la deformación que experimentan la distancia y la duración en torno a grandes masas. Esta deformación tendría su valor propio en cada punto del continuo espacio-temporal.

Critica a la teoría general de la relatividad

El problema fundamental de la teoría de la relatividad general está en haber hecho equivalentes las dos funciones de la masa que Newton descubrió: la inercia y la gravedad. En su teoría especial Einstein había tenido un acierto extraordinario cuando correlacionó la energía con la masa en función de la velocidad de la luz. Sin embargo, en el caso de su teoría general él no tenía justificación alguna para identificar la inercia y la gravedad. Éstas son dos funciones completamente distintas de la masa sin relación alguna entre sí, excepto por la existencia de la masa. Adicionalmente, los escasos fenómenos que han sido observados y que podrían sustentar esta teoría pueden ser en realidad efectos de otras causas. En el fondo, existen dos problemas básicos en la teoría general de la relatividad: 1º Concibe la existencia del espacio-tiempo como anterior a la masa-energía, y no como una condición de la causalidad entre las cosas en las que intervienen la masa y la carga eléctrica. 2º Supone que el espacio-tiempo es un continuo, en circunstancias de que fundamentalmente está dividido cuánticamente.

Si bien la teoría especial de la relatividad es efectivamente una teoría científica por cuanto relaciona la energía con la masa a la velocidad de la luz, que son hechos totalmente verificables, no se puede decir lo mismo de la teoría general. En el caso de ésta, por ser una descripción de la realidad basada en supuestos principios, no es propiamente una teoría, sino que una concepción filosófica del universo. Toda concepción filosófica tiene la función de proveer un marco de comprensión más abstracto que la realidad propiamente causal. Sin embargo, ella no tiene un sustento teórico, pues la correlación de la inercia con la gravedad no es verificable, sino que es una analogía para casos específicos.

La gravedad es el efecto de la tendencia a la separación que tiene la masa que se desplaza radialmente a la velocidad de la luz desde el punto original en el big bang y que, por tanto, posee energía infinita respecto a su origen. La inercia es la energía que obtiene la masa respecto al movimiento de otro cuerpo masivo.

No se puede concluir que dos causas de origen distinto deban identificarse entre sí por tener un mismo efecto aparente. Una persona puede tener el mismo peso de 80 kilogramos cuando está parada en la vereda que cuando está parada en el piso de un ascensor que se desplaza en el espacio y fuera de cualquier efecto gravitatorio a una velocidad acelerada de 9,8 m/s². La diferencia es que para dar dicho efecto el ascensor depende de un motor que consumiría constantemente una cierta cantidad de energía para dar al movimiento una determinada aceleración, considerar su peso y el de sus cables y pasajeros, y contrarrestar al mismo tiempo el efecto de un roce cada vez mayor, mientras que la gravedad de la Tierra depende de otro tipo de energía.



CAPÍTULO 2 - MATERIA FUNDAMENTAL 



En la escala más fundamental la energía se transmite en forma discontinua e indeterminista mediante cuantos. En la escala superior este indeterminismo se transforma en determinismo al ser comprendido como un fenómeno estadístico. Esta relación de indeterminación propia de una escala a determinación en una escala superior, mediada por al estadística, puede extenderse a todos los sistemas y procesos de todas las escalas del universo. La estructuración de la materia tiene su principio en las partículas fundamentales, las más pequeñas unidades de la materia. Por su parte, estas partículas son la condensación de la energía primigenia y son centros y orígenes de las fuerzas fundamentales y del espacio-tiempo. En esta escala no funciona la geometría. Tampoco existe un continuo espacio-temporal, puesto que el espacio-tiempo no es preexistente a las cosas, sino que es consecuencia de la interacción de las partículas. Aquellas partículas son tan funcionales que no se encuentran solas, sino que como unidades discretas de las estructuras subatómicas. A partir de ellas la totalidad del universo se ha ido estructurando.


Desentrañando lo ínfimo


Energía discreta

Cinco años antes de que Albert Einstein (1879-1955) enunciara su notable teoría, la de la relatividad especial, y a días de comenzar el siglo XX, el 14 de diciembre de 1900, Max Planck (1858-1947), a pesar de sus propias convicciones, pero a consecuencia de los porfiados hechos empíricos, se había visto obligado a emitir la otra gran teoría que, en el siglo XX, conmocionó la física hasta sus cimientos. Había concluido que contra toda lógica la energía de la radiación de un cuerpo negro está cuantificada y es emitida de forma discontinua, como unidades discretas, es decir, que la energía que se intercambia entre dos cuerpos es en forma celular e indivisa.

Aunque supuso que la discontinuidad reside únicamente en el intercambio de energía entre el cuerpo y la radiación, se comprobó más tarde que el cuerpo no sólo está conformado por unidades discretas que generan lugares espaciales, sino que estas unidades, por el hecho de ser discretas, emiten o reciben energía también como unidades discretas o cuantos de energía, es decir, sin continuidad alguna. Es como una llave de agua: abierta completamente sale un chorro, el que va disminuyendo en la medida que la llave se va cerrando; pero en un punto dado del cierre el agua no seguirá fluyendo como un hilillo cada vez más fino, sino que como gotas muy uniformes y cuya frecuencia irá disminuyendo con cada apriete para cerrar la llave. Tal como la teoría de la relatividad había puesto límite a la velocidad de la relación causal, la mecánica cuántica afirmaba que la relación causal no es continua. El cambio en la escala más pequeña se producía por saltos y no en forma continua. De este modo, se concluía que la energía se transmite en “paquetes” o cuantos (de la palabra latina quantum).

A partir de la mecánica cuántica, el mismo Einstein explicó, en 1918, el fenómeno fotoeléctrico, o más bien, el fenómeno fotoeléctrico explica la mecánica cuántica mejor que el de las radiaciones del cuerpo negro empleado por Planck. Fue por esta contribución, y no por su revolucionaria teoría de la relatividad, que él recibió el premio Nobel. El proceso de absorción de la luz y emisión de electrones es un proceso estadístico, en el cual el átomo captura cuantos luminosos, granos de luz, o “fotones” como él los designó, de cierta frecuencia, y expulsa electrones, y la velocidad de los electrones expulsados no depende de la intensidad de la luz, sino de su frecuencia.

El modelo atómico

La mecánica cuántica se aplicó al estudio de la estructura del átomo, y en el lapso de 17 años –desde 1913 hasta 1930–, se llegó a formular un modelo de átomo que explicaba todos lo fenómenos naturales conocidos relacionados con la física atómica, desde la tabla periódica de Mendeléiev hasta las relaciones de las líneas espectrales de la serie de Balmer. Este esfuerzo de un grupo de notables físicos es un extraordinario ejemplo de deducir la estructura por sus fuerzas y funciones. Así, a partir de las fuerzas fundamentales que se iban observando y midiendo y de los modos como se ejercían, fue posible ir construyendo modelos de la estructura del átomo hasta obtener un modelo final que explica perfectamente bien el comportamiento de dichas fuerzas.

En 1913, Ernest Rutherford (1871-1937), a partir de los datos atómicos del peso, la densidad y volumen del núcleo, y también de la carga eléctrica del núcleo y los electrones, había deducido un modelo planetario, donde el núcleo, mucho más pesado, es orbitado por electrones que giran en su torno, al modo de planetas, y en cantidad igual al número atómico. Sin embargo, el hecho de que la estabilidad de los electrones no pudiera ser explicado por este modelo derivado de la mecánica clásica inspiró a Niels Bohr (1885-1962), ese mismo año, a formular un modelo cuantificado del átomo a partir de la hipótesis de la mecánica cuántica de Planck. Así, a diferencia del planeta, un electrón es una carga eléctrica. Cualquier órbita es concebible alrededor del Sol; en cambio, a los electrones les son permitidas sólo aquellas órbitas que satisfacen, como condición, que el momento de la cantidad de su movimiento con respecto al núcleo sea igual a un número entero del cuanto. Luego, cada órbita electrónica está caracterizada por un número cuántico, y cuando los electrones son perturbados, sólo pueden saltar desde su órbita hacia otra órbita determinada cuánticamente.

Pero el modelo de Bohr no estaba completo. En 1915, Arnold Sommerfeld (1868-1951) probó que las órbitas descritas por los electrones son elípticas. Después, en 1920, George Eugene Uhlenbeck (1900-1988) y Samuel Abraham Goudsmit (1902-1978) encontraron que el electrón tiene un momento rotatorio que es tanto cinético como magnético y que denominaron “spin”. Más tarde, en 1925, Wolfgang Pauli (1900-1958) postuló el principio de exclusión: la presencia de un electrón en su estado cuántico excluye la presencia de todo otro electrón en el mismo estado.

Onda o corpúsculo

A todo esto, la mecánica cuántica de Planck contradecía la mecánica ondulatoria de la luz de Maxwell. Para aquélla, la luz está constituida por corpúsculos, puesto que puede ser localizada por medio de una observación, y explica fenómenos como los efectos fotoeléctrico (emisión de electrones de un metal cuando incide sobre éste radiación electromagnética), comptiano (aumento de la longitud de onda de los rayos dispersados por átomos livianos) y ramaniano (el choque de fotones de luz visible contra moléculas o átomos de un medio difusor está acompañado de una variación de frecuencia), en tanto que la mecánica ondulatoria había demostrado que la luz se desplaza en forma de ondas, puesto que posee un conjunto de velocidades y posiciones posibles, y explica los fenómenos de interferencia, difracción y polarización.

Sin embargo, esta contradicción, onda versus corpúsculo, es solamente aparente. Para Louis de Broglie (1875-1960), en 1924, no se trató de “corpúsculos u ondas”, sino de “corpúsculos y ondas”. La onda representa el aspecto continuo de los fenómenos naturales; el corpúsculo, en cambio, representa su aspecto discreto. En el átomo de Bohr las órbitas permitidas son las únicas órbitas para las que las descripciones del electrón como onda y partícula son consistentes. Una órbita “no permitida” puede ser una en que la onda encaje, pero el corpúsculo se mueva demasiado rápido para permanecer en órbita. A la inversa, puede ser que el corpúsculo sea estable, pero la onda no encaje un número parejo de veces. La trayectoria de una onda es pareja si su perímetro es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda, permitiendo a la onda asociada al electrón encontrarse después de cada recorrido en la misma fase. Sólo cuando los dos puntos de vista son consistentes, es decir, cuando la órbita del corpúsculo es estable y la onda es pareja, se consigue una órbita permitida. Así, las órbitas de Bohr son aquellas para las que no constituyen ninguna diferencia si el electrón es un corpúsculo o una onda. Es precisamente este carácter estacionario que permite la coexistencia de los dos fenómenos aparentemente irreductibles: el estático del corpúsculo y el vibratorio de la onda.

Puesto que no existe en el universo ningún corpúsculo en reposo, en todas partes donde hay materia hay también ondas. Afirmar que la energía de un corpúsculo es proporcional a su frecuencia (para Einstein) es lo mismo que afirmar que tal energía es inversamente proporcional a su longitud de onda (para de Broglie). Diríamos que la energía es una magnitud cuantificable únicamente como producto de ella por el espacio-tiempo, pues lo que es cuantificado es el intercambio de energía en el espacio-tiempo. Luego la energía se comporta en el tiempo y el espacio respectivamente como corpúsculo de una particular frecuencia o como onda de una particular longitud. En consecuencia (y esto es importante), diríamos que el tiempo y el espacio no son magnitudes continuas como se tiende en general a suponer.

Erwin Schrödinger (1887-1961), en 1926, imaginó el cuanto de luz, o fotón, ya no como una partícula, ni como una partícula en el seno de una onda, como De Broglie supuso, sino únicamente como una onda. Al fin y al cabo Planck había ya identificado la energía con la onda con la expresión E = h v, donde h es la constante universal de Planck y v es la frecuencia de la onda. El problema que Schrödinger dejó sin resolver se refiere a que una onda sin partícula es irreal.

Probabilidad y estadística

Ese mismo año de 1926, Max Born (1882-1970) apuntó a una salida para este problema. Supuso que la onda carece de realidad y que, por lo tanto, no es portadora de energía. La onda es simplemente un medio de describir el movimiento corpuscular. La amplitud de onda, que mide la intensidad de la luz, se relaciona con una cantidad de fotones, de modo que mide la cantidad de fotones presentes en un punto dado. La probabilidad determinada por la onda de la presencia de una cantidad de fotones es la que se propaga en forma de onda en el espacio-tiempo. La función de las ondas asociadas a los corpúsculos no es la de transportar cualquier cosa que sea, incluida la energía, pero sí la de medir la probabilidad más o menos grande de la presencia en el tiempo y el espacio de los corpúsculos. Su única realidad es figurar en las ecuaciones de Schrödinger y las matrices de Heisenberg. La interpretación probabilística de Born a la mecánica ondulatoria modificó las nociones de onda y partícula y le dio un nuevo sentido. La onda carece de realidad física y sólo es el símbolo de lo que sabemos sobre el corpúsculo. En tanto éste ha dejado de tener una posición bien definida y sólo posee una probabilidad de presencia. Las nociones de velocidad y trayectoria, características del clásico corpúsculo, se esfumaron.

El hecho de que la energía, en su forma fundamental, no se transmite en forma continua y la interpretación probabilística de Born condujeron a continuación a Werner Heisenberg (1901-1978) a formular, en 1927, la hipótesis de que la emisión de radiaciones es un fenómeno estadístico. Una vez conocido el estado de una partícula, sólo cabe definir la probabilidad para su ubicación, pues en la escala microscópica del átomo cualquier medición que se haga implica perturbar el objeto medido. La imposibilidad de determinar simultáneamente y con precisión la posición y la velocidad de una partícula subatómica es conocida como “el principio de indeterminación de Heisenberg”.

Siguiendo a Heisenberg, sugiero que en un esquema fenomenológico los sistemas y procesos son descritos en términos de hechos a una escala mayor, y medibles directamente; en un esquema cuántico los acontecimientos son particulares y requieren, para su formulación, la noción de cuantos. Para pasar del segundo esquema al primero se debe utilizar la estadística; pero mediante ésta se pasa de una escala a otra mayor, desde un conjunto de unidades discretas separadas o cuantos hasta un proceso continuo. El indeterminismo ocurre en todas las escalas, pero su determinación se resuelve el una escala superior mediante la estadística. El problema de la mecánica cuántica es que en su propia escala, la más fundamental de todas, no existe una resolución estadística de fenómenos cuánticos de escala inferior. Esta conclusión obliga a abandonar el indeterminismo en las situaciones particulares, pues, si la transmisión de energía, que es la forma cómo se produce la relación entre causa y efecto, no es a través de un flujo continuo, sino de cuantos, en la escala de los cuantos no hay necesidad de que a tal o cual cuanto deba en tal o cual momento ser transmitido.

En las coordenadas tetradimensionales (las tres dimensiones espaciales más el tiempo como cuarta dimensión) la longitud de onda de una partícula de energía es inversamente proporcional a su frecuencia si la velocidad no varía. Pasando a una escala mayor, una cantidad de partículas individuales y discontinuas se aúnan en flujos que a ese nivel superior aparecen como continuos al ser la probabilidad de que cada partícula actúe de una cierta manera incluida en una estadística del comportamiento de numerosas partículas.

Partiendo de la relación entre la energía y el impulso de una partícula, Paul Dirac (1902-1984), en 1930, formuló una ecuación de la onda asociada al electrón que satisface la teoría de la relatividad que exige una simetría de las coordenadas espacio-temporales. Trabajando en los spines no relativistas de Pauli, encontró una ecuación relativista que describe al electrón, explicando su spin como un fenómeno relativista.

Con ello termina un capítulo histórico para desentrañar la estructura del átomo. Este proceso de develamiento significó apartarse de las descripciones propias de la escala macroscópica de la mecánica clásica de corpúsculos, velocidades y posiciones, reconocer la imposibilidad de observar directamente aquel mundo microscópico y simbolizar matemáticamente toda aquella realidad inescrutable. El paso siguiente dado por la física fue desentrañar la estructura del núcleo atómico y determinó que sus unidades discretas son las partículas fundamentales, estructuras básicas que ya no están compuestas por unidades discretas de energía, sino que son condensaciones de energía.


Lo fundamental


Tensiones científicas

Einstein había establecido en su teoría de la relatividad, como un hecho principal de ella, la convertibilidad entre masa y energía. Los experimentos posteriores demostraron que cuando la energía se condensa en masa y carga eléctrica, toma la forma de partículas subatómicas. Los físicos atómicos y nucleares, trabajando con detectores de rayos cósmicos y con poderosos aceleradores de partículas para romper núcleos atómicos, han llegado a encontrar un nutrido y creciente espectro de más de doscientas partículas subatómicas distintas, constituyendo un complejo sistema de combinaciones y de estados con diferentes grados de estabilidad. La descripción de esta estructura extraordinariamente compleja es una tarea en la que están empeñados una multitud de científicos, quienes, aunque cuentan con enormes recursos económicos suministrados por las potencias económicas y militares que buscan el poder y el prestigio, son los dignos sucesores de una brillante tradición. Lo que merece ser destacado es que la estructura del complejo espectro de partículas subatómicas apunta a la estructura fundamental del universo, a partir de la cual todas las estructuras de escalas superiores derivan, incluyendo algunas escalas más pequeñas que el átomo, considerado erróneamente en la antigüedad (por Leucipo y Demócrito) como la partícula fundamental e indivisible de la materia.

El desarrollo del conocimiento más básico de la materia no ha estado desprovisto de graves tensiones entre los científicos. La mecánica cuántica es muy distinta de la teoría de la relatividad. Las ideas de Heisenberg, publicadas en 1927, de que la emisión de radiaciones es un fenómeno estadístico, produjeron desasosiego en el mundo científico, y actualmente ellas siguen oponiéndose a un entendimiento unificado del universo en cuanto a emplear una sola concepción de campo. Bohr prefirió reemplazar la noción de incertidumbre de Heisenberg por la de ambigüedad, cosa que Einstein no pudo aceptar, pues para él los conceptos deben tener una relación no ambigua con la realidad si se quiere ser objetivo. Ha llegado a ser un lugar común su afirmación de que “Dios no juega a los dados con el universo” para indicar que no podría haber indeterminismo en la causalidad del universo. También es muy conocida la réplica Bohr: “¡Alberto! ¡Deja de decirle a Dios lo que tiene que hacer!”

Para entrar en esta discusión se deben aceptar dos aspectos del principio de incertidumbre. Por una parte, una partícula subatómica no debe ser considerada simplemente como un minúsculo corpúsculo ni tampoco es elemental. Por otra parte, como ya señaló Heisenberg, en la diminuta escala de las partículas subatómicas, en forma alguna disponemos de los medios para observar directamente una partícula sin afectarla, y sólo las conocemos por sus efectos. Si a escala cuántica, donde se produce el fenómeno del electrón, decimos que existe incertidumbre o ambigüedad, o como quiera llamárselo, es por la imposibilidad de aplicar la óptica de la escala humana. Pero admitiendo que nuestra óptica es limitada para penetrar en estas minúsculas escalas, el conocimiento del electrón y de las otras unidades discretas en la misma escala permitiría ser objetivo y tener certeza, aunque no directo.

Simetría y estabilidad

Los experimentos han comprobado que las partículas subatómicas, respecto a la carga eléctrica, se dan en pares simétricos y contrarios. En 1928, Dirac había predicho que el electrón debía tener una antipartícula correspondiente, el positrón. Poco después se demostró experimentalmente la existencia de los positrones. En el curso de investigaciones posteriores se descubrieron los pares eléctricos de numerosas partículas, con lo que la estructura de las partículas apareció simétrica, al menos en lo referente a las cargas eléctricas. Al margen de consideraciones estéticas, la importancia de la simetría es doble: primero, cuando se une una partícula con su antipartícula éstas se aniquilan mutuamente, disolviéndose en la nada, pero liberando una enorme cantidad de energía, y segundo, cuando una cantidad de energía semejante llega a condensarse, se crea un nuevo par de partículas. Así, los electrones y los positrones pueden crearse y aniquilarse mediante absorción o liberación de energía, respectivamente. Pertenece a la ciencia ficción la creencia de que la antimateria puede incluir la masa en calidad de antimasa.

En cuanto a la estabilidad de las partículas, ésta varía desde lo indeterminado para algunas hasta lo extraordinariamente efímero para otras, de modo que unos pocos tipos de partículas extraordinariamente estables existen corrientemente en nuestro más frío universo del presente. Las partículas estables en el tiempo son el fotón, los neutrinos, el electrón y el protón. El neutrón, que sufre una desintegración beta a los 1013 segundos en promedio de su conformación, permanece sin embargo estable mientras permanezca a buen recaudo formando parte de algún núcleo atómico. Gracias a la estabilidad de estas partículas, las cosas del universo tienen existencia como cosas y de ahí podemos hablar del ser.

Partículas subatómicas

Lo que las partículas tienen generalmente en común son dos condiciones: 1. Tener una serie de propiedades: masa, carga eléctrica, simetría, junto con los cuatro índices o cifras cuánticas reconocidas por la mecánica cuántica: extensión, forma, orientación y spin (movimiento angular que posee la partícula cuando está en reposo). 2. Respecto a la carga eléctrica, crearse, junto con su par, a partir de energía, y aniquilarse, junto con su par, disolviéndose en energía.

A la fecha, son más de doscientas las partículas subatómicas que han sido descubiertas por el análisis de los rayos cósmicos y a través de los aceleradores de partículas que tienen por objeto destruirlas y, en una cámara de burbujas, observar y medir los restos de las colisiones, muchos de los cuales son extraordinariamente efímeros. En esta actividad que consume tanto gran cantidad de energía como enormes recursos económicos los físicos han descubierto muones, piones, hiperones, mesones, mesones K, bosones, bariones, taquiones, conformando un complejo y caótico sistema de partículas.

Ya en 1964, Murray Gell-Mann (1929-), buscado dar un panorama más unificado y ordenado en este enorme caos, sugirió que las partículas se reducen a quarks y leptones. Ahora se cree que se reducen a seis quarks (arriba, abajo, extraño, encantado, superior e inferior, nombres que evocan una era psicodélica), seis leptones (electrón, mesón mu, mesón tau y tres neutrinos) y tres de las cuatro fuerzas físicas: las fuerzas nucleares fuerte y débil y el electromagnetismo. Asimismo se cree que los quarks son los bloques de construcción fundamentales de la materia. Éstos se mantienen unidos por unas partículas denominadas gluones. Los quarks y los gluones unidos formas hadrones, habiendo dos tipos: protones y neutrones. Ambos conforman el núcleo de los átomos. También son hadrones los bariones (partículas cuyos productos de desintegración incluyen un protón), como los mesones (pión y kaón), de masa 2. Esta agrupación de partículas es llamada el Modelo Estándar y distingue a tres grandes familias: electrónica, muónica y tauónica. Cada una comprende cuatro miembros: dos quarks y dos leptones. Uno de estos leptones es un neutrino. Los neutrinos, en particular, no tienen ni masa ni carga eléctrica, por lo que no ha sido posible detectarlos directamente, pero su existencia se puede verificar por sus interacciones con las otras partículas. Los miembros de las dos últimas familias se forman muy raramente en la naturaleza. Se los fabrica artificialmente en el laboratorio y, salvo los neutrinos, su existencia es muy breve.

La idea de los quarks proviene de considerar a las cargas eléctricas, no como unidades enteras, sino que como fraccionarias, de modo que combinando dos quarks para los mesones o tres para los bariones se obtienen las conocidas partículas con carga eléctrica entera. La teoría quark está, en el presente, en sus inicios, y falta mucho para llegar a una teoría que satisfaga plenamente la realidad de las partículas fundamentales. Se requeriría un acelerador gigantesco para poder llegar a conocer experimentalmente las partículas fundamentales. No obstante, no han faltado teorías bastante curiosas para llenar el vacío de conocimiento, como la teoría de las supercuerdas que incluye una multiplicidad de dimensiones distintas. Esta teoría ha sido complementada con la teoría M que comprende unas superficies llamadas membranas o simplemente ‘branas’.

Sea como sea la realidad de las partículas más fundamentales de todas, es posible que en el conjunto de las partículas subatómicas se puedan distinguir más de dos escalas de magnitud que las estructuren, siendo algunas partículas de escalas más pequeñas partes de partículas de escalas mayores, y siendo las partículas de la escala más pequeña a todas las partículas fundamentales. Éstas no estarían compuestas por partículas de escala más pequeña todavía, sino únicamente por energía y pertenecerían a ciertos estados estacionarios de la estructura fundamental del universo. El principio subyacente es que esta estructura fundamental sería la que sostiene el andamiaje estructural de absolutamente todo en el universo. El problema es determinar cuáles son precisamente las partículas fundamentales de las que se conocen y cuáles quedan por descubrir. Es probable que tanto el fotón como los neutrinos sean partículas fundamentales, pero no se podría decir lo mismo del electrón y de su contra parte, el positrón, considerando que contienen tanto masa como carga eléctrica. Ambas funciones podrían responder a partículas fundamentales distintas.

En búsqueda de la simpleza

La heterogeneidad de las partículas subatómicas constituye un caos que ni el Modelo Estándar de Gell-Murray logra ordenar, careciendo de la elegancia y la sencillez, que serían supuestamente las características esenciales de una teoría unificadora. Además se sospecha que es una teoría al menos incompleta, pues no se ha llegado al límite de lo ínfimo, faltando probablemente la construcción de un super-colisionador de partículas que logre detectar las partículas más fundamentales, pertenecientes a una escala aún inferior. Es como la frustración de un niño chico que rompió su juguete para saber cómo funcionaba, pero se encontró que el mecanismo no era mecánico, sino que electrónico. Al parecer, la unión de la masa con la carga eléctrica se efectuó poco después del big bang absorbiendo ingentes cantidades de energía en la escala fundamental.

Imbuidos en el deseo de desentrañar lo fundamental de la materia en la suposición de que ello trata de lo ínfimo y, por tanto, de llegar a determinar las partículas subatómicas mínimas y fundamentales, no debemos perder de vista que el universo entero se reduce a cuatro componentes básicos: masa, carga eléctrica, energía y velocidad. Estos componentes se relacionan entre sí. La famosa ecuación einsteniana E = mc² combina tres de ellos. En forma paralela la carga eléctrica, que es otra forma de concentración de energía, combina también los componentes, exceptuando la masa, según se desprende de la ley de Coulomb y de las ecuaciones de Maxwell.

De manera hipotética y sólo con el objeto de poder visualizar un camino posible de estructuración de la materia fundamental, podríamos suponer que si la existencia de las partículas ínfimas se da en la escala más fundamental de todas, el binomio electrón-positrón pertenecería a una estructura de una escala superior a la fundamental, la que sólo aparecería tras la emergencia de un par de cargas eléctricas de distinto signo. Esto es, estas cargas eléctricas, que podrían estar incluso fraccionadas, según la teoría de Gell-Mann, en combinación con sus respectivas masas, provendrían probablemente de las partículas más fundamentales de todas, pasando a una escala superior. Para completar esta estructura de 2º orden, se debería incluir tanto un par de partículas de intercambio que pudieran ejercer una fuerza para unir las cargas eléctricas fundamentales de distinto signo con sus correspondientes masas fundamentales como las mismas masas. Tanto el par de cargas eléctricas como las correspondientes partículas masivas fundamentales y las partículas de intercambio provendrían de la condensación fundamental de la energía.

Puesto que esta primera estructura electrón-positrón resultaría inestable, debería pasar a una escala aún superior. Allí el positrón, aún vinculado estructuralmente al electrón, se estructuraría como protón al ser integrado a la masa. Las estructuras emergentes serían nucleones, es decir, protones y neutrones. En efecto, se ha teorizado que cuando el universo poseía una temperatura sobre unos diez mil millones de grados, la agitación térmica era tal que la fuerza nuclear no era efectiva para conformar núcleos atómicos. La materia entonces era un desorden homogéneo de nucleones, electrones y neutrinos, gobernados por la fuerza débil. Los neutrinos se intercambiaban entre los nucleones, transformándolos continuamente de protones a neutrones y viceversa. La densidad de la materia a esa temperatura hacía que ésta fuera opaca a los neutrinos.

Al seguir expandiéndose el universo y disminuir la temperatura por bajo los diez mil millones de grados, los neutrinos dejaron de interactuar con los nucleones, y comenzó a efectuarse la nucleosíntesis. Empezaron a aparecer átomos de hidrógeno con un núcleo atómico conformado por un protón. El electrón en esta escala adquirió una función diferenciada, como es la de conformar una órbita electrónica en torno al núcleo. Esta estructura atómica, perteneciente a una escala aún superior, llegó a alcanzar la gran estabilidad conocida del hidrógeno.

Posteriormente, ya en e ámbito estelar, los átomos más complejos se estructuraron a partir de este primer átomo, sumando más binomios protón-electrón y adicionando neutrones en este proceso. Para estructurar un neutrón un protón pudo incorporar un electrón en su propia estructura, por la que se llegó a conformar la estructura del neutrón, funcionalmente distinta. En este caso, la atracción que ejercen las cargas eléctricas contrarias facilitaría la generación de esta estructura. No obstante, una partícula particular, que no tuviera ni masa ni carga, como es el caso del neutrino, debió ser necesaria para que actuara como partícula de intercambio y mantuviera a esta estructura cohesionada.


Paralelismos


Masa y carga eléctrica

La energía no tiene existencia por sí misma, sino que es un principio que es común a toda la materia. Tiene existencia porque es mediatizada por la masa y la carga eléctrica. Ella es una propiedad de la masa y de la carga eléctrica en dos sentidos. 1º La energía no sólo es intercambiable con la masa, según la teoría especial de la relatividad, sino que también de ella surge el par de cargas eléctricas de signos contrarios y en ella este par se disuelve cuando se vence la resistencia de la repulsión entre las cargas. 2º Para ejercer fuerza un cuerpo requiere de esta propiedad. Incluso el fotón, que es energía, no puede ser identificado con la energía pura, pues es una partícula que la mediatiza de modo cuántico según una determinada longitud de onda y una determinada frecuencia, las que determinan que pertenezca a los fenómenos electromagnéticos, teniendo además la particularidad de transportarla a la velocidad de la luz. La energía mediatizada por la masa y la carga eléctrica resulta en funciones específicas que se presentan en fuerzas. La masa posee dos tipos específicos de funciones: la inercia y la fuerza de gravedad, y la carga eléctrica posee la fuerza electromagnética que posee dos signos antagónicos.

Entonces un cuerpo no es sólo masa. La materia se presenta también como carga eléctrica. Estas manifestaciones de la materia producen fuerzas correlativas. Siempre que la materia esté considerada como masa, está referida a las fuerzas gravitacionales y genera un campo gravitacional. Pero si la materia está considerada como carga eléctrica, está referida a las fuerzas electromagnéticas y genera un campo electromagnético. Puesto que estas dos fuerzas generan campos de alcance infinito, éstas son decisivas en la estructuración de la materia en todas sus escalas posibles.

Partiendo de la base que el tiempo y el espacio son productos de la interacción de las partículas fundamentales de masa y carga eléctrica, dichas partículas deben ser puntos atemporales y adimensionales, siendo condensaciones de energía que se comporta naturalmente según leyes contenidas en la misma energía.

En el estudio de las partículas subatómicas, se observa que la materia se presenta activa de otras maneras. Así, si la materia está considerada como núcleo atómico, está referida a la fuerza llamada “nuclear fuerte” que mantiene a los protones y neutrones firmemente unidos en el núcleo atómico, dándole estabilidad y evitando que los protones, por poseer el mismo tipo de carga eléctrica, se repelan entre sí y tiendan a separarse. El radio de acción de esta fuerza es de corto alcance. En las reacciones en que intervienen leptones (electrones, positrones, neutrinos y muones), aparece una nueva clase de interacción que es más débil que la fuerza electromagnética, aunque muchísimo más fuerte que las fuerzas gravitatoria y de alcance muy corto. Se la conoce como “interacción débil”.

También pudiera ser considerada, además de las cuatro fuerzas mencionadas, una fuerza que estaría actuando en la escala fundamental, que daría cuenta de la unión de la masa con la carga eléctrica, pues es claro que una carga eléctrica no puede existir sin estar asociada a masa. Esta fuerza debiera ser poderosísima, pues tanto los electrones como los protones son extremadamente estables. Ambos poseen masa y carga eléctrica, y son también las partículas que siempre aparecen después de la desintegración de partículas con mayor masa. Hasta ahora no se ha construido algún acelerador de partículas lo suficientemente poderoso como para desintegrarlos y separar la masa de la carga eléctrica.

La estructura del átomo, por la cual éste es tan funcional para combinarse con otros átomos y formar moléculas, contiene, como sus propias unidades discretas, ambas formas de la materia fundamental, esto es, masa y carga eléctrica. Por la funcionalidad de los átomos las moléculas son estructuras altamente funcionales. Ello permite la estructuración de la materia en escalas cada vez superiores.

Vimos ya que adicionalmente a la masa, la materia que se condensa a partir de la energía es también carga eléctrica. Ésta no está vinculada en modo alguno con la masa, sino que con la energía. No obstante, el paralelismo que existe entre la masa y la carga eléctrica con respecto a la energía es tan grande que permite la conversión entre la energía mecánica y la energía eléctrica. Ello es posible porque una buena parte de las partículas que componen un mismo cuerpo poseen masa y carga eléctrica a la vez. No todas ellas, sin embargo, tienen la capacidad para adquirir carga eléctrica. Así, el neutrón es una partícula que sólo tiene masa, pero nada de carga eléctrica (el neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino, por lo que la carga positiva del positrón del protón emergente anula la carga negativa del electrón que aquél contiene); el electrón tiene carga eléctrica y una mínima masa, y el fotón y los neutrinos son partículas que no tienen ni masa ni carga eléctrica. La diferencia entre masa y carga eléctrica es representada mejor con relación al peso y al número atómico de los átomos; así, el peso atómico se refiere a la masa de un átomo, en tanto que su número atómico representa su carga eléctrica; y el peso atómico duplica generalmente el número atómico.

Mientras la fuerza de gravedad, que es el objeto de la física clásica, explica la funcionalidad de la masa, las otras tres fuerzas fundamentales conocidas –la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte o corta– son el objeto de la física cuántica, de la física nuclear, de la electricidad y la electrónica, y explican la funcionalidad de la carga eléctrica.

La carga eléctrica puede tener valor positivo o negativo. La carga eléctrica de un cuerpo en sí es estable, pero aparece cargado positiva o negativamente cuando se relaciona con otro cuerpo. En realidad, la ley de la fuerza electromagnética se diferencia de la de gravedad porque se refiere a cargas eléctricas en vez de masas y por la propiedad de los signos de las respectivas cargas eléctricas. Ella establece que es la fuerza que atrae o repele directamente dos cuerpos cargados eléctricamente, según tengan respectivamente cargas eléctricas de signo opuesto o igual, con una intensidad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La designación de estas cargas como positivas o negativas es puramente convencional. La magnitud y la distribución de la carga eléctrica de un cuerpo dado están determinadas por sus formas geométricas, por su vecindad a otros cuerpos cargados eléctricamente y por la tensión eléctrica.

El movimiento de las cargas eléctricas es la corriente eléctrica y consiste en un flujo de electrones. Éstos son partículas subatómicas que tienen una pequeña masa (1/1838,65 del neutrón) y que están cargadas negativamente con una apreciable carga eléctrica. La intensidad de la corriente es la cantidad de cargas por unidad de tiempo que contiene la corriente. La tensión es igual al diferencial de carga entre dos cuerpos. Toda carga eléctrica en movimiento no rectilíneo y uniforme emite constantemente energía en forma de radiación con una frecuencia que puede tener cualquier valor. También el movimiento de los electrones genera la aparición de un campo electromagnético, análogo al campo gravitacional que genera la masa. Tal como este segundo campo, el mantenimiento de este primer campo no demanda energía adicional. A través del campo electromagnético, la energía puede ser inducida y afectar a otro cuerpo, siendo los requerimientos energéticos del cuerpo inducido igual al consumido. La fuerza eléctrica es análoga a la fuerza mecánica. Pero en lugar de la aceleración mecánica, aparece la variación de la intensidad de la corriente por unidad de tiempo, y en vez de la masa, figura el coeficiente de autoinducción que está ligado con la aparición y la variación del campo electromagnético.

Mientras la masa convierte la energía primordial de la expansión del universo en fuerza gravitacional (ver capítulo 3), la carga eléctrica convierte usualmente la energía que se puede obtener de la fuerza de gravedad en fuerza electromagnética.

La fuerza electromagnética es ejercida únicamente en función de la carga eléctrica de la materia. Se ejerce directamente por el intercambio de partículas con carga eléctrica, o por inducción a través del campo electromagnético. Como lo es para el caso de almacenar energía en la masa de un cuerpo, es posible la acumulación directa de la energía eléctrica, siempre que el cuerpo se mantenga completamente aislado de otros cuerpos. Pero a diferencia de la masa, que adquiere energía en función de la velocidad, la carga eléctrica en sí no es capaz de acumular energía. Puesto que algunas partículas fundamentales tienen masa y carga eléctrica a la vez, la acumulación práctica de energía aprovecha la masa de las partículas cargadas eléctricamente, como es el caso de la energía electroquímica. Además, la fuerza electromagnética puede aprovechar la fuerza gravitacional de una partícula con masa y carga eléctrica a la vez para producir el efecto magnético. Este es utilizado en motores eléctricos y en tecnologías que emplean el campo electromagnético generado, como en el caso de vehículos que levitan en forma magnética, contrarrestando la fuerza de gravedad al igualar la acción de esta fuerza con la fuerza electromagnética.

Si la masa es producto de la condensación de energía, la carga eléctrica es producto de la energía que, al momento de generarla, produce simultáneamente una carga eléctrica de signo contrario. La denominación de antimateria se debe referir únicamente a la forma que adquiere la materia con las cargas eléctricas, y de ninguna manera a la forma que ésta adquiere con la masa. La masa no tiene antimasa. La materia de carga eléctrica de un signo tiene su correspondiente antimateria de signo contrario. Ambas formas de materia se anulan cuando colisionan, cuando ocupan el mismo espacio al mismo tiempo, liberando gran cantidad de energía, que es la misma que se requirió en primer lugar para separarlas. De este modo, si la masa puede convertirse en energía, desapareciendo, la carga eléctrica se convierte en energía cuando es obligada a unirse a una carga eléctrica de signo contrario, mientras desaparecen ambas cargas eléctricas.

En el caso de la masa la aplicación de la fuerza (gravitacional y/o inercial) no sólo altera el movimiento de un cuerpo, sino que produce una alteración en el cuerpo mismo. La fuerza transfiere la energía desde el cuerpo causa al cuerpo efecto transformando a ambos, ya sea alterando la dirección y sentido del movimiento o cambiando internamente a los cuerpos. La relación causal producida por la aplicación de la fuerza es más amplia que la alteración del movimiento. Del mismo modo como la estructura se presenta como una entidad que incluye tanto a la masa como a la energía, la fuerza aparece como una entidad que actualiza la energía que posee la masa para producir algún tipo de relación causal.

En el caso de la carga eléctrica, que ocurre en la escala más fundamental de todas, la de las partículas subatómicas fundamentales, la fuerza (electromagnética) produce el cambio a través de un intercambio de partículas con niveles cuánticos de energía. Una partícula subatómica es emitida por la causa, y el efecto que se opera es la estructuración de otra partícula. Si la partícula estructurada es más compleja, se produce absorción de partículas con energía (fotones, electrones o positrones) o también conversión de energía en masa; a la inversa, si se opera la desintegración de una partícula, se emiten partículas energéticas más simples o se convierte masa en energía.

Lo que puede concluirse de lo anterior es que la energía no es una capacidad indiferenciada y amorfa que posee un cuerpo, sino que es un germen que puede transformarse en masa y carga eléctrica o ser usada por la masa o la carga eléctrica de manera tan distintiva que llega a poseer un comportamiento absolutamente determinado, y de este comportamiento se pueden reconocer leyes naturales. Desde el mismo comienzo del universo la energía se ha condensado en determinadas partículas fundamentales distintivas, siendo las pertenecientes a cada tipo idénticas entre sí y funcionando del mismo modo. Adicionalmente, éstas han podido interactuar e interactúan de modo absolutamente determinado en su propia escala y pueden estructurar cosas en escalas superiores también de modo determinado. Esto resulta evidente en cosas de escalas primitivas, como partículas subatómicas, átomos y moléculas. La complejidad de las estructuras de escalas superiores opaca este hecho de una funcionalidad específica y determinada, pero posible de conocer, hecho que resulta fácil de reconocer en, por ejemplo, automóviles del mismo modelo e incluso en organismos vivos con la misma dotación genética, como individuos gemelos.


Fuerzas forzadas


Fuerzas fundamentales

Las partículas de la estructura subatómica explican (o son explicadas por) los tipos de fuerzas básicas descubiertas (o postuladas) hasta ahora por la ciencia y que vemos operar en nuestro universo. Hasta ahora se habrían encontrado cuatro tipos distintos de fuerza en la interacción de las partículas subatómicas: la gravitacional, la electromagnética (Faraday dedujo que las ondas luminosas no son sino ondas electromagnéticas), la nuclear débil que es causante de la desintegración radiactiva, y la nuclear fuerte o corta que, como la anterior, también actúa dentro del núcleo atómico, pero para mantener a los protones y neutrones unidos. La fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética se dejan sentir a gran distancia. La fuerza nuclear y la fuerza débil son, a la inversa, fuerzas de corto alcance y sólo entran en acción cuando las partículas se integran. Las cuatro fuerzas poseen intensidades muy distintas. Si la intensidad de la fuerza de gravedad se especifica como uno, la de la fuerza nuclear fuerte vale 1038, la intensidad de la fuerza electromagnética es 1036, y la de la fuerza débil equivale a 1025.

Las fuerzas son los agentes estructuradores del universo. A muy gran escala, es la gravedad la que actúa. A escala más pequeña, la fuerza electromagnética suelda los átomos y las moléculas. En dimensiones aún más restringidas, la fuerza nuclear cambia el color de los quarks y, por consiguiente, los fija a los nucleones y agrupa a éstos en núcleos. La fuerza débil cambia los electrones en neutrinos y viceversa. Modifica igualmente el “sabor” de los quarks: los quarks u en quarks d, etc. Es posible (y hasta probable) que existan otros tipos de fuerzas más. Ciertamente no nos son conocidas porque no tenemos ninguna evidencia empírica de ellas, lo que no sería extraordinario considerando que los aceleradores existentes de partículas no son tan poderosos como para conocer aún la estructura fundamental. Sospecho que faltaría por conocer la fuerza que una la carga eléctrica con la partícula fundamental de la masa.

Además, se supone que las interacciones entre partículas en las escalas más pequeñas tienen lugar por el intercambio de ciertas partículas y éstas se afectan entre sí cuando se encuentran dentro del campo de influencia mutuo. Éste sería el caso de los quarks, los cuales se combinarían entre sí gracias al gluón, partícula postulada que no tendría masa ni carga eléctrica, pero que sería capaz de mantenerlos firmemente unidos para conformar estructuras subnucleares mayores, como los hadrones.

Otra partícula similar al gluón que ha sido postulada, que no ha sido encontrada en la cámara de burbujas, pero que explicaría la fuerza gravitacional, satisfaciendo otra función fundamental, es el gravitón, el cual tendría únicamente masa, supuestamente en forma cuántica, y que la fuerza gravitacional ocurriría por el intercambio de estas partículas entre los cuerpos. Sospecho asimismo que esta partícula no tendría existencia, habida cuenta que la gravedad sería una de las dos funciones que posee la masa, siendo la otra la inercia, y que la gravedad se explicaría gracias a la expansión del universo a causa de que la masa que fue disparada radialmente a la velocidad de la luz a partir del big bang (ver http://unihum1metrocosmos.blogspot.com o el próximo capítulo).  

Sin embargo, es muy probable que el bosón de Higgs tenga existencia real, aunque no haya podido ser detectado aún en el Colisionador de Hadrones del CERN por requerir aún más energía hasta conseguir que aparezca esta ínfima pero fundamental partícula masiva. Y así restaría, por último, encontrar una fuerza para explicar la unión entre una carga eléctrica y la pequeña cantidad de masa del bosón de Higgs.

Aquí es pertinente sugerir que tanto la fuerza nuclear fuerte y la nuclear débil como también las otras fuerzas que podrían estar actuando en las escalas más fundamentales no requieren continuamente energía para actuar, de la misma manera que un cerrojo no requiere energía adicional para mantener una puerta cerrada más allá del acto de actuarlo para cerrarla. Asimismo, la fuerza que uniría una carga eléctrica con una cantidad de masa para conformar un electrón o un positrón, o también el mismo gluón mencionado más arriba, no requeriría consumir energía permanentemente. En cambio, la fuerza gravitacional y la fuerza electromagnética requieren constantemente de energía para poder actuar, aunque el puro mantenimiento del respectivo campo no la necesite. En este caso, estas dos últimas fuerzas son esencialmente distintas de las restantes.

Es pertinente sugerir también que únicamente las fuerzas gravitacional y electromagnética, a causa de sus características para generar campos espaciales de alcance infinito, son relevantes en la estructuración de la materia en escalas superiores. Por el contrario, debido al corto alcance, las fuerzas débil y corta tienen influencia sólo dentro del núcleo atómico y no son, por lo tanto, significativas en la progresiva estructuración de las cosas una vez conformado el núcleo atómico.

En fin, es pertinente sugerir que una partícula fundamental es una estructura cuya existencia surge directamente de la condensación de la energía, mediatizándola y siendo su objeto ejercer alguna de las distintas funciones fundamentales. “Función” debe entenderse como la capacidad para ser parte de una relación causal, ya sea como causa o como efecto. Así, pues, una partícula fundamental se caracteriza porque tiene una funcionalidad fundamental que permite a su poseedor (una partícula subatómica, o un componente de ésta) una capacidad para interactuar con otras partículas similares. El conjunto de las funciones fundamentales constituye la base para toda la estructuración existente en el universo, y su conocimiento no se agota aplicando únicamente las mecánicas de Newton y Einstein.

Casi todas las partículas subatómicas tienen masa. La masa es la propiedad de la materia para ejercer fuerza gravitacional e inercia. Asimismo, muchas de las partículas tienen carga eléctrica. La carga eléctrica es la propiedad de la materia para ejercer fuerza electromagnética, ya sea para unir o para repeler.

El centro de gravedad de un cuerpo es el punto de equilibrio del conjunto de puntos espaciales, origen de fuerzas gravitacionales individuales, que contiene dicho cuerpo, y su masa resulta de la sumatoria de las partículas masivas individuales. Asimismo, la carga eléctrica de un cuerpo es la sumatoria de cargas positivas y negativas de los puntos espaciales originarios de cargas eléctricas individuales que contiene dicho cuerpo. Esta sumatoria genera un cuerpo eléctricamente neutro. Los viajes espaciales podrían estar demostrando que el equilibrio de cargas eléctricas contrarias es similar entre los distintos cuerpos del espacio, pues no se ha medido descargas eléctricas entre un cuerpo viajero que llegue a posarse en otro.

Podemos comprender la diversidad de funciones, derivadas de las fuerzas fundamentales, de una partícula subatómica que contenga las distintas partículas fundamentales como sus unidades discretas con el siguiente ejemplo: para ser efectivo, un cañón de ciclotrón debe disparar un protón, que es una partícula que posee en primer lugar la fuerza nuclear fuerte, la cual le permitirá interactuar con la partícula del blanco, que también debe poseerla; además, deberá poseer la fuerza gravitacional que le permitirá adquirir mayor masa con el aumento de la velocidad que le imprima el acelerador de partículas, e igualmente la partícula del blanco deberá poseer tal función; por último, deberá poseer la fuerza electromagnética que permitirá al acelerador de partículas precisamente acelerarla mediante fuerzas electromagnéticas. La colisión que llega a producirse entre ambas partículas las desintegra y las huellas de sus componentes son detectadas en la cámara de burbujas, aunque con toda probabilidad lo que se llega a detectar con los actuales aceleradores no son sus componentes fundamentales, sino partes que ya han sido estructuradas en escalas mayores.

Campos unidos

Tanto la fuerza electromagnética como la gravitacional se extienden desde una fuente de origen, donde se encuentra la partícula en cuestión, y generan un “campo”. En teoría éste permea el universo entero. La velocidad de recorrido por dicho campo es la de la luz, de modo que quienes transiten por éste están sujetos a los principios de la teoría especial de la relatividad. Tanto el campo de fuerza electromagnético como el gravitatorio decrecen con el cuadrado de la distancia y se extienden al infinito. El campo gravitatorio es extraordinariamente más débil que el electromagnético. Se calcula que sólo 100.000 electrones reunidos en un punto ejercerían la misma fuerza que toda la masa existente en la Tierra. Además, el campo electromagnético resulta en una atracción entre dos polos de distinto signo y en una repulsión entre dos polos del mismo signo. Por el contrario, el campo gravitatorio produce únicamente fuerza de atracción. Así, cualquier cuerpo que posea masa atrae y es atraído por cualquier otro cuerpo que posea masa.

Desde que emergieron las teorías cuántica y de la relatividad, cada una postulando un campo de fuerza distinto, surgió también el esfuerzo por la unificación de los campos. Así, después de enunciar la teoría de la relatividad, Einstein dedicó su vida posterior a la tarea de unificar teóricamente los distintos campos que generan las fuerzas fundamentales del universo. Quería conseguir una gran teoría que contuviera un sistema de leyes que interpretaran las teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad como una sola, y, de paso, llegar a la comprensión de la unidad del universo. Para él este propósito era necesario, en parte porque no podía concebir que la indeterminación, producto de la mecánica cuántica, estuviera precisamente en la causalidad. Pero, como se sabe, Einstein nunca consiguió llegar a una teoría unificada. Es de concluir que no pudo hacerlo porque no aceptó que la causalidad dentro de una misma escala no fuera determinista. Simplemente no aceptó el indeterminismo propio de la mecánica cuántica.

En la actualidad, muchos suponen que el problema de la unificación de las fuerzas fundamentales es de absoluta relevancia en el campo de estudio de la ciencia. En este intento Weinberg, Glashow y Salam, ganadores del premio Nobel de Física, en 1979, sugirieron que la fuerza nuclear débil podría ser parte de la fuerza electromagnética, llegando a establecer el Modelo Estándar que describe la fuerza unificada que ha recibido el nombre de electrodébil. Algunos científicos empeñados en esta senda intentan buscar la unidad de las fuerzas y sus campos en el fotón, aquella única partícula que posee sólo energía y nada de masa. Así, exceptuando la gravitacional, las otras tres fuerzas conocidas habrían sido unificadas teóricamente en torno a la mecánica cuántica y, en último término, al fotón, dando origen a la Gran Teoría Unificada que persigue describir la unificación de las fuerzas electromagnética, fuerte y electrodébil.

Otros científicos han postulado una sofisticada y compleja teoría de cuerdas y membranas que tiene nada menos que once dimensiones espacio-temporales como camino hacia la teoría unificadora de las cuatro supuestas fuerzas fundamentales. Estas diversas formas geométricas que tienen un mismo origen explicarían supuestamente las distintas estructuras que generan las fuerzas fundamentales, en persecución de la Teoría del Todo que intenta producir una teoría en la que las cuatro fuerzas se hallan unificadas. También para algunos científicos es posible que estas cuatro fuerzas definidas hasta ahora no sean exactamente las únicas, sino que, además, en la fuerza electromagnética se podrían distinguir una fuerza que dé cuenta de la carga eléctrica y otra que dé cuenta de la onda.

Al parecer, a pesar de enormes esfuerzos realizados por los principales científicos del mundo, ninguna teoría ha surgido con el peso de la mecánica cuántica o de la relatividad que pueda dar cuenta del origen común de las cuatro fuerzas del universo. Sin embargo, la empresa que Einstein se había propuesto es absolutamente necesaria para llegar a comprender los fundamentos del universo. El problema que quería resolver se puede expresar de la siguiente manera: ¿cómo ocurre la condensación de la energía primigenia para que surjan precisamente cuatro fuerzas fundamentales distintas (y probablemente otras fuerzas adicionales) que gobiernen la totalidad del universo? Primero debe aparecer una teoría coherente que explique el mecanismo de la gravitación universal, y segundo debe explicarse cómo se une la carga eléctrica a la masa.

Partículas mediadoras

A modo de entrar en el tema de una gran teoría unificadora de fuerzas se puede decir que si concebimos que las partículas fundamentales no son únicamente materia condensada a partir de energía, sino que éstas son principalmente mediadoras de la energía, constituyéndose en causas y efectos, habremos dado un importante paso conceptual. Desde este punto de vista, las partículas fundamentales, componentes de las partículas nucleares y subatómicas, pueden ser entendidas como especificadores de la energía primigenia para ejercer las fuerzas fundamentales por las cuales ellas interactúan en relaciones de causa-efecto. De este modo, la fuerza gravitacional estaría dependiendo de la masa de las partículas fundamentales; la fuerza electromagnética haría lo propio de la carga eléctrica que posean éstas, y las fuerzas nucleares débil y fuerte dependerían de propiedades específicas de ciertas partículas, o relaciones de partículas del núcleo atómico. Lo anterior nos conduce a la idea de que la mediación de la energía permitiría a las partículas fundamentales ser funcionales a través del ejercicio de las fuerzas fundamentales, lo cual les permitiría estructurarse en sistemas cada vez más complejos y en escalas cada vez mayores.

La unidad de un universo determinista que Einstein buscaba en la unidad de los distintos campos de fuerza sería un camino incorrecto, pues anula la explicación que por justamente la diferenciación de estos cuatro distintos campos el universo posee la complejidad y la exuberancia propias de estructuraciones a escalas cada vez más complejas y funcionales.

No deja de llamar la atención que tres de las principales teorías de la física se desarrollaron en torno al fotón. Éstas, que se basaron ya sea en la velocidad o en la energía del fotón, son: la teoría del electromagnetismo de Maxwell, que describe la fuerza electromagnética, de la cual el fotón es la unidad de la radiación (aunque no de las fuerzas que actúan entre partículas cargadas eléctricamente, o entre imanes); la teoría de la relatividad de Einstein, que surgió a partir del hecho de que la velocidad del fotón es constante y máxima, y la teoría cuántica, que nació del hecho de que la energía del fotón es discreta.

Sin embargo, si bien la física contemporánea ha surgido principalmente del estu­dio de la luz, la diversidad de fuerzas que son explicadas por otras tantas teorías no debiera obligarnos a unificarlas en torno al fotón, la unidad fundamental de la luz. Otras partículas distintas al fotón podrían ser también fundamentales para explicar las fuerzas, en especial la gravitacional, que se explica por la masa. Tampoco se puede concluir en forma reduccionista que, siendo el fotón una unidad fundamental de energía, sea igualmente el constituyente de toda energía y esté consecuentemente presente en toda manifestación de energía. Por otra parte, otras fuerzas podrían ser posiblemente descubiertas y sus orígenes podrían ser trazados también a otras partículas fundamentales. En cambio, la unidad del universo proviene del hecho de que las cosas que contiene son estructuras funcionales que están compuestas por un conjunto muy particular y funcional de partículas fundamentales, las cuales tuvieron un origen común en la energía primigenia surgida con el big bang.

Teoría de las partículas fundamentales

Sugiero que si se quiere proponer una teoría general de la partícula fundamental habría que concebirla, aunque nos sea imposible de imaginar, como un punto que crea su propio espacio-tiempo (campo) de interacción, siendo centro y origen de al menos una (o quizás más) de las fuerzas fundamentales. Al ejercer las fuerzas que le permiten interactuar con otras partículas fundamentales, en la escala estructural fundamental, cada partícula adquiere características cuánticas que dependen del tipo de fuerzas que ejerce. Si la fuerza que ejerce es del tipo gravitacional, su comportamiento resulta ser de masa y su alcance infinito. Si es del tipo electromagnético, su comportamiento resulta ser de carga eléctrica y también su alcance resulta ser infinito, y si dos partículas de carga contraria coinciden en un punto espacial a causa de una colisión que anule las respectivas fuerzas nucleares fuertes, desaparecen ambas, pero produciendo probablemente uno o más puntos espaciales con dimensión mínima, fuentes de las fuerzas que existían antes de la colisión, pero ahora sin carga eléctrica. Si la fuerza originada por la partícula es del tipo fuerte, su corto alcance determina tanto su alcance como su volumen, siendo este último el tamaño mínimo que puede tener una partícula subatómica que la contenga.

Incidentalmente, como ya muchos han anotado, lo que desde esta perspectiva debiera llamarnos la atención es que toda esta materialidad y solidez que sentimos en las cosas al tocarlas y golpearlas, sea una piedra o un pedazo de hierro, en su fundamento hay muy poco de lo que nos parece sólido. Principalmente se trata de una o más fuerzas fundamentales que tienen origen en puntos espaciales de dimensión cuántica que se mueven entre sí. Sin duda, un gran avance de la investigación científica sería la forma cómo se producen las partículas dimensionales para determinar centros espacio-temporales, el modo cómo se constituyen éstas en centros de una de las fuerzas fundamentales a partir de la energía primigenia desencadenada por el big bang y la manera cómo integran las partículas fundamentales en las partículas subatómicas a partir de las escalas más pequeñas.

De lo anterior, se puede sugerir lo siguiente: las partículas fundamentales son sorprendentemente las cuatro fuerzas fundamentales (se podría agregar al menos una quinta fuerza que respondería a la unión de masa y carga eléctrica). Este enunciado, que parece una locura, tiene no obstante una sensata explicación. Podemos partir con la idea de que una partícula fundamental contiene o es una cantidad de energía muy determinada, es decir, un cuanto de energía. En segundo lugar, una partícula fundamental es la concentración de esta energía en un punto sin dimensión alguna, pues la energía no ocupa espacio; sería por tanto inútil intentar descubrir una partícula fundamental en la cámara de burbujas. En tercer término, una partícula fundamental tiene la función de transformar la energía en una de las fuerzas fundamentales, lo que realiza de manera cuántica. En cuarto lugar, una partícula fundamental representa una cantidad de energía muy determinada y posee un modo muy específico de funcionar que la caracteriza como una de las cuatro fuerzas fundamentales; en consecuencia, las fuerzas fundamentales son los modos particulares que tiene la energía para manifestarse en la escala fundamental.

La concentración de energía para ejercer fuerza y funcionar como masa –gravitación e inercia– obedece a las reglas de la relatividad especial de Einstein. La concentración de un cuanto de masa en un punto adimensional puede tener un valor energético enorme respecto a otro si se desplaza del otro a la velocidad de la luz, según la famosa fórmula E = m c².

Es necesaria la concurrencia de dos o más partículas fundamentales para una interacción, y posiblemente es necesaria la existencia de sólo una partícula fundamental para que eduzca una distinta –una hija de otra naturaleza– y pueda de este modo relacionarse. Por ejemplo, la concurrencia de una partícula fundamental masa y de una partícula fundamental carga eléctrica negativa educen la partícula fundamental nuclear fuerte o corta y producen un electrón, que viene a ser una partícula en una escala superior. La interacción de dos o más partículas fundamentales genera una estructura fundamental, que sería la estructura de la escala más fundamental e inferior de todas las posibles.

Una partícula fundamental es en sí misma adimensional. La dimensión y, por tanto, el espacio se generan o existen por la interacción –la relación causal– entre dos o más partículas fundamentales distintas. El espacio generado es la distancia que media entre dos partículas que interactúan. Una distancia menor a ésta no puede tener existencia. El tiempo tiene también un intervalo mínimo que es marcado por una oscilación cuántica, un spin, un ciclo o una longitud de onda. Esto desvirtuaría de paso el continuum espacio-temporal de Einstein.

Resulta necesario reformular la idea tradicional de campo. El campo no es un espacio-tiempo preexistente donde los cuerpos y los corpúsculos interactúan. Por campo debe entenderse la predicción o el establecimiento de las reglas de comportamiento espacio-temporales de la relación causa-efecto entre dos cargas eléctricas o entre dos partículas masivas. Cuando dos cargas eléctricas o dos partículas masivas interactúan generan un espacio-tiempo según un patrón determinado. La totalidad de espacio-tiempos generados por la interacción de todas las partículas eléctricas y masivas es el espacio-tiempo que experimentamos. La unidad del espacio-tiempo observado proviene del origen común de la materia y de la energía en el big-bang.


Espacio-tiempo cuántico


Teoría de lo fundamental

Nosotros tendemos a concebir el espacio-tiempo como un continuo anterior a las cosas. Suponemos que si quitáramos las cosas del entorno, subsistiría un espacio-tiempo vacío y sin movimiento de objetos. Tendemos a pensar que el espacio-tiempo está subyacente al devenir y es eterno o, al menos, tuvo su comienzo con el big bang. Sin embargo, esta noción del espacio-tiempo no es real. El espacio-tiempo no es preexistente a las cosas. No tiene existencia propia e independiente. No hay espacio vacío ni tiempo absoluto. Menos aún, de la concentración de espacio no se obtiene tiempo. Tampoco el tiempo se puede convertir en masa. La base para la existencia del espacio-tiempo es la actividad de la energía a través de la causalidad específica de la materia. La materia no es inerte, sino que es altamente funcional, y el espacio-tiempo no es el medio para la actividad de la materia, sino que es el producto de esta actividad.

El espacio es la distancia que media entre una causa y su efecto, y el tiempo es la duración que en la relación causal la causa tiene para actualizarse en el efecto. Desde luego, la velocidad de la luz es el modo más rápido que tiene la materia de trasmitir energía en cualquier relación causal. De manera que la realidad no consiste en un espacio-tiempo ocupado por determinadas concentraciones de materia, quedando su mayor parte completamente vacío. Primeramente, todo lo fundamental de lo existente en el universo se presenta en dos estados, como materia (masa y carga eléctrica) y como energía, siendo ambos estados interconvertibles. Segundo, la energía no existe por sí misma, sino como materia en sí y como una propiedad de la misma, en otras palabras, necesita un sujeto material para su existencia. Por último, la velocidad es lo que media entre materia y energía. En consecuencia, lo fundamental es, como ya se expresó más arriba, la energía, la masa, la carga eléctrica y la velocidad.

Para comprender esta teoría debemos primero aceptar que la existencia del espacio-tiempo no es anterior a la existencia de la condensación de la energía en masa y carga eléctrica y su posterior estructuración. Es precisamente esta estructuración la que hace posible el espacio-tiempo. En el principio del universo sólo existió una energía infinita contenida en un no espacio-tiempo. Con el big bang, sólo cuando la energía primigenia comenzó a condensarse y a estructurarse, fue posible tanto la expansión del universo como el espacio-tiempo. La razón es que sólo cuando la materia comenzó a interactuar transfiriendo energía, ella creó el espacio-tiempo.

El espacio-tiempo es una propiedad de la materia que le permite ser funcional y no tiene existencia independiente de las partículas fundamentales. La misma funcionalidad de las unidades de materia genera su propio espacio-tiempo que permite a dichas unidades interactuar entre sí. El conjunto de espacio-tiempos particulares de las casi infinitas unidades de materia origina el espacio-tiempo que percibimos como un todo.

Origen del campo

El problema de considerar el espacio-tiempo como preexistente a la materia y la energía proviene de la concepción que se tiene habitualmente del campo. De este modo, el campo no es realmente el espacio influenciado por la materia, sino que es el espacio donde la partícula puede relacionarse causalmente con otra partícula, o, mejor aún, es el espacio creado por dos partículas a través de su interrelación. Dos partículas no se relacionan mutuamente de cualquier modo, sino que lo hacen según parámetros espacio-temporales muy determinados que surgen de la funcionalidad específica de ellas. En esta relación de causalidad ambas partículas crean su propio espacio-tiempo.

Sólo las fuerzas que originan un campo crean un espacio-tiempo. Esto es, el campo originado es precisamente el espacio-tiempo generado. El campo es una función de cada partícula masiva y de cada carga eléctrica, y no del espacio-tiempo donde las oscilaciones en este continuo se podrían interpretar como partículas o cargas. El campo no preexiste a la partícula (de masa o carga eléctrica), sino que es su creación cuando interactúa con otra partícula, corpúsculo o cuerpo. Más precisamente, el campo es el espacio-tiempo creado por dos partículas dentro del cual tienen la posibilidad de interactuar. En consecuencia, cuando se habla de campo, no es propio referirlo a una partícula, sino que a la acción mutua de dos partículas. Como fue anotado más arriba, el campo predice el comportamiento de la causalidad entre dos partículas. No obstante, por simplicidad, se puede definir el campo desde el punto de vista de una partícula y suponer que es el espacio al que logra influenciar para transferir o recepcionar energía.

En el caso de la masa, dos cuerpos o corpúsculos afectados por el campo mutuo que generan pueden moverse al encuentro uno de otro, o alejarse entre sí, según sea su propia naturaleza, y además lo harán con una aceleración que depende de la masa y la distancia entre ambos. En el caso de la carga eléctrica, ellos interactúan mediante la emisión y captación de radiación electromagnética y también mediante la inducción eléctrica. Estas aceleraciones y radiaciones son producidas por fuerzas, por lo cual se habla de campos de fuerza. Los campos de fuerza tienen siempre su origen en puntos espaciales que crean las partículas debido a sus interacciones, no existen en ausencia de éstas y se validan por la presencia de al menos otro cuerpo o corpúsculo. Existen tantos campos de fuerzas como existen puntos de origen.

Ciertamente, una interacción entre dos partículas fundamentales genera un espacio-tiempo limitado a la misma. Pero el universo contiene un infinito de interacciones, producto del sinnúmero de cuerpos y corpúsculos en sus diversas escalas de estructuración. La estructura de éstos produce el espacio-tiempo que experimentamos y que concebimos como preexistente a la interacción. Las unidades discretas del espacio-tiempo estructurado como un todo son los espacio-tiempos generados por el sinnúmero de partículas fundamentales. La unidad del espacio-tiempo proviene de que los componentes de la materia condensada son altamente funcionales para interactuar y se comportan según pautas (las leyes naturales) muy rígidas y definidas, pues tienen el mismo origen primigenio. Por ejemplo, todo fotón viaja a una velocidad constante, posee una muy determinada dosis de energía que está relacionada con su longitud de onda y su frecuencia y, dependiendo de éstas, puede interactuar con el manto electrónico de cualquier átomo; por su parte, toda unidad de masa ejerce una muy determinada fuerza de gravedad y requiere de una fuerza muy determinada para cambiar de una trayectoria a otra. También la unidad del espacio-tiempo proviene del hecho, que veremos en el próximo capítulo, de que los campos de fuerzas distintas (gravitacional y electromagnéticos) son equivalentes.

Límites mínimos

Hemos visto que el espacio-tiempo es producto de la funcionalidad de la materia para transferir energía. Pero esta capacidad de la materia para relacionarse causalmente tiene un límite inferior. Se puede establecer que todo el extraño comportamiento de los fenómenos de la mecánica cuántica, que rompen con todas las leyes continuas y deterministas de la mecánica clásica y de la relatividad, se debe a que la energía se actualiza y se materializa a partir de una escala que, aunque muy pequeña, es muy determinada en su dimensión de alrededor de 1 cm x 10-22, y que es precisamente la dimensión cuántica. Si Einstein no aceptó el indeterminismo de la mecánica cuántica, tampoco él y los seguidores de su teoría general han aceptado que la continuidad del universo sólo comienza a partir de una escala determinada de dimensión cuántica.

La física contemporánea se encuentra enredada al considerar al espacio-tiempo como separado de la realidad de las estructuras y las fuerzas fundamentales. Por el contrario, sugiero que la geometría comienza a surgir en la escala de las partículas fundamentales y no a partir de una dimensión de magnitud cero. Así, pues, no existe en la realidad el punto definido como una magnitud sin dimensión, y las líneas reales tienen una sección mínima igual a la dimensión cuántica. Lo demás es abstracción mental. El continuo espacio-tiempo no tiene existencia en dimensiones menores que el tamaño de las partículas fundamentales, las que tienen la dimensión cuántica. Así, pues, no hay espacio-tiempo infinitesimal ni preexistente. El espacio-tiempo no es, en consecuencia, continuo, sino que es cuántico.

De este modo, la presente teoría, que la llamaré del espacio-tiempo cuántico, llega a explicar la dualidad onda-partícula, el problema del gato de Schrödinger, el teorema de Bell acerca de la respuesta instantánea a cambios de polaridad entre dos partículas fundamentales cargadas eléctricamente con signos opuestos, aunque ambas estén separadas espacialmente, el fenómeno de la dualidad de lugares para una misma partícula enfriada y tantos otros fenómenos observados en esta pequeña escala cuántica.

Resulta que el estado de superposición, en el que una partícula puede existir o no, es precisamente el límite crítico entre la energía y su condensación en partícula fundamental. Se ha observado experimentalmente que en dicho límite los electrones pueden ocupar simultáneamente varios niveles de energía y de órbitas correspondientes. También que un fotón, después de pasar por un divisor de rayo, aparece atravesando dos caminos al mismo tiempo. De manera que bajo el límite impuesto por la constante universal de Planck se da la superposición y se puede esperar que ocurran cosas que rompen con los postulados más sólidos de la física clásica. Lo que estos experimentos señalan es que por debajo del mencionado límite, cuando la energía está en transformación para estructurar una partícula fundamental, se violan las leyes de la naturaleza que operan por sobre dicho límite.

Sistema de referencias

En este punto de la exposición entramos en el problema de la existencia o no de un sistema de referencia absoluto para las relaciones espacio-temporales entre los sucesos. Ya la teoría especial de la relatividad demostró la imposibilidad de dicho tipo de sistema cuando estableció que todos los sistemas inerciales son equivalentes. En las interacciones de los cuerpos y corpúsculos la contracción de los cuerpos y la dilatación de las longitudes son recíprocas. Pero si esta equivalencia es válida en la escala de las interacciones particulares, la negación de un sistema de referencia absoluto para la escala del universo como un todo no puede sustentarse.

En el caso de la teoría general de la relatividad, donde la gravitación es sustituida por sistemas de referencia particulares de carácter acelerado y donde la masa modifica la estructura geométrica del espacio y el ritmo del transcurrir del tiempo, la misma demanda la unidad de los campos de fuerza para que las interacciones puedan ser ejercidas en el mismo referente espacio-temporal. Pero esta necesidad no está sino subrayando el carácter absoluto para dicho referente. De este modo, la teoría general está concibiendo en forma tácita el espacio-tiempo como una existencia preexistente a la presencia de cuerpos masivos. Esto quiere decir que el concepto de que la presencia de centros masivos altera la estructura y el ritmo del espacio-tiempo supone su propia preexistencia. En consecuencia, el espacio-tiempo se identifica con un tácito sistema de referencia absoluto. Lo anterior se explica porque en la época cuando Einstein formuló su teoría general, el universo parecía ser bastante estático. Además, si nos remitimos a su teoría especial, donde todos los sistemas inerciales son equivalentes, basta la existencia previa de campos de fuerza autónomos para determinar las relaciones espacio-temporales de las interacciones.

En la teoría del espacio-tiempo cuántico el espacio-tiempo es naturalmente posterior a la existencia de la materia. Sin embargo, para que todos los cuerpos puedan existir en un allí y ahora propio, centro de causas y efectos, y relacionados entre sí, se requiere de un sistema de referencia absoluto de escala universal que garantice la inviolabilidad de ocupación espacio-temporal de los distintos cuerpos y también su funcionalidad. Lo absoluto de este sistema de referencia está constituido por dos elementos: 1. el big bang como origen del universo; 2, el tiempo presente de cada cuerpo o corpúsculo particular. Estos dos elementos serán analizados en el próximo capítulo. Un sistema como el enunciado permite que todo cuerpo ocupe un lugar distintivo del espacio y actualice en el presente las causas y los efectos. De este modo, el espacio separa una causa de un efecto y el tiempo corresponde a la duración que tiene la causa para actualizarse en un efecto.

Estructura-fuerza

En la estructuración de las cosas, aparece la estructura y la fuerza como las dos caras de la misma cosa y que surgen respectivamente a partir de la organización de la materia y de la actualización de la energía. La estructura desarrolla el espacio y la fuerza el tiempo. El universo no es el espacio-tiempo donde juega la fuerza y la estructura, sino que el juego mismo es el espacio-tiempo desarrollado por la fuerza y la estructura. Por su gran funcionalidad las partículas fundamentales están ávidas para interactuar, para ser causas y efectos. Cuando dos de ellas interactúan dentro del campo que generan, producen un espacio o una distancia para relacionarse. La fuerza desarrollada para el intercambio energético toma un tiempo para viajar (al menos a la velocidad de la luz) desde la causa al efecto. La relación producida por estas dos partículas constituye una estructura y éstas pasan a ser sus unidades discretas. Una estructura está compuesta al menos por dos unidades discretas y adquiere una nueva funcionalidad, la que le permite interactuar al menos con otra estructura de su misma escala y constituir una nueva estructura de una escala superior, de la cual las estructuras de la escala inferior, ahora sus subestructuras, pasan a ser sus unidades discretas, y así progresivamente a través de sucesivas escalas de magnitud.

La interacción fuerza-estructura produce la relación causal. La relación entre la estructura causa y la estructura efecto tiene como nexo la fuerza. El resultado de la relación causal es la estructuración de la materia. Esta relación se da entre dos límites. El superior es la velocidad de la luz y el inferior es el número de Planck, que es la dimensión del cuanto de energía. La mecánica cuántica nos dice que el espacio-tiempo tiene una dimensión mínima y la energía se transmite en unidades discretas mínimas. Luego, la conclusión que se impone es que por debajo de la dimensión de la escala cuántica no existe el espacio-tiempo. Por debajo de dicha escala suceden los fenómenos cuánticos de la incertidumbre, de la indeterminación, de la no continuidad, que son propios de la transformación de la energía en estructuras y fuerzas fundamentales. Esta conclusión debiera compatibilizar las teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad.

De lo visto, el universo resulta ser una realidad mucho más intrincada de lo que suponía la física clásica. Allí actúan fuerzas que no solamente provienen de puntos espaciales con dimensión y que generan espacios, que llamamos partículas fundamentales, y que en combinación con otras conforman cuerpos que afectan directamente otros cuerpos en espacios materiales creados por las influencias de infinidades de masas y cargas eléctricas, al tener las estructuras extensión en sus propios campos espaciales, sino que las fuerzas surgen también por la conversión de las masas y cargas eléctricas mismas en energía y viceversa. Resulta ser así que la materia condensada y la energía son dos aspectos distintos y complementarios de la materia y específicamente de todos los seres del universo.

A partir de las características de las partículas fundamentales y las fuerzas fundamentales que las acompañan, que explican su funcionalidad fundamental, sería teóricamente posible deducir las estructuras de escalas mayores, como quarks, hadrones, núcleos atómicos, átomos, moléculas y así sucesivamente. Pero, en la medida que la escala aumenta, las estructuras se hacen más complejas y las funciones se vuelven más heterogéneas, hasta llegar a la multiplicidad de posibilidades abiertas a estructuras tan complejas como multifuncionales, como somos, por ejemplo, los seres humanos.



CAPÍTULO 3 – MATERIA CÓSMICA



El universo tuvo un comienzo en un espacio infinitamente pequeño y con una energía infinitamente grande. Posee una unidad fundamental por origen, lo que condiciona que en toda su amplitud operen las mismas leyes universales. Su dimensión es el espacio que se ha venido expandiendo a la velocidad de la luz desde el instante de su creación, hace unos quince mil millones de años atrás. Su límite es el tiempo presente. La fuerza de gravedad que atrae la masa para formar cuerpos celestes y que los mantiene orbitando proviene de una energía inagotable, producto de la propia expansión del universo.


El big bang


Expansión

En la visión cosmológica del universo, en el extremo de mayor magnitud de las escalas, los astrónomos y astrofísicos concluyen a partir de determinadas evidencias que el universo está en expansión. Esta conclusión que revolucionó la cosmología del siglo XX lleva a señalar, primero, que si el universo está efectivamente en expansión, debió haber tenido entonces un comienzo, y segundo, que éste debió haber consistido en una gran explosión inicial.

La historia de esta concepción comenzó en 1922. Empleando la teoría general de la relatividad de Einstein, Alexander Friedmann (1888-1925) predijo la posibilidad de una explosión al inicio del universo a partir de un denso núcleo de materia. En 1927, conforme a las ideas matemáticas de Friedmann, el abate Georges Lemaître (1894-1966) propuso un modelo para una teoría cosmológica de la expansión del universo, postulando un estado inicial, que él llamó “huevo cósmico”, en el que la materia estaba constreñida en un espacio tan pequeño y denso como ello fuera posible. En 1928, Howard P. Robertson (1903-1961) midió la luz de las galaxias y encontró que aquellas más lejanas son más rojas, es decir, la longitud de onda de la luz proveniente de estrellas de distantes galaxias es más larga que la de la luz emitida por los mismos átomos en laboratorios terrestres o por estrellas similares (las cefeidas) de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Al año siguiente, Edwin P. Hubble (1889-1953) concluyó que el creciente corrimiento al rojo en el espectro de la luz emitida por galaxias cada vez más lejanas es debido al efecto Doppler-Fizeau, lo que significa que, mientras más lejana se encuentre una galaxia, ésta viaja más velozmente, de modo que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a sus distancias. En la década de los años treinta George Gamow (1904-1968) acuñó el ahora popular término big bang (la "gran explosión") para designar el inicio explosivo del universo a partir de una ironía del astrónomo Fred Hoyle (1915-2001), quien rechazaba tal teoría.

Evidencias

En 1963, Maarten Schmidt (1929-), de Caltech, estudió el espectro luminoso del cuasar 3C273, radiofuente cuasi estelar que emite enormes cantidades de radiación en toda la gama para su pequeño tamaño relativo (aunque pueden brillar con la luz combinada de 50 a 100 galaxias, cada una conteniendo 100 mil millones de estrellas tan brillantes como el Sol), y concluyó que las líneas de su espectro estaban tan desplazadas hacia el extremo rojo que éste acusaba una velocidad de 40.000 km/s, semejante a las galaxias más veloces, a un 13 por ciento de la velocidad de la luz. Dos años después estudió el espectro del cuasar 3C9 y concluyó por su extremo corrimiento al rojo que se estaba alejando a un 80 por ciento de la velocidad de la luz. Desde entonces miles de cuasares más han sido catalogados, y sus movimientos han sido estudiados. Además, mientras más distante sea el espacio estudiado, los cuasares son más numerosos. Este fenómeno no sólo está corroborando el principio de Hubble que “mientras más lejanos los objetos, se alejan con mayor rapidez”, sino principalmente que la velocidad de estos lejísimos objetos celestes se aproxime a la velocidad de la luz, lo que apunta directamente a conclusiones que analizaremos más adelante. Es posible concluir también que los cuasares son estados iniciales de las galaxias que están a distancias menores. En otras palabras, al principio de Hubble se debe agregar que “mientras más lejanos los objetos, son menos evolucionados”.

Otra evidencia más reciente del big bang se basa en la detección de un eco radial de microondas que proviene de todos los confines del espacio, como una homogénea radiación cósmica de fondo, fenómeno que primero Gamow y luego Robert H. Dicke (1916-1997) habían pronosticado a partir de la hipótesis de que el universo fue en un tiempo más caliente y más denso, y, por lo tanto, comprimido en un espacio más reducido. La radiación de aquella época habría quedado rebotando por el universo y es ahora captada en forma de ondas de radio de baja energía. En 1964 Arno Penzias (1933-) y Robert Wilson (1936-) comprobaron la existencia de la pronosticada radiación cósmica de microondas de fondo y encontraron que indicaba una temperatura promedio de 3 K, cuando el universo tenía 0,1% de su actual dimensión.

Hubble hizo también otra contribución a la cosmología. Observando hacia todas las direcciones del firmamento, las galaxias más distantes parecen estar distribuidas de manera uniforme, como una consecuencia de una expansión uniforme del universo. Se denomina al hecho que el universo es homogéneo a grandes escalas la “constante de Hubble”.

Posteriormente, el equipo del satélite COBE (por Cosmic Background Explorer) de la NASA, que detectaba microondas llegando de los lugares más apartados del universo, comprobó que éstas son extraordinariamente uniformes, lo que ilustra la homogeneidad de las primeras etapas de la evolución del universo. Sin embargo, el satélite descubrió que cuando el universo comenzaba a enfriarse se produjeron zonas del universo con temperaturas algo más altas y zonas con temperaturas algo más bajas. La causa de esta dispar evolución podría ser atribuida a la forma de acción de la mecánica cuántica. Esta circunstancia podría explicar que del desequilibrio inicial pudieran posteriormente evolucionar las estrellas, los racimos de estrellas, las galaxias y los conglomerados de galaxias.

En los últimos años se han estado estudiando supernovas del tipo I. Éstas tienen un brillo intrínseco de forma muy precisa. Una supernova tipo I es una enana blanca que en un momento dado se transforma en una gigantesca bomba termonuclear. Una enana blanca tiene su gas comprimido al del tamaño de la Tierra con una densidad un millón de veces mayor. Si la compresión genera una temperatura elevada dada, se produce la fantástica explosión. Mientras mayor es la estrella, su explosión alcanza mayor duración. Monitoreando la duración de la explosión se puede deducir el brillo inherente con bastante precisión, con lo que se puede determinar su distancia. Calculando su corrimiento al rojo, se puede determinar su velocidad de alejamiento. En una galaxia estalla una supernova cada 300 años. En cualquier sector del firmamento del tamaño aparente de la Luna llena se puede observar con un potente telescopio unas cinco mil galaxias.

También en el último tiempo, el Programa del Campo Ultra Profundo, encabezado por Steven Beckwith de la John Hopkins University, que emplea el telescopio satelital Hubble, ha llegado a observar, tras larga exposición, galaxias a sólo unos 350 mil años del big-bang.

En consecuencia, la mayoría de los astrónomos y los cosmólogos está convencida de que el universo está en expansión. Esta es relativa: se ve igual desde cualquier punto en el espacio, no estando centrada en nosotros.

Edad

Renombrados científicos estiman que el universo comenzó en un momento dado hace alrededor de diez a veinte mil millones de años atrás y tuvo su origen en un espacio infinitamente pequeño. La edad calculada depende de la manera de medir. Una forma es determinar su tasa de expansión. Si se expande a una velocidad constante, el intervalo de tiempo será la razón entre la distancia entre dos galaxias y su velocidad de separación, que es el recíproco de la constante de Hubble. La primera estimación de Hubble fue de 500 km/s por megaparsec (1 parsec equivale a 3,26 años luz), lo que arrojaba una edad para el universo de sólo dos mil millones de años, contradiciendo la edad estimada de muchas estrellas.

En 1974 Allan Sandage (1926-1910), astrónomo de Monte Palomar, realizó una nueva calibración entre la distancia de las galaxias y el corrimiento hacia el rojo y concluyó que la edad del universo es de 16 mil millones de años. Recientemente, algunos astrónomos han llegado a calcular, con datos proporcionados por el telescopio Hubble, que la expansión del universo sería de 74,3 km/s por megaparsec ± 8, es decir, el universo tendría una edad de unos 13,7 mil millones de años. Por otra parte, se calcula que las estrellas de los racimos globulares, por la velocidad que queman el combustible nuclear, tienen entre quince a veinte mil millones de años. Desde luego, estas estrellas no pueden ser más viejas que el big bang, por lo que el cálculo de su edad deberá ser afinado. En la actualidad, se calcula que el universo tiene 13,7 mil millones de años.

Gran explosión

El gigantesco estallido de fuerza con que el universo comenzó a existir, el espacio a expandirse y el tiempo a relacionarlo se denomina, como ya se señaló, “big bang”. Esto quiere decir que antes de ese momento no existía ni el espacio ni el tiempo. Por lo tanto, no debemos imaginar el punto infinitamente pequeño del big bang como rodeado de espacio ni tampoco como subsistiendo en el tiempo. También estos científicos suponen que este espacio infinitamente pequeño contuvo una energía infinitamente grande, origen de toda la energía y masa existente en el presente en el universo. Esta teoría es la única que puede explicar un número de fenómenos que se han observado, como la velocidad de separación entre las galaxias, las cantidades relativas de cuerpos luminosos, el suave eco de fondo y la evolución general de las estructuras cósmicas.

El big bang tuvo dos efectos: 1. la energía primigenia se condensó en masa y carga eléctrica, las que generaron su propio espacio-tiempo. 2. El universo se expandió, se enfrió, se descomprimió disminuyendo su densidad y se complejificó. En el proceso de expansión del espacio se produjo enfriamiento o, en otras palabras, dispersión de energía.

Se calcula que las partículas fundamentales masivas se condensaron en los primeros brevísimos instantes del universo, cuando éste tenía tan sólo 1 x 10-34 segundos, a partir de fotones muy energizados y de cortísima longitud de onda, pero muy poco antes de que se diferenciaran los otros tres tipos de interacción: nuclear fuerte o corta, electromagnética y nuclear débil. Se calcula también que reproducir experimentalmente este fenómeno requeriría un acelerador de partículas del tamaño de una galaxia. Se estima que no todos los fotones se condensaron. Naturalmente, todos estos cálculos son suposiciones.

Se cree que en un comienzo la densidad fue tan grande que se generó un calor extraordinariamente intenso que imposibilitó toda estructuración ulterior. Debió transcurrir un tiempo para que, a causa de la expansión del universo, la densidad inicial fuera disminuyendo. Se estima que después de una existencia de 300.000 años la temperatura del universo descendió a 3000° K, que es suficientemente baja para que los electrones y protones se combinaran y formaran los primeros átomos de hidrógeno y helio. Posteriormente, cuando la temperatura descendió a los 3° K, el universo se hizo transparente a las emisiones electromagnéticas, permitiendo la radiación cósmica de microondas de fondo que ha sido detectada.

La forma y el tamaño del universo

Antes de la teoría del big bang el universo había sido evidentemente concebido de otras maneras. Muy atrás en la historia quedó aquel universo inmutable, pleno de orden, armonía y belleza que los antiguos griegos imaginaron. Desde luego, esta evolución de la concepción del universo se explica igualmente porque el desarrollo de la Física moderna ha transformado la cosmología. Pero también quedó atrás la noción de la termodinámica del siglo XIX que imaginaba un universo que evoluciona hacia una muerte térmica que pondría fin a toda la historia como resultado de alcanzar un estado entrópico de equilibrio uniforme e inerte. La naturaleza del universo que la ciencia actual reconoce es de carácter activo y diferenciado y no podría sufrir, por lo tanto, tal muerte térmica. Este es el caso de la teoría postulada por Hermann Bond y Thomas Gold en 1948, de una creación continua de materia entre el espacio intergaláctico que se produce por una expansión de universo y que conduce a un universo de un estado estacionario que siempre tendrá una determinada densidad. También quedó en el pasado aquella imagen del universo del eterno retorno como resultado del conflicto dinámico-termodinámico. Últimamente, los cosmólogos hablan de agujeros negros que van succionando irreversiblemente toda la materia de su alrededor para indicar el término de la evolución del universo. El surgimiento de la teoría del big bang ha sido decisivo para moldear nuestras concepciones actuales.

En estos últimos años se han efectuado nuevos descubrimientos mientras se ha estado escudriñando profundamente en el cosmos con instrumentos muy avanzados, y han sorprendidos a todos. Entre estos descubrimientos se pueden mencionar algunos. En 1998, usando un nuevo instrumento llamado SCUBA, por “Arreglo de bolometro submilimétrico de uso común,” en inglés, instalado en el telescopio James Clerk Maxwell de 15 metros, ubicado en la cima del Mauna Kea, en Hawaii, investigadores de la Universidad de Hawaii y Japón descubrieron galaxias que parecían estar formando estrellas 10 a 100 veces más rápido que las típicas galaxias visibles. También en 1998, midiendo la intensidad de la luz de supernovas, investigadores del Proyecto Cosmológico de Supernovas encontraron que supernovas muy distantes aparecían 27 por ciento más tenues que lo supuesto. En 2002, después de tres años de juntar información suministrada por un conjunto formado por 13 antenas de radio, llamado CBI, por Imagen del fondo del cosmos, en inglés, en Chajnantor, una meseta a una altitud de 5080 metros en el norte de Chile, investigadores del Instituto de tecnología de California concluyeron que la luz polarizada, originada 400.000 años después del big bang, mostraba detalles muy finos, como si estuviera amplificada. En los años recientes, usando el telescopio Hubble, en el programa HUDF, por “Campo ultra profundo de Hubble,” en inglés, astrónomos del Instituto de ciencias del telescopio espacial han estado observando segmentos muy pequeños del espacio a exposiciones de un millón de segundos de duración con el propósito de captar cualquier fotón lejano, revelando los primeros objetos en emerger poco después del big bang.

En la ausencia de una teoría comprehensiva para enmarcar la investigación de las profundidades del universo estos fenómenos descubiertos recientemente han conducido a explicaciones extravagantes, tal como la expansión acelerada del universo y la energía oscura, amenazando con destruir teorías aceptadas por mucho tiempo e ideas bien fundamentadas, tal como las ideas de materia y energía y la validez universal de las leyes naturales. Por tanto, en un intento de entender sus causas reales y su verdadera significación, y de encontrar un modo de mantener el cuerpo del conocimiento científico erguido, deseo proponer en las páginas que siguen una nueva teoría del universo como alternativa de aquella que se apoya en la teoría general de la relatividad de Einstein. Creo que ésta no es suficiente para ofrecer una explicación plausible y eliminar las contradicciones que han surgido por estos recientes descubrimientos. De hecho, más que una explicación a estos fenómenos, esta teoría está mejor sostenida por los mismos. Se vincula más con la geometría y su relación con dos teorías: la teoría especial de la relatividad de Einstein que establece que “a la velocidad de la luz la masa es infinita, el tiempo se detiene y el espacio se acorta a cero”, y el principio de Hubble de la expansión del universo que señala que “mientras más lejano, más rápido”.

Ambas teorías requieren sin embargo ser remodeladas por la adición de un corolario a cada una de ellas. Así, pues, es necesario cambiar la conclusión de la contracción de George Francis FitzGerald (1851-1901) que “el espacio se acorta a cero” a la siguiente idea: cercana a la velocidad de la luz no es la extensión del objeto como un todo que se va acortando a cero, sino sólo una de sus tres dimensiones, la dimensión específica del objeto que pertenece al eje trazado entre el observador y el objeto mismo. Con el propósito de mantener la simetría, en el mismo grado que el objeto que se aleja del observador a una velocidad cercana a la luz aparece más corto al observador en el eje común a ambos, el plano transversal a este eje debe aparecerle más grande en estas dos dimensiones de lo que es realmente. A la velocidad de la luz, mientras la dimensión del objeto en la dirección del observador le aparece nula, las otras dos dimensiones se agrandan tanto que aparecen envolver al observador. Esta simetría se explica por el efecto hiperbólico que ocurre a un área que se aleja perpendicularmente del observador a velocidades muy altas como resultado recíproco de la contracción de FitzGerald. 

La ecuación para la contracción de FitzGerald es = L 'L (1-v ² / c ²) ^ (1/2) donde L es la longitud del cuerpo que se aleja, v es su velocidad de alejamiento, y c es la velocidad de la luz. La expresión matemática de este corolario se refiere al hecho de que esta ecuación es una de las tres dimensiones de una extensión o volumen, que es V = LHW, y donde V es el volumen, H es la altura, y W es el ancho. Veamos el caso del volumen de la esfera número, digamos, 13.000 respecto al volumen de la esfera que le precede, que sería la número 12.999. Es decir, la distancia del observador a esta esfera sería de 13.000 millones de años luz. Aplicando la contracción de FitzGerald, la periferia de esta esfera estaría alejándose a 284.672 km/s y la distancia entre la periferia de esta esfera y la de la esfera número 13001 tendría una contracción aparente de 0,3156 de 1 año luz. Sin embargo, aplicando nuestro corolario a esta contracción, el área aparente de su periferia sería de 3,1690 veces la periferia una esfera que estuviera a 13.000 millones de años luz. Cuando la contracción se vuelve cero porque la velocidad alejamiento del objeto es igual a la velocidad de luz, entonces el producto de las otras dos dimensiones, altura y ancho, se hace infinito.

La razón es que si bien las distancias se distorsionan para el observador existente en el centro de las esferas concéntricas, el volumen (en este caso, el que se encontraría entre la periferia de la esfera número 13.000 y la número 12.999) no sufriría distorsión, según el observador, y permanecería estable. Una razón adicional es dada por la ecuación de Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), por la cual la masa de un objeto que se aleja a una velocidad aproximándose a la de la luz se convertiría en infinitamente grande, queriendo indicar que la contracción de FitzGerald se aplica a cuerpos y no a volúmenes. Esto constituye un principio cosmológico que podríamos enunciar así, para un observador las distancias y longitudes obedecen a la contracción de Fitzgerald y la magnitud de las masas, a la ecuación de Lorentz, y ambas se incluyen dentro de la teoría especial de Einstein, pero el volumen no se ve afectado y solo crece según la expansión del universo.

El corolario a la teoría de Hubble es más simple y probablemente muy conocido, aunque no tan bien entendido. A la afirmación “mientras más rápido, más lejano”, se debe añadir, “más joven”.

La consecuencia lógica de las teorías tanto de Einstein como de Hubble es que, en relación al big bang, el universo se expande a la velocidad de la luz y que su velocidad de expansión es constante, como veremos enseguida. Por tanto, que cualquier otro puede estar desde inmediatamente cercano hasta en el pasado distante, existiendo uno mismo en el tiempo presente. De ahí, el universo puede ser concebido desde sólo dos puntos de vista válidos y que son necesariamente complementarios. Primero, el universo desde el punto de vista del big bang es el de una aparente esfera cuyo centro es el mismo big bang y cuya periferia contiene toda su materia, existiendo en un tiempo presente contemporáneo, y cuyo radio es igual a la velocidad de la luz multiplicada por el tiempo que ha transcurrido entre en big bang y el tiempo presente. Segundo, para cualquier observador que no esté en el big bang el universo es una esfera aparente cuyo centro es el mismo observador y su periferia es el big bang, donde su geometría debe tomar en cuenta por el tiempo y la velocidad de la luz para que su amplia periferia pueda identificarse con un punto sin espacio, que es el big bang. Será el segundo punto de vista que explicará la evidencia para la expansión del universo y la magnificación de cuerpos celestes ultra distantes. Por su parte, el primer punto de vista explica que la velocidad de expansión del universo es la de la luz. Pero será necesario primero efectuar un esfuerzo crítico para entender la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo, y corregir errores ampliamente mantenidos por causa de la teoría general de la relatividad de Einstein.

Espacio-tiempo

Existen algunas afirmaciones elementales que podemos formular en relación al espacio y el tiempo. La dimensión de estos parámetros está relacionada con la cantidad, ya que ambos pueden ser medidos y ambos pueden ser usados como medidas. El tiempo es una de las medidas del movimiento de la materia. La otra es el espacio. A pesar de que el tiempo puede ser distinguido del espacio, su existencia puede ser entendida sólo en relación a su correlativo. A través del movimiento el tiempo se relaciona con el espacio. Por tanto, el tiempo es lo que demora un cuerpo moverse a una cierta velocidad en el espacio. Un reloj, instrumento analógico que nos da la hora y nos indica el tiempo que va transcurriendo, tiene tal capacidad porque cada uno de sus engranajes gira a velocidad constante, y los espacios cubiertos por cada diente en cada engranaje son similares.

Más aún, la interacción de dos cuerpos crea una distancia. La de tres cuerpos, crea un triángulo que se encuentra en un plano bidimensional. Cuatro cuerpos interactuando y no coincidentes en un mismo plano crean cuatro planos, conformando un espacio tridimensional. En el universo este espacio es común a todas las cosas del universo que se relacionen de alguna manera con los cuerpos mencionados. Esta idea puede aclararse si pensamos en la estructura vial de un país, o en una imagen en nuestro cerebro que requiere la acción de numerosas neuronas ubicadas en distintas lugares de éste.

La velocidad de la luz es la velocidad máxima posible en la interacción de dos cuerpos. Si la velocidad de la luz fuera infinita, el tiempo sería nulo y la interacción entre estructuras sería instantánea. Pero desde Einstein, sabemos que el tiempo absoluto no puede existir en el espacio. Un espacio newtoniano con un marco de referencia absoluto no existe. Puesto que la velocidad máxima de transmisión de los acontecimientos en el espacio –aquello por el cual los acontecimientos se relacionan unos con otros– es la de la luz, la simultaneidad absoluta de los acontecimientos es imposible, o, simplemente, si el marco de referencia absoluta no existe, la relación temporal de los eventos es distinta entre un observador y otro, ambos ubicados en distintos lugares. Algo distinto ocurre con la dimensión espacial. El movimiento allí aparece a distintos tiempos, dependiendo de la ubicación del observador. Entonces el espacio es también una dimensión relativa.

En el universo las cosas se mueven en relación a un observador desde cero hasta la velocidad de la luz. En consecuencia, el espacio y el tiempo son mediciones universales para todo movimiento, y ambos están enmarcados por la velocidad de la luz como su referente absoluto. Puesto que la magnitud del movimiento máximo posible en el universo tiene un límite absoluto, que es la velocidad del fotón, Einstein concluyó que el espacio y el tiempo son relativos, esto es, ambos parámetros son correlativos respecto a este movimiento con valor absoluto. Él introdujo el concepto “espacio-tiempo” como dos parámetros relativos que están relacionados entre sí y que tienen la velocidad de la luz como su referente absoluto.

En el otro extremo de la escala a distancia mínima entre dos cuerpos, de los más pequeños que existen, es el número de Planck. En consecuencia, el tiempo y el espacio no son infinitamente pequeños, como muchas veces se supone. Comienza a existir a partir de dicha distancia. En el universo existe un límite inferior y un límite superior para la causalidad. El límite inferior es la dimensión del cuanto de energía, dada por la constante de Planck, el cual determina la escala menor para la existencia de la relación causal. El límite superior para esta relación se refiere a la velocidad máxima que puede tener el movimiento, que es la velocidad de la luz.

Lo que subyace al movimiento es el cambio, que está en el origen del movimiento. Éste es su lado visible y mensurable. De este modo, ambos –el tiempo y el espacio– son respectivamente las medidas de la duración y de la extensión de un proceso. En ambos casos el tiempo y el espacio miden una causa en relación a su efecto. Por una parte el tiempo mide lo que demora una causa afectar un efecto y cuanto demora un cambio en efectuarse. En este segundo sentido la duración puede durar un instante breve, o puede durar mucho más. Por la otra el espacio mide la distancia entre una causa y su efecto y el cambio operado por ambos. Cuando el cambio se mide a través de la relación causal, el tiempo se vuelve irreversible, porque existe gasto de energía, generación de fuerza y estructuración de algo. Sin embargo, el espacio permite que un cuerpo pueda retornar las veces que se quiera a un mismo punto, como el pistón dentro del cilindro de un motor.

La medida del tiempo es dada por la tasa de cambio de un proceso, la cual está determinada por leyes naturales. La cantidad de agua que bulle a presión atmosférica está en relación directa con la energía que ingresa al sistema. Este tiempo es por tanto absoluto. Este mismo tiempo se relativiza para un observador cuando se introduce el parámetro de velocidad entre el observador y aquello que observa. Si el observador se aleja del caldero en ebullición a velocidades cercanas a la de la luz, podrá observar que el tiempo de ebullición se hace más lento.

El razonamiento anterior apunta al hecho que la existencia de tanto el tiempo como el espacio depende de la interacción de los cuerpos, que es la base del cambio. El siguiente paso de este razonamiento es que ni el espacio ni el tiempo preexisten a las cosas. El pensamiento de que tanto el tiempo como el espacio tienen una naturaleza anterior a las cosas proviene desde Kant, cuando definió el tiempo y el espacio como intuiciones sensibles a priori. Por el contrario, si afirmamos que la materia y la energía se identifican con todas las cosas del universo, ni el espacio ni el tiempo pueden existir independientemente, sino que sus existencias dependen de las existencia de la materia y la energía. El espacio y el tiempo no sólo dependen de la materia y la energía, sino que son posteriores temporal y naturalmente. El tiempo es la tasa a la cual la energía se transfiere.

Podemos perfectamente imaginar que en el primer instante, al principio del tiempo, y cuando el espacio ni siquiera estaba comprimido en lo infinitamente pequeño, estuvo sólo la energía, infinitamente grande. Entonces no había ni tiempo ni espacio. A partir de este primer instante, en lo que se ha venido a denominar el “big bang”, cuando esta energía primigenia comenzó a “condensarse” en estructuras –la masa y la carga eléctrica– que ejercían fuerza a partir de la escala cuántica, fue posible el desarrollo del tiempo y la extensión del espacio. Este desarrollo y esta expansión no fueron ni son ahora independientes de la conversión de la energía en masa y carga eléctrica. Las partículas fundamentales responsables de estas dos propiedades son altamente funcionales y generan sus propios campos espaciales de fuerza dentro de los cuales pueden interactuar causalmente.

La energía primigenia ha ido dando origen a la estructura­ción ulterior de la materia a partir de su condensación primera en partículas fundamentales en un acto de creación que no tiene término. A partir de la transformación de la energía en partícu­las fundamentales que crean sus propios campos de fuerza surgió el tiempo y el espacio. De hecho, ambos parámetros se explican por su relación con la fuerza y la estructura. Tanto como la funciona­lidad de las estructuras que transforma la energía en fuerza hizo posible el tiempo (el tiempo es generado por la relación causal), la estructuración de la materia conformó el espacio (un espacio es inconcebible si no es parte de una estructura). Tal como la fuerza genera el tiempo, la estructura, por su parte, genera el espacio. Esto es, si la fuerza se define en función de la alteración del movimiento de la materia en el espacio-tiempo, y la materia se define en cuanto estructurada según las coordenadas espaciales, la fuerza deberá definir el tiempo. En esta ecuación la fuerza se desvincula del espacio, pues éste queda anulado al encontrase a ambos lados de dicha ecuación.

A la inversa, esto quiere decir no sólo que el tiempo depende de la fuerza, sino que la fuerza desarrolla el tiempo. Más arriba vimos que la energía es anterior a la fuerza. La energía que emana de una causa es siempre tiempo futuro, potencialidad. Cuando entra el parámetro espacial, la energía, mediatizada por la complementariedad fuerza-estructura, se vuelve fuerza y el tiempo sufre desarrollo. Esta idea es comprensible si se piensa que la fuerza, que porta energía especificada o diferenciada, es el necesario nexo interestructural entre la causa y su efecto; es el punto de encuentro entre la estructura causa y la estructura efecto. Para que ocurra un efecto es necesario que la causa sea mediatizada por una fuerza si acaso se identifican tanto la causa como el efecto con estructuras funcionales. En la relación causal la causa genera una fuerza que el efecto consume y, en esta acción, ambos son modificados de alguna manera. Sintetizando, la fuerza genera la relación causal al actualizar el traspaso de energía.

Ahora bien, puesto que en toda relación causal se produce una secuencia temporal, la fuerza es aquello que se interpone entre el “antes” y el “después” de tal acontecimiento; ella constituye el “ahora” del acontecimiento para modificar irreversiblemente la estructura. En todo cambio hay traspaso de energía de acuerdo a la primera ley de la termodinámica; todo cambio es irreversible, según su segunda ley. Por lo tanto, podemos subrayar que la fuerza genera el devenir y desarrolla el tiempo. Un solo acontecimiento, una sola relación causa-efecto, no logra decirnos mucho acerca del espacio-tiempo: tan sólo que un acontecimiento separa un antes de un después en algún lugar. La dimensión espacio-temporal es el conjunto de los múltiples acontecimientos particulares que están sucesivamente relacionados porque se van actualizando en un tiempo determinado, que es el presente para un determinado lugar del espacio. Pero ella no puede ser únicamente lineal, ni tampoco unidimensional. El tiempo no es independiente del espacio, pues la sucesión de acontecimientos no se da únicamente en un punto espacial, sino que abarca un tejido interdependiente de distintos acontecimientos cuya correlación es asunto de la posición en el espacio no sólo del observador, que es un referente particular, sino del big bang, que es el referente absoluto de todo el universo. El universo es el conjunto de las interrelaciones causales que tiene su origen en el big bang. Y a causa de este origen común, aquél tiene unidad y sus leyes naturales se cumplen en todo tiempo y lugar.

He mostrado más arriba que el espacio es propio de la estructura, y el tiempo, de la fuerza. Entonces, nuestro universo no es el campo espacio-temporal donde juegan fuerzas y estructuras, sino que el juego mismo es el espacio-tiempo desarrollado por la interacción fuerza-estructura. Si su origen primigenio fue una energía infinita contenida en un no-espacio, su evolución en el curso del tiempo ha seguido el transcurso de una continua y cada vez más compleja estructuración, la cual ha ido desarrollado el espacio.

Vivimos en una época cuando está de moda la visión cosmológica construida en torno a la teoría general de la relatividad de Einstein. El mundo científico siente un gran aprecio por esta teoría y, en cierto sentido, adapta los resultados de las observaciones y experimentaciones para no contradecirla. Lo que es completamente real es que existe una absoluta contradicción entre lo expuesto más arriba y esta teoría.


El observador


Tiempo presente

Como se puede concluir de la teoría del big bang, el universo se originó en un punto y desde entonces se ha venido expandiendo. Pero de ninguna manera se puede inferir que el mismo pueda tener la forma de una esfera en expansión ni que ésta pueda tener un centro, aunque ya, en el siglo XV, Nicolás de Cusa (1401-1464) lo hubiera descrito alegóricamente, pero con un cierto acierto, como veremos, como una esfera cuyo centro está en todas partes y su periferia en ninguna. Me parece que es posible reformular nuestra concepción de la forma del universo si imponemos las conclusiones lógicas de la teoría de la relatividad especial (y no las de la relatividad general, como los cosmólogos corrientemente hacen) a la teoría del big bang. Previamente debemos aceptar, primero, el principio de que el tiempo presente es la actualización de la relación causal; segundo, que la velocidad de expansión del universo es la de la luz, y tercero, puesto que el universo entero tuvo un origen común, las mismas leyes naturales gobiernan todas las relaciones de causa-efecto.

Partiendo de la mutua correlación del espacio-tiempo y de que la velocidad máxima de propagación de la causa es la de la luz, podemos sostener que el único límite del universo no es una dimensión espacial, sino que es el tiempo presente, por lo que la aparente periferia del universo (con centro en el big bang) no es que no está en ninguna parte, como lo expresara Nicolás de Cusa, sino que sería una dimensión temporal. Esto es, si las dimensiones espaciales del universo crecen a la velocidad de la luz, el límite del universo es el tiempo presente para todos y cada uno de los observadores. El tiempo presente pertenece exclusivamente a cada observador en particular.

Un observador existe en el presente. En el presente del observador se actualiza todo efecto que ha tenido un espacio-tiempo para llegar desde su causa originaria en un pasado hasta su propia existencia. Desde el presente se origina toda causa que tendrá un efecto en un futuro que será pasado para el observador. La existencia, problema metafísico fundamental, pertenece en exclusiva al tiempo presente, que es el momento del tiempo cuando una cosa es sujeto de causas y objeto de efectos. En ningún otro momento, sea del pasado o del futuro, una cosa tiene existencia. La relación causal une los momentos del tiempo en el presente del observador.

Si un observador proyectara con su linterna un haz de luz hacia cualquier punto del espacio, en su perspectiva los fotones generados en el foco no se dirigen hacia el futuro, sino hacia el pasado. Por su parte, desde el punto de vista de un objeto que se encuentre en dicho punto del espacio, los mencionados fotones le estarían llegando también desde el pasado. El futuro es una ilusión; pertenece sólo a la energía, la que es pura potencialidad, en términos aristotélicos, mientras no se actualice para producir un cambio. Por ejemplo, si este observador se encontrara en la Tierra y dirigiera su linterna hacia un espejo, perpendicular al haz de luz, instalado en la superficie de la Luna, podría percibir el haz proyectado 2,5 segundos después de emitido, en que la luz tardó la mitad del tiempo en ir y la otra mitad en volver. En otras palabras, la causa tardó 2,5 segundos en llegar al observador.

Lo que estoy diciendo es que absolutamente todo lo que el observador observa se encuentra necesariamente, para él, en el pasado, pues la luz emanada de aquellos objetos tuvo un tiempo para recorrer la distancia y llegar al observador. Por lo tanto, mientras más lejos se encuentre un objeto del observador, más en el pasado existe respecto a éste, siendo dicho tiempo igual a la distancia dividida por la velocidad de la luz (si fuera la luz la portadora de la señal del objeto). Para un observador en la Tierra el Sol se encuentra a 8,3 minutos en el pasado, y Sirio a 8,8 años. Y lo que es válido para nosotros, como observadores, lo es para cualquier otro observador del universo. Todo aquello que existe dentro de la aparente esfera del universo cuyo centro es el observador, excepto por el mismo observador, en realidad no existe, pues pertenece al pasado. Lo que el observador observa en su presente existencial son los efectos de sucesos que ocurrieron en un pasado más o menos remoto. Lo que el observador percibe son los efectos de causas pretéritas.

La noción “tiempo pasado” tiene dos significados muy distintos. Decimos que una causa, como la luz de una estrella, proviene del pasado. También decimos que un efecto, que es una causa ya gastada, se va al pasado, tal como los hechos relatados en un libro de historia. Por lo tanto, tanto la causa como el efecto se juntan en el tiempo presente, el primero viniendo del pasado, y el segundo yéndose al pasado de modo irreversible.

Si sólo cada observador existe en el presente y todo lo que hay en el universo para cada cual existe más o menos en el pasado, nada puede existir en el futuro. En consecuencia, el conocimiento cierto del futuro es imposible, excepto que podemos conocer el probable desenlace de un acontecimiento si conocemos las leyes deterministas que lo rigen. Además podemos saber que los cambios tienen una sola dirección: completarse en el futuro. Con este conocimiento nosotros podemos elaborar proyectos, los que son planes y programas destinados a desarrollarse en el futuro.

También es imposible conocer las galaxias tal como existen contemporáneamente. La contemporaneidad es una ilusión de un espacio y un tiempo euclidiano, pues supone que la relación causal puede ser instantánea. Una causa existente en el presente se proyecta hacia el futuro. Pero para un efecto en el presente, la causa proviene del pasado. El tiempo presente, que es acción, separa el pasado de la causalidad que se actualiza del futuro hacia donde se proyecta el accionar. Del futuro se sabe con certeza sólo dos cosas: que llegará a ser presente en algún momento y que regirán las mismas leyes universales.

Siguiendo el principio de Hubble, “mientras más lejano se encuentre un objeto del observador, a mayor velocidad se irá alejando”, el límite absoluto de la velocidad de alejamiento es la de la luz. En consecuencia, la distancia entre nuestra posición de observadores nos coloca a una distancia máxima del origen del universo, pues viajamos necesariamente a la velocidad de la luz con respecto al big bang y estamos en el tiempo presente. 

Si el parámetro absoluto de nuestro universo es la velocidad de la luz, el espacio que media entre el big bang y el aquí y ahora nuestro es el resultado de multiplicar la velocidad de la luz por el tiempo que suponemos que ésta ha venido viajando desde el big bang. Y el tiempo del ahora nuestro es lo que ha tardado la luz en viajar a la velocidad de la luz desde el comienzo, en el big bang. Sin embargo, este espacio no tiene existencia permanente, pues no puede ser recorrido nuevamente por un haz de luz que volviera al big bang y retornara. No alcanzaría el tiempo. Dicho espacio existió y fue real únicamente mientras la luz lo recorrió. Nuestra experiencia cotidiana nos hace concebir el espacio como algo dado, anterior a las cosas. Recorremos diariamente el mismo espacio para ir del hogar al trabajo y viceversa. En la escala cósmica el viaje entre una galaxia y otra sigue una ruta que sirve para esa ocasión, aunque se viaje montado en un fotón. Un continuo espacio-temporal, preexistente, permanente y curvado en función de la presencia de masa no tiene sentido en un universo que se expande a la velocidad de la luz. Fundamentalmente, las dos funciones distintas de la masa, la inercia y la gravedad, no son idénticas, como la teoría general de la relatividad propone.

Nuestro existir en un universo que percibimos como euclidiano no nos dificulta imaginar algo distinto. Tal como de Cusa alegorizaba, el universo tiene aparentemente su centro por toda su periferia, porque por toda ésta existen posibles observadores. Sin embargo, Einstein sugirió en su teoría ‘general’ que aquél, aunque finito, es ilimitado a consecuencia de su curvatura semejante a una esfera, producto de la concentración de masa que produciría alteraciones en la relación espacio-tiempo. Pero las ideas de este gran sabio son susceptibles de ser revisadas. Así, la idea einsteiniana de su teoría ‘especial’ de que el tiempo se acorta cuando se viaja a grandes velocidades es cierto, pero desde el punto de vista del observador y sólo cuando el objeto observado se aleja. Pero, contrariamente a las conclusiones que se llegan corrientemente a partir del postulado de su otra teoría, la ‘general’, el tiempo en el extraordinariamente veloz objeto vuelve a alargarse desde el punto de vista de este observador cuando dicho objeto retorna acercándose, de modo que si un viajero que lo tripulara llevara un cronómetro, al retornar, su hora sería idéntica al cronómetro que tiene nuestro observador cuando se vuelven a juntar.

Este fenómeno tiene una explicación. El viajero se está dirigiendo hacia el pasado desde el punto de vista del observador; y se estaría retirando más hacia el pasado si se alejara a velocidades mayores. Pero cuando retorna, se acerca al presente del observador. Existe una demostración de que los cronómetros deben marcar la misma hora cuando nuestro observador se vuelve a encontrar con el viajero. Desde el punto de vista de este viajero, quien efectivamente se mueve a grandes velocidades, primero alejándose hacia el pasado para luego retornar al presente, él es también un observador que siempre ha estado viviendo su propio presente. Ciertamente, al ir y retornar el viajero ha sufrido ambas veces una aceleración para alcanzar la velocidad de crucero y una desaceleración hasta su detención (con respecto a nuestro observador). Y cada vez él habría estado absorbiendo y cediendo respectivamente la misma cantidad de energía. Pero el aumento de masa para alcanzar grandes velocidades se compensa exactamente con la disminución recíproca de masa por disminución de la velocidad. El principio físico de la simetría se mantiene. Debe tenerse presente que el aumento de masa y su disminución son medidas relativas a nuestro primer observador.

De este modo, la experiencia temporal para ambos, el observador y el viajero, han sido idénticas, en cuanto ambos han estado viviendo en su propio presente, donde ocurren los fenómenos físicos al ritmo impuesto por las leyes naturales, mientras observaban al otro alejarse hacia el pasado. En consecuencia, al reunirse ambos en un presente compartido sus cronómetros deberán marcar también idéntica hora. Los experimentos efectuados utilizando relojes atómicos para probar lo contrario no han sido concluyentes, habiendo existido probablemente un cierto entusiasmo subjetivo al evaluar los resultados. El tiempo presente no tiene cualquier marco de referencia. Por el contrario, se refiere al big bang, como veremos más adelante. Para ambos el big bang es el marco absoluto de referencia, lo que contradice lo que Einstein aseveró en su teoría ‘general’.

Otro ejemplo puede complementar al anterior. Si un observador deseara viajar a alguna estrella, que sabemos que existe en el pasado respecto a este viajero, él no estaría viajando empero hacia el pasado, sino que lo haría hacia el futuro. Durante este viaje, que podría durar por algún tiempo bastante prolongado, aunque hiciera el viaje a una velocidad cercana a la luz, el observador estaría existiendo siempre en el presente y, por tanto, estaría envejeciendo en el transcurso de su periplo. Sin embargo, en la medida que se acercara a la estrella, observaría a través del telescopio que porta su nave espacial que la estrella evoluciona y envejece mucho más rápidamente que él mismo. A medida que la nave espacial acelerara su velocidad, el color de la estrella iría sufriendo un mayor corrimiento hacia el violeta y su envejecimiento, en la perspectiva del viajero, sería proporcionalmente mayor. La estrella, que se encontraba a una cantidad de años luz en el pasado respecto al observador, debería evolucionar en el tiempo hasta quedar en el mismo presente que éste cuando acabara por posarse sobre su superficie. La estrella haría envejecido el tiempo medido en años luz que la distanciaba inicialmente del viajero, más el tiempo que tardó el viaje. El viajero habría sólo envejecido el tiempo que duró su viaje.

Si el viajero comandara su nave espacial siempre en dirección a la estrella, no se desplazaría en línea recta, sino que iría siguiendo una trayectoria curva, y no sería precisamente gracias a la presencia de masa, como indica la teoría ‘general’ de la relatividad. A diferencia de los fotones que la estrella va generando, que, desde su propio punto de vista, se desplazan en línea recta y que van siendo interceptados por los ojos del viajero, éste debe ir corrigiendo permanentemente el rumbo de su nave en pos de la estrella que se va desplazando en una trayectoria que está en un ángulo con la dirección de la nave. Mientras más lejana se encontrara la estrella, mayor velocidad demandaría el viaje para poder alcanzarla en un universo en expansión.

Expansión a la velocidad de la luz

El punto que debe ser discutido ahora es la velocidad de expansión del universo. Podemos suponer que el big bang explosionó la materia (y no precisamente el espacio, como muchos cosmólogos creen) del universo hacia todas direcciones, creando como consecuencia un espacio tridimensional que se expande para siempre a la velocidad constante de la luz. En esta perspectiva, ninguno de sus puntos puede moverse desde su centro común en el big bang ni entre ellos a una velocidad superior que la velocidad de la luz, la que, como todos sabemos, es la velocidad máxima posible. Por lo tanto, si dos cuerpos de esta aparente esfera ocuparan los extremos de un diámetro cuyo centro fuera el big bang, no podrían moverse el uno del otro al doble de la velocidad de la luz. No sólo no podrían verse mutuamente, sino que las masas de sus cuerpos, desde el punto de vista de cada cual, tendrían una energía el doble infinito, lo que es imposible.

Sin embargo, desde el punto de vista de cualquier observador esta contradicción puede ser explicada por un corolario de la ley de Hubble. Tan cierto como que “mientras más distante, más rápido,” es el principio “mientras más distante, más joven”. Este cuerpo casi diametralmente opuesto en el espacio nos es perceptible, como observadores, justamente porque es muy joven con relación al big bang. El espacio-tiempo prefiere alterar su propia relación, alargando el espacio y acortando el tiempo, si acaso el valor absoluto de la velocidad de la luz debe ser mantenido. En otras palabras, podemos ser observadores del universo entero, pero aquellos cuerpos que se alejan de nosotros a altas velocidades son al mismo tiempo muy jóvenes. Contemporáneamente, ahora estarían en lugares opuestos del universo. Simplemente, no podemos verlos más cercanos a nuestro propio tiempo presente. En consecuencia, podemos deducir dos conclusiones: primero, podemos ser observadores de la totalidad del universo, y segundo, lo que observamos en cualquier momento es un cuadro instantáneo del universo, pero donde la edad de cualquier cuerpo depende de su distancia en relación al big bang.

Con el propósito de imaginar un universo cuyo comienzo es el big bang y cuyo límite es el tiempo presente, podríamos representarlo también como una elipse, estando consciente no obstante de que se trata de una pobre imagen, como es dable suponer con nuestra limitada geometría. El tiempo valdría por una dimensión, en tanto que las tres dimensiones espaciales estarían representadas por la otra dimensión de esta figura geométrica bidimensional. Uno de sus focos sería el big bang, el otro, el aquí y ahora del observador; desde luego el aquí y ahora de cualquier otro punto sería el foco para tal punto. Cualquier punto del espacio que esté bajo el escrutinio del observador instalado en el foco del aquí y ahora estaría ubicado dentro del perímetro de dicha elipse, siendo los puntos de su perímetro aquellos que podemos observar visualmente y que, por tanto, nos llegan a la velocidad de la luz. Causas que viajaran a menor velocidad que la de la luz provendrían de puntos ubicados en algún punto del área interior de esta figura geométrica. El radio focal que parte del big bang a un punto dado correspondería a la distancia recorrida por el punto, a la velocidad de la luz, desde el big bang. El radio focal que parte de dicho punto hacia el observador sería la distancia recorrida por la velocidad de la luz entre dicho punto y el observador. El radio focal que conecta este punto con el observador sería la distancia cubierta por la luz entre este punto y el observador. No obstante, para que esta representación sea aún más fiel a una realidad que supone que la distancia máxima es la que existe entre el big bang y el observador, deberíamos concebirla con ambos focos ocupando sendos puntos opuestos del perímetro de una alargada elipse. Mientras el foco del big bang se encuentra en el principio del tiempo, el foco del observador está en el tiempo presente. De este modo, mientras los puntos más cercanos al big bang están para el observador en el pasado más remoto, los puntos más cercanos a sí mismo se encuentran en el pasado más inmediato.

Si la velocidad de expansión del universo es la de la luz, entonces esta velocidad debe ser constante, ya que esta velocidad es constante. De ninguna manera la velocidad de un cuerpo que se alejara del big bang podría tener una velocidad superior a la de la expansión del universo, que es la de la luz, como se puede suponer en la teoría inflacionaria, propuesta en 1984 por algunos cosmólogos. Ésta postula que el temprano universo estuvo sujeto a un periodo con una expansión muy rápida, separando a dos cuerpos independientes a velocidades mayores que la de la luz, en franca violación de la teoría ‘especial’ de la relatividad de Einstein, aunque los proponentes de esta novedosa teoría hayan expresado que no son los cuerpos los que se apartan entre sí a tan altas velocidades, sino que el espacio que los circundaba es el que se expansiona a tales velocidades, según su teoría ‘general’ de relatividad. Pero esta explicación resulta un absurdo, pues el espacio no es una entidad preexistente e independiente de la materia, ni tampoco del tiempo.

Por otra parte, tampoco podríamos afirmar que los cuerpos puedan alejarse del centro de la aparente esfera a una velocidad menor que la de la luz. Si el universo se estuviera expandiendo a una velocidad menor que la de la luz, no se podría explicar la enorme velocidad de alejamiento de los cuasares. Podemos deducir que más allá, a una distancia de alrededor de trece mil setecientos millones de años luz, que sería la frontera del universo, desde nuestro punto de vista como observadores, cualquier objeto se estaría alejando de nosotros a la velocidad de la luz, que es como decir que mientras más lejos, más rápido, hasta que en el big bang la velocidad es c.

Ningún observador puede ser testigo del big bang. Tampoco esta explosión primordial puede afectarlo nueva o continuamente. Además sería posible observar el comienzo del universo si enfocáramos el potente telescopio hacia el supuesto punto donde aquél se originó. Y si fuera posible observar el comienzo del universo, los energéticos fotones emanados de allí estarían todavía afectándonos a nosotros, como también al resto del universo, en un permanente acto instantáneo de creación que no tendría fin. Del mismo modo, si la expansión del universo fuera más lenta que la velocidad de la luz, el efecto del big bang habría sobrepasando los límites del universo, creando un universo distinto, puesto que una proporción de la energía inicial estaría formando este otro universo ajeno. La conclusión de que el universo se expande a la velocidad constante de la luz debiera terminar con aquella discusión cosmológica acerca de si esta expansión se está acelerando o se está desacelerando. Si la velocidad de expansión del universo es la de la luz, la expansión debe ser constante, puesto que la velocidad de la luz es constante.

A partir de 1998, algunos cosmólogos han ofrecido evidencia que la expansión del universo ha venido acelerándose. Para explicar este fenómeno, otros han recurrido a la idea que la velocidad de la luz ha ido aumentando con el tiempo. Otros más han postulado que la fuerza de gravedad universal ha ido sufriendo una disminución. Me parece que estas explicaciones son demasiado forzadas, necesitando alterar las leyes universales. Más adelante, antes de terminar con esta sección, daré una explicación a este enigma.

En fin, una esfera es un cuerpo geométrico que posee un volumen en medio de un espacio, mientras que el universo no existe con un espacio externo a sí. No es posible suponer algo más allá del límite del universo, pues no tendría ni espacio ni tiempo, habida cuenta que estos dos parámetros se desarrollan con la expansión del universo. Lógicamente, más allá del límite del espacio-tiempo tampoco existe la causalidad, característica propia del universo que conocemos y del cual formamos parte, y que, además, se van desarrollando junto con su expansión. Como señalé más arriba, ningún observador puede observar el universo desde “fuera”. Todo observador es parte del universo.

Puesto que la velocidad de la luz impone un límite para la propagación de la relación causal, no pudiendo existir efectos que sean observados en forma simultánea por distintos observadores, deberá en cosmología hablarse de "el observador" para referirse a un sólo punto de vista o punto de referencia de los infinitos puntos de vistas posibles. Nuevamente, el concepto “el observador” es crucial para entender el Universo y sus características, tales como espacio-tiempo, tiempo presente y relación de causa-efecto.

Tal como Einstein indica en su teoría ‘especial’ de la relatividad, el universo no tiene aparentemente un marco absoluto de referencia. Además, Copérnico desplazó a la Tierra como centro del universo. Sin embargo, la presente teoría vuelve a colocar a cada uno de nosotros en el centro mismo del universo, siendo el otro centro el big bang. La totalidad del espacio-tiempo del universo se encuentra entre dos polos: el big bang, como origen de todo el universo y como pasado absoluto, y el tiempo presente de cada observador, como efecto de causalidades, las que se ubican necesariamente en el pasado. Por lo tanto, contrariamente a la opinión de Einstein, el universo tiene dos puntos absolutos de referencia. El big bang es el punto absoluto para todos en el universo, y el observador es el punto absoluto para sí mismo. Como no es posible observar el universo desde afuera del mismo, todo observador existe dentro del universo, y el universo él lo observa desde su propio tiempo presente.

El big bang como centro del universo 

Como propuse más arriba, el universo puede ser imaginado como una esfera aparente cuyo centro fue el big bang y cuya periferia, creada por la materia en expansión, es lo que toda partícula de esta materia ocupa en el presente de cada partícula. Nuevamente, la periferia de esta aparente esfera cuyo centro es el big bang no tiene un límite espacial, sino uno temporal. El universo entero, incluyendo la materia y el espacio, sería identificado con una periferia que existe en el tiempo presente y que se expande a la velocidad de la luz de su centro en el big bang, apuntando a su causa última para su existencia en el big bang. La noción del big bang significa que el universo tuvo un origen en un punto espacio-temporal infinitamente pequeño, cuando aún no existía ni tiempo ni espacio, pues éste no se había expandido aún. Su expansión tiene la velocidad de la luz y por cada segundo que pasa el universo se expande otros 300.000 kilómetros más. La periferia del universo de esta nueva aparente esfera que tiene ahora como centro el big bang es el tiempo presente, y el radio es la distancia que la luz recorre en cerca de quince mil millones de años.

Si nosotros, o cualquier otra parte del universo, estuviéramos a una distancia mayor que la referida, significaría que nos encontraríamos viajando a una velocidad mayor que la de la luz y los efectos del big bang no nos habría podido alcanzar. También, si nosotros, o cualquier otra parte del universo, estuviéramos a una distancia menor, no habríamos sufrido ningún efecto del big bang, puesto que su acción, que se desplaza a la velocidad de la luz, se nos habría adelantado.

Un universo como una esfera cuyo centro es el big bang, no podemos suponerlo que tendría la misma apariencia que el que nosotros podemos observar. Podemos imaginar su geometría como una metáfora, y ciertamente jamás podríamos observarla. Sería este universo una esfera que tiene al big-bang en su centro, y al lugar donde se encuentra la materia su periferia. La imagen geométrica sería la de un globo cuyo radio se va inflando a la velocidad de la luz. En esta imagen, la parte del universo correspondiente al presente y a la materia sería efectivamente el plano curvo de la periferia que contendría dos de las dimensiones espaciales y que existiría en el tiempo presente. Se asemejaría mucho a la membrana de latex del globo, excepto que no podría tener espesor alguno, puesto que todos sus puntos estarían a una misma y exacta distancia de su centro común en el big bang.

En otras palabras, la periferia de esta extraña esfera cuyo centro es el big bang no puede considerar cuerpos celestes ni esféricos ni orbitando entre sí, tal como los podemos observar, pues ella no podría contener en conjunto las tres dimensiones espaciales. Una de las dimensiones espaciales sería necesariamente el mismo creciente radio desde el big bang en común hasta cada punto de la periferia considerado.

Todo lo que un observador en cualquier punto de la periferia podría observar serían todos los otros puntos de esta periferia, pero que necesariamente quedarían en momentos mas o menos en el pasado, cuanto el globo estaba menos inflado. El punto de su antípoda estaría tan atrás en el pasado como el mismo instante en que ocurrió el big bang. De cualquier modo no sería observable, pues estaría sumido en la densidad opaca del comienzo del universo hasta sus trescientos setenta mil años de vida. De manera similar, un punto vecino se encontraría en un tiempo pasado bastante menor, a sólo ocho minutos en el caso del Sol.

Otra conclusión decisiva que se puede derivar de la idea de un globo que se va inflando es que su membrana material va perdiendo proporcionalmente densidad. Este hecho tiene especial relevancia en la explicación de la fuerza de gravedad, como podremos apreciar en una próxima sección.

Del mismo modo, nuestra geometría es incapaz de describir el universo que podría ser observado desde el big bang en esta imagen de una esfera que lo tuviera como su centro. Pero podríamos aseverar desde el punto de vista de la teoría ‘especial’ que el tiempo para el observador instalado en el mismo big bang se habría alargado tanto que no habría transcurrido ni una mínima fracción de segundo desde el comienzo del universo, y la distancia se habría reducido a cero, como si el big bang fuera la base de un tronco que sostiene la inmensidad del universo y que le confiere unidad mediante una gigantesca relación de causa-efecto. Además, su propia manifestación estaría presente en todo el universo.

El observador como centro del universo 

Para cualquier observador el universo tendría aparentemente la forma de una esfera en la que él se encontraría en su mismo centro. Hacia donde el observador dirigiera su mirada sobre el horizonte terrestre y en noche despejada, podría ver estrellas y más estrellas. De hecho, tradicionalmente se habla de la bóveda celeste para referirse al firmamento.

Si mediante un potente telescopio este observador dirigiera su mirada hacia el espacio interno de su aparente esfera cuyo radio es la distancia que viaja la luz en, digamos, trece mil setecientos millones de años, encontraría cuerpos celestes repartidos por todas partes dentro de este gigantesco volumen. Ciertamente, los cuerpos más cercanos estarían más próximos al observador, mientras que los más distantes estarían más próximos a la periferia, que sería el mismo confín del universo.

Si el universo se expande a la velocidad de la luz, desde la periferia de la aparente esfera no podría llegar ninguna luz al centro ocupado por el observador. La periferia no podría, por lo tanto, ser observada, pues el radio de la aparente esfera tendría la distancia que viaja la luz desde ella al observador en el mismo tiempo que el universo comenzó para nuestro observador.

La principal pregunta es: si el universo tuvo su origen en un punto sin espacio, ¿cómo es posible que dicho punto esté esparcido por toda la aparente superficie, límite del universo, de la esfera celeste cuyo centro es el observador? En otras palabras, si el big bang se produjo en un punto sin magnitud, es decir, sin espacio-tiempo, ¿cómo es que desde la perspectiva del observador el punto originario del universo se identifique con toda la periferia de una esfera (cuyo valor sería de 4πr², donde el valor de r es la distancia que demora la luz en viajar durante trece mil setecientos millones de años)? Es decir, la aparente paradoja es que la periferia de la gigantesca esfera tenga que identificarse con el punto mismo donde se originó el universo, teniendo que aceptar que el ínfimo punto del big bang está repartido por toda la periferia de la aparente esfera del observador.

La imagen que podría explicar que la periferia de la esfera del universo coincide realmente con el punto de donde el universo surgió podría recurrir a la idea de las celestes esferas homocéntricas de Aristóteles. En efecto, trate de concebir que el centro del universo está ocupado por usted mismo, el observador, y, convencionalmente, a una distancia de un año luz (9,46 billones de kilómetros) como radio imagine una esfera, e imagine una segunda esfera homocéntrica con un radio de dos años luz del observador, y así sucesivamente, tendría usted para todo el universo unas trece mil setecientos millones de esferas homocéntricas, con una separación entre cada esfera sucesiva de un año luz y siendo la última esfera, la externa, el big bang. Las primeras cien mil esferas estarían ocupadas por la Vía Láctea. Andrómeda ocuparía una región de un grupo de las esferas cercanas a la esfera dos millones trescientos mil, y así posteriormente para las demás galaxias.

Aristóteles supuso que las estrellas estaban en una misma esfera, pues no existía aparentemente movimiento entre ellas, pero los planetas visibles poseían sus propias esferas, y no sabía de la existencia de galaxias, que no eran visibles al ojo desnudo. Tampoco supo que el universo estaba en expansión y que cada año que transcurre, se agrega otra esfera, por así decir para seguir con nuestra imagen. Sólo con la teoría especial de la relatividad de Einstein y la teoría de la expansión del universo de Hubble, podemos completar esta imagen. Por último, este filósofo supuso el geocentrismo, es decir, que el centro del universo coincidiría con el centro de la Tierra, a diferencia de la imagen expuesta que pone a cada observador en el centro del universo.

Cuando se habla de la forma y el tamaño de cualquier cosa, la geometría es la ciencia apropiada para visualizarla, pues tiene por objeto el estudio de la extensión. Pero en el caso del universo la geometría resulta insuficiente, ya que se debe considerar también el tiempo y el movimiento a grandes velocidades, aunque al observarlo nos parezca que está estático. Es por ello que la cosmología resulta ser tan compleja y el universo tan difícil de asir. La geometría euclidiana puede funcionar bastante bien para las esferas más cercanas al observador. Pero una geometría es una medición de espacio, no de tiempo. Cuando se introduce el tiempo, ninguna geometría puede describir la realidad.

Cuando se incorpora a la realidad la velocidad de la luz como parámetro absoluto, se produce una simetría del espacio-tiempo por la cual ambos parámetros llegan a ser inversamente proporcionales, alterando toda geometría espacial. Hubble diría que mientras más lejanas las esferas del observador, se alejan más rápidamente. Por ejemplo, aplicando la ecuación de FitzGerald anotada más arriba (L’ = L (1-v²/c²)^(1/2), la esfera número 12 mil millones estaría alejándose del observador y su propia perspectiva a 262.774 kilómetros por segundo. Para la teoría ‘especial’ de Einstein la distancia de dicha esfera de la que la sigue no sería de 9,46 billones de kilómetros, sino que se habría reducido a 4,56 billones de kilómetros, y, de acuerdo al nuestro corolario a Fitzgerald (HW = V/L), el espacio transversal habría aumentado 2,07 veces. Del mismo modo, la duración del año habría disminuido en la misma proporción, al equivalente de solo 176 días.

La esfera número 370,000, contando hacia adentro de la última esfera, que es la esfera del big bang, es el límite de nuestro universo observable. Detrás permanece más de la mitad del universo, comprimido en sus etapas más tempranas. Nosotros nunca sabremos cómo ha evolucionado desde entonces en sus 13,7 mil millones años de edad. Lo único que podemos decir es que su evolución ha seguido las mismas leyes que gobiernan nuestro universo observable.

Lo anterior se explica porque en la relatividad especial ocurren diversos fenómenos desde el punto de vista del observador. La masa de un cuerpo, según la ecuación de Lorentz, disminuye en la medida que se va alejando a mayor velocidad, y es cero cuando se aleja a la velocidad de la luz. Inversamente aumenta en la medida se va acercando a mayor velocidad, y se hace infinita cuando se acerca a la velocidad de la luz. Por su parte, el tiempo se va deteniendo en la medida que la velocidad aumenta, y se detiene cuando se llega a la velocidad de la luz. Inversamente se va acelerando en la medida que la velocidad disminuye, y se vuelve “normal” cuando la velocidad de acercamiento es cero. En fin, la distancia, según la ecuación de G. F. Fitzgerald, va disminuyendo en la medida que la velocidad aumenta, y se reduce a cero cuando se llega a la velocidad de la luz. Inversamente se va agrandando en la medida que la velocidad disminuye, y se vuelve “normal” cuando la velocidad de acercamiento es cero. Pero este fenómeno ocurre en el sentido longitudinal. En el sentido transversal al movimiento, según Fitzgerald modificado, el largo se va expandiendo en la medida que la velocidad aumenta, y se expande a infinito cuando se llega a la velocidad de la luz.

Nuestra experiencia diaria nos enseña que mientras más distante se encuentre un objeto, nos parecerá que es más pequeño. Pero esta observación es errónea cuando este objeto se aleja a velocidades cercanas a la de la luz. Un efecto muy importante para la observación astronómica de objetos muy lejanos, derivado del corolario la contracción de Fitzgerald y consecuentemente a la teoría ‘especial’ de la relatividad, explicado al inicio, es que los objetos cada vez más distantes se nos aparecen con una dimensión cada vez más amplificada, en términos relativos, como si la distancia fuera una lente de magnificación gigantesca. Esta imagen iría aumentando en forma exponencial con el aumento de la distancia. El límite absoluto del aumento de la imagen sería el big bang. Siendo de hecho un punto sin magnitud, para nosotros, si lo pudiéramos observar, su dimensión sería igual al área de la última esfera (es decir, como indiqué más arriba, con un valor de 4 π r², donde el valor de r es la distancia que demora la luz en viajar durante trece mil setecientos millones de años).

Explicación de observaciones recientes 

La explicación del corolario a la contracción de FitzGerald es que si quiere guardar la simetría, en la misma medida que, para el observador, los objetos que se desplazan cercanos a la velocidad de la luz se acortan en la dirección al observador, es decir, en el eje compartido por el objeto y el observador, se alargan recíprocamente en el plano transversal a dicho eje, pues si una de las dimensiones aparece más corta, las dos restantes deben aparecen al observador más largas, haciendo que el objeto aparezca en estas dos dimensiones mucho más grande de lo que realmente es. El volumen aparecería constante. Por lo tanto, una nueva geometría se requiere para medir el universo.

Esta nueva geometría, que es la geometría de muy altas velocidades, es el resultado de incorporar el corolario expuesto a nuestro espacio tridimensional. Esta explicación supera distintas explicaciones para dar cuenta de fenómenos y nuevos descubrimientos observados en los límites del universo en estos últimos años y con instrumentos muy avanzados. Así, pues, la geometría de muy alta velocidad ofrece explicaciones a estos descubrimientos, sin contradecir las teorías físicas que están bien sustentadas. En consecuencia, estos fenómenos no tienen que ser explicadas por insólitas teorías, tales como algún tipo de fuerza gravitacional causado por la presencia de masa que podría distorsionar y amplificar la imagen de objetos muy lejanos, o como nociones como “gravedad repulsiva” causada por tales entidades como “energía oscura”, como muchos cosmólogos lo hacen en la actualidad. Resulta vital que el edifico científico pueda permanecer en pie y erguido sin soportes externo que resultan ser innecesarios y forzados. Si se quiere avanzar una teoría a causa de nuevos descubrimientos, no es sano imaginar cualquier cosa que expliquen estos nuevos descubrimientos sin hacer un esfuerzo más crítico y sereno. En fin, la teoría basada en la geometría de muy altas velocidades es validada por su capacidad explicativa.

1. La geometría de velocidades muy altas es suficiente para explicar el fenómeno de las imágenes de luz altamente polarizada de RMFC (la radiación de microondas del fondo cósmico), que mostró detalles muy finos, tales como olas. La RMFC fue detectada por primera vez en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson y fue medida por el famoso satélite COBE. Se midió recientemente por el Generador de Imágenes del Fondo del Universo (CBI por su sigla en inglés), y más tarde por el WMAP, un satélite de la NASA. Esta geometría puede explicar por qué la RMFC viene de todas partes en el espacio. Esta radiación no es un eco que sigue rebotando, como se supone, sino que se trata del universo poco después del big bang. La anisotropía de la RMFC se puede explicar por el hecho de que el universo entonces, a una edad de 370.000 años, no envolvía realmente todo el universo, como el big bang lo hace. La razón de tal diferencia es que el radio de la esfera de la RMFC es 370.000 años luz más corto que el radio de la esfera del big bang.

Y la razón por la cual la longitud de onda de la RMFC se ha estirado en la zona de las microondas se explica por la relatividad ‘especial’. Debido a las velocidades de recesión cercanas a la velocidad de luz, el tiempo se retrasa, alargando las ondas de luz. La RMFC promedio, que es similar a la radiación de un cuerpo negro a 2.735 K, no significa que se ha enfriado debido a la expansión del universo, ya que la radiación no se enfría y la materia no funciona como un tipo de gas en un volumen que se expande. El big bang debería emitir radiación equivalente a un cuerpo negro a 0 K. La RMFC acompañará al universo para siempre, cada vez más frío en su destino sin fin para alcanzar el límite asintótico de 0 K.

2. Entre los recientes descubrimientos, en 1998, sobre la medición de la intensidad de la luz de las supernovas tipo A, los investigadores del Proyecto Cosmológico de Supernovas encontraron que supernovas muy distantes aparecían un 25 por ciento más débil que lo que se suponía. La explicación para el hecho descubierto por los investigadores que la luz de las supernovas más lejanas es menos brillante que la de una supernova más cercana es bastante simple y no tiene nada que ver con la explicación que se dio en base de una supuesta aceleración de la expansión del universo. Por el contrario, tiene que ver con el tiempo. Según el principio de Hubble, las supernovas más lejanas se alejan a velocidades mucho más altas que las supernovas más cercanas. De acuerdo con la teoría de Einstein de la relatividad ‘especial,’ el desarrollo de la explosión de las supernovas más lejanas aparecen al observador ser mucho más lentas de lo que realmente son, ya que sus velocidades de recesión están más cercas a la velocidad de la luz que la velocidad de recesión de las supernovas más cercanas. A la distancia del big bang, el tiempo simplemente se detiene. El flujo de fotones procedentes de las supernovas más lejanas se vuelve más escaso, por lo que su luminosidad parece más tenue para el observador. Este efecto dio a estos investigadores la impresión de que la expansión del universo se está acelerando. Sin embargo, se les puede sugerir que la duración de la explosión, además de la intensidad de la luminosidad, debería tener igual importancia. Así, la teoría de la inflación cósmica, relacionada con una supuestamente expansión extremadamente rápida en los inicios del universo, puede ser perfectamente explicada por la teoría basada en la geometría de muy altas velocidades.

3. Y por último pero no menos importante, la materia oscura es un componente teórico que se ha postulado para añadir masa a la masa calculada de acuerdo con el brillo de las galaxias. En primer lugar, los astrónomos han evaluado la masa de los cúmulos de galaxias de varios miles añadiendo la masa estimada de acuerdo con el brillo de las galaxias individuales. Luego se ha calculado la velocidad de escape que permite que algunas galaxias pudieran dejar el campo gravitatorio del cúmulo, desapareciendo del espacio intergaláctico. Al mismo tiempo, se han medido la velocidad de las galaxias de este grupo. Pero lo que realmente han encontrado es que las velocidades medidas son muy superiores a las velocidades de escape calculado. La conclusión que a la que han llegado es que el cluster debe dispersarse en un tiempo relativamente corto.

La solución de estos astrónomos postula una masa extraña que ellos han llamado "materia oscura", ya que no se puede ver, y que el cúmulo de galaxias debería contener para aumentar su masa en relación a la masa observada. Sólo una mayor masa podría teóricamente conservar todas las galaxias dentro de su propio cúmulo. Sólo este componente oscuro, diez o veinte veces más masivo que el componente luminoso, ha sido considerado por estos astrónomos con la suficiente fuerza para restablecer la situación. Las nuevas velocidades de escape, calculadas teniendo en cuenta este componente teórico, ahora serían superiores a las velocidades medidas. Por lo tanto, el cúmulo ya no corre el riesgo de dispersarse a través del espacio.

Una vez más la geometría de velocidades muy altas puede explicar la enormes velocidades de las galaxias en relación a su masa observable. En primer lugar, su brillo aparente resulta ser menor de lo que es debido al efecto que se explicó más arriba en relación con las supernovas. En segundo lugar, el aumento aparente de tamaño de galaxias distantes en relación a su tamaño real se explica por el efecto de "lente" de esta geometría, que también distorsiona su velocidad real dentro de su grupo. Y en tercer lugar, el origen de la gravedad es muy diferente al origen de la luz. Estos tres efectos son suficientes para explicar los fenómenos observados, sin necesidad de recurrir a esta extraña entidad como la materia oscura.

Conclusiones

Estas son las consecuencias de la teoría ‘especial’ de la relatividad, por la cual a velocidades cercanas a las de la luz la masa tiende a aumentar a infinito, el tiempo tiende a detenerse y el espacio tiende a acortarse a cero. Precisamente, estos fenómenos irían acentuándose de modo exponencial para las esferas que continúan, y se verificarían plenamente para la última esfera, la del big bang. En consecuencia, la dimensión de esta esfera sería igual a cero, es decir, sería un punto sin espacio. Además que su masa sería infinita, y el tiempo se habría detenido, constituyendo una eternidad.

Puesto que todo el universo tiene un origen común, las mismas leyes naturales deberán gobernar todas las relaciones causales entre sus cosas. Para la causa instalada en el big bang el universo entero, a pesar de hallarse a unos trece mil setecientos millones de años luz en el pasado, estaría en su propio tiempo presente. También, si bien para cualquier observador la energía del big bang fue infinita, para el observador instalado en el mismo big bang la masa de cada partícula diminuta del universo en expansión sería infinita. Estas ideas tienen lógicamente una implicancia teológica, pues el observador en el big bang sería alguien, para quien todo el universo, aunque se encuentre a la distancia mencionada, está en tiempo presente, y su misma manifestación estaría recíprocamente presente en todo el universo.


Gravitación y expansión  


El propósito de esta sección es explicar la ley de gravitación universal de Newton y su causa. Brevemente, el big bang disparó radialmente la masa hacia fuera a la velocidad de la luz. La energía infinita que la masa contiene en relación al big bang se transforma en gravedad porque los cuerpos masivos con fuerza inercial infinita son forzados a separarse unos de otros por efectos angulares, originando recíprocamente la fuerza de gravedad que Newton describió y calculó, mientras la densidad se va perdiendo. El primer principio de la termodinámica se mantiene a través de la simetría gravedad y disminución de la densidad de la materia. La gravedad existe a expensas de la densidad. Por lo tanto, la gravedad puede ser explicada a causa de la expansión del universo a la velocidad de la luz.

La gravedad 

La Física tiene por uno de sus objetivos averiguar cuál es el nexo específicamente gravitacional que explique la acción a distancia de la atracción de los cuerpos, pues Newton únicamente especificó y dimensionó la fuerza de gravedad, pero no describió su modo de actuar ni menos su origen. Él se limitó a observar el movimiento de los astros y a expresar la ley más sencilla y adecuada para describir matemáticamente dicho movimiento, pero no quiso teorizar sobre sus causas. Su visión era radicalmente fenomenológica, rechazando tajantemente cualquier apriorismo. No le importaba comprender las causas de los fenómenos. Intentaremos, en cambio, en los párrafos que siguen llegar a una explicación de la fuerza de gravedad y sus causas.

Algunos científicos han postulado partículas subatómicas que denominan gravitones para dar cuenta de la fuerza de gravedad. Han supuesto que la única forma de transmisión de energía es a través del intercambio de partículas que la contienen. Sin embargo, el problema que deben resolver es que, si bien el intercambio de partículas es un modo de traspasar energía, especialmente en la escala subatómica, durando mientras tiene lugar el intercambio, no logra explicar la atracción gravitatoria que ocurre a grandes distancias e implica grandes cuerpos masivos.

La fuerza de gravedad se ejerce tanto para mantener cohesionados a los cuerpos celestes y no se esparzan por el espacio como para que éstos mantengan sus órbitas en torno a los otros cuerpos. Galileo describió la fuerza como la modificación del movimiento de un cuerpo. Esta fuerza consume energía cada vez que el cuerpo modifica su movimiento. Cabría esperar que, por ejemplo, un planeta, como la Tierra, que al orbitar en torno al Sol va sufriendo una permanente modificación de su movimiento rectilíneo, debiera, en consecuencia, consumir energía en forma permanente.

Ello no ocurre así, pues el Sol también orbita en torno a la Tierra. Ambos cuerpos masivos pasan a formar parte de un sistema rotatorio, como si fueran un mismo cuerpo que gira en torno a su propio eje. Ambos conservan la distancia y la velocidad de rotación gracias al equilibrio que se produce entre la fuerza centrífuga que genera la inercia, producto de sus respectivas masas en movimiento, y la fuerza de gravedad de cada cuerpo, también producto de sus respectivas masas. Este sistema habría que imaginarlo como un gran disco rotatorio cuyo plano contiene tanto los respectivos centros de gravedad como los planos orbitales de ambos cuerpos y cuyo eje estaría, en este caso, muy cerca del centro del Sol, pues su masa es enorme comparada con la de la Tierra (330.000 veces), siendo sus respectivas distancias al eje inversamente proporcionales a sus respectivas masas. Si la distancia entre ambos cuerpos es de 150 millones de kilómetros, el mencionado eje de rotación estaría pasando a menos de 500 kilómetros del centro del Sol, interceptando la recta que une a este astro con su planeta. Ambos cuerpos están unidos mediante un lazo gravitacional invisible, de modo que puedan girar en torno de su propio eje común. Y para mantener este lazo gravitacional unido se requiere algún tipo de energía. Considerando que el Sol, o la Tierra o cualquier otro cuerpo, es parte de sistemas gravitacionales rotatorios con múltiples cuerpos celestes de distintas masas y que están a distancias distintas y variables, su desplazamiento, teniendo como referencia su propio volumen, es de lo más variado, y si se lo quisiera conocer habría que integrar sus órbitas con todos los distintos sistemas.

Una fuente de la energía que es permanentemente usada en el universo proviene de la masa, que es condensación de energía. Esta energía se usa para estructurar la materia. Por ejemplo, en el Sol el hidrógeno que contiene se va transformando permanentemente en helio. La energía utilizada, que entra en el balance de la primera ley de la termodinámica, es la que está contenida en los átomos de hidrógeno. Ella consigue tanto la transmutación de hidrógeno en helio como la irradiación al espacio de grandes cantidades de energía en forma de fotones y partículas cósmicas. La fuerza provista por la propia gravedad del Sol, la cual logra comprimir el gas a tal medida que la temperatura que se alcanza permite la actividad termonuclear para efectuar la transmutación, no consume energía en el proceso, pero para ser ejercida ha requerido primeramente energía.

La fuerza gravitacional, aunque es ejercida de modo permanente, no consume energía, pero para ser ejercida ha requerido poseer primeramente mucha energía. Es como el movimiento inercial perpetuo de un trompo, o de un giróscopo, que no fuera afectado por roce alguno. Sin embargo, para que pueda ser ejercida para mantener los cuerpos tanto unidos como orbitando entre sí requiere de alguna energía exógena bastante especial, entre otras cosas, para generar el impulso inicial. En consecuencia, el problema que debe ser resuelto es acerca del origen de la energía que posibilita que la masa pueda ejercer la fuerza gravitacional.

Gravedad e inercia

Newton encontró en la masa dos características distintas: gravedad e inercia. Sin embargo, Einstein identificó la fuerza gravitacional con la inercia, dando origen a la teoría general de la relatividad, y expresó esta equivalencia con el conocido ejemplo del ascensor. Una persona que estuviera sobre la superficie de la Tierra tendría el mismo peso relativo que si viajara por el espacio en un ascensor que se desplazara con un movimiento uniformemente acelerado de 1 G (= 9,8 m/s²).

Pero Einstein también imaginó un rayo de luz que entra a través de un pequeño orificio existente en una pared lateral del ascensor. Cuando incide en la otra pared, el rayo habría tenido un pequeño desplazamiento, pero distinguible, que podría ser medido mediante precisos instrumentos, del que se hubiera supuesto si el rayo de luz hubiera sido instantáneo. Este desplazamiento estaría indicando que el rayo de luz se habría curvado a causa del movimiento uniformemente acelerado del ascensor. Puesto que este movimiento del ascensor del caso sería equivalente a la gravitación respecto a la fuerza requerida, la masa, que Newton le atribuyó ser funcionalmente distinta tanto a la gravedad como a la inercia, para Einstein lo que produce es una curvatura del continuo espacio-temporal; y mientras mayor sea la concentración de masa, mayor sería la curvatura de dicho continuo. La gravitación sería una propiedad del espacio y no una fuerza actuante entre cuerpos para mantenerlos unidos. La presencia de masa haría que el espacio se curve, y los cuerpos que se desplazan seguirían la línea de menor resistencia.

Cuando formulaba estas ideas, Einstein no entró en el problema que para mantener un movimiento uniformemente acelerado el ascensor debe consumir energía en forma permanente en proporción a su masa. En otras palabras, el efecto en un objeto de determinada masa posado sobre la superficie terrestre y el efecto del mismo objeto descansando sobre el piso de un ascensor que se desplaza a una velocidad uniformemente acelerada de 1 G son idénticos, pues pesan lo mismo. Sin embargo, las causas en ambos fenómenos son distintas. En el primer caso, la causa es la fuerza gravitacional de la Tierra, en tanto que en el segundo la causa se debe a la fuerza ejercida ya sea por un motor que hace girar un tambor para embobinar un cable con creciente velocidad, ya sea que el ascensor es empujado por un cohete que tenga una fuerza de empuje determinada y constante. En el primer caso, la fuerza actuante es la gravedad, mientras que en el segundo caso, es la fuerza requerida para contrarrestar la resistencia de la inercia.

También, Einstein pensó que el espacio-tiempo tiene una existencia independiente de la materia, y supuso que la masa sólo altera su geometría. Por último, en contra de la opinión de Einstein, aquello que realmente curva el rayo de luz, desde el punto de vista del ascensor, son la velocidad de la luz y el ángulo al que viaja con respecto al ascensor, pero de ninguna manera la masa del ascensor o la del observador. Así, para medir una curva más pronunciada, es necesario que el ascensor viaje a mayor velocidad, pero no resulta de concentrar más masa, porque el mismo fenómeno podría ser observado en un ascensor extra liviano.

De este modo, para la teoría general de la relatividad, la gravedad sería sólo un efecto geométrico. La masa envolvería la estructura del espacio y del tiempo, distor­sionando las vías que los objetos siguen. El efecto de la masa sobre el espacio-tiempo sería proporcional a su cantidad. La cantidad de masa conferiría la medida de la deformación espacio-temporal. Para explicar esta curvatura del espacio-tiempo Einstein recurrió a la geometría no euclidiana de Riemann que se basa en la definición de la longitud como única invariante en el espacio. Confiadamente, él supuso que la gravitación quedaba explicada por la distorsión del continuo espacio-temporal a causa de la presencia de cuerpos masivos. El grado de curvatura del espacio-tiempo sería proporcional a la intensidad de la aceleración, y ésta sería proporcional al tamaño de algún cuerpo masivo. Recíprocamente, la atracción gravitatoria entre masas se debería al grado de curvatura del espacio-tiempo.

La relatividad general predice que la luz se curvará cuando llegue cerca del Sol. Así que Einstein quedó ciertamente conforme con el experimento realizado en 1919 por Sir Arthur Eddington (1882-1944) y que confirmaba aparentemente su teoría. Eddington observó que la posición aparente de las estrellas cerca del borde del Sol parecía estar desplazada durante un eclipse solar, lo que supuestamente sólo podía producirse si la luz de la estrella era curvada cuando pasaba junto al astro. Sin embargo, él creyó que el Sol termina en su superficie y no tomó en cuenta el hecho de que el halo solar no incandescente puede refractar la luz proveniente de una estrella.

Antigravedad

Si bien para Einstein el origen de la fuerza gravitacional no estaba dentro de sus problemas, lo que sí estaba quedando sin resolver para él era la fuerza que mantenía a los cuerpos masivos aparte unos de otros, sin que colapsaran unos sobre otros.

Después de 1917, Einstein, quien elaboró la teoría de la relatividad general doce años antes de que Hubble demostrara que el universo se expande, amplió su concepción a toda la escala del universo, suponiendo que éste es estático y estable y adoptando el principio cosmológico de la isotropía y la homogeneidad universal. De este modo, la relatividad general trata de la forma geométrica del espacio-tiempo como sustancia constituyente del universo entero y por la cual éste posee unidad. Fue posible calcular, a partir de las ecuaciones relativistas, el radio espacial para el universo, el cual podría ser visualizado como la superficie de una esfera, considerando que el espacio tridimensional se reduce a dos dimensiones.

No obstante, la preocupación de Einstein fue encontrar un “término cosmológico” que debía estabilizar el universo al producir una nueva fuerza de largo alcance a través de todo el espacio. Si su valor era positivo, el término cosmológico debía representar una fuerza repulsiva, una especie de antigravedad para mantener el universo estable contra su propia gravedad. En 1923 el mismo Einstein tuvo que desechar esta idea, pues agregaba otro problema al que no estaba aún resuelto.

Sin embargo, prosiguiendo por este mismo camino, Einstein postuló una "constante universal", designada W, para dar cuenta de una energía antigravitatoria. Pero esta curiosa energía residiría en el espacio vacío de modo similar al antiguo éter. Según la teoría general de la relatividad, la expansión ocurre siempre que una forma de energía exótica llenara el espacio vacío en todas partes. Esta "energía de vacío", que funcionaría en completa ausencia de masa, está tratada en las ecuaciones de Einstein y añade gravedad repulsiva para separar al universo a velocidades que aumentan. El valor que W tendría sería igual a la energía gravitacional por la energía cinética, que es la energía contenida en el movimiento de la masa mientras el espacio se expande. En último término, W estaría condicionado por la densidad del universo, siendo proporcional a ésta. De este modo, una densidad más alta significaría una gravedad más fuerte y, por consiguiente, un W más grande.

La expansión del universo, que sería una especie de curvamiento del espacio-tiempo, estaría controlada por el valor W. Así, si W fuera mayor que 1, el universo tendría una curvatura positiva, como la superficie de una esfera, de geometría cerrada. Si, por el contrario, W fuera menor que 1, tendría una curvatura negativa, como una superficie hiperbólica, de geometría abierta. Por último, si W fuera igual a 1, el universo sería plano, como la figura del círculo, de geometría euclidiana.

La teoría de la relatividad general postula un universo "plano", como analogía bidimensional de las cuatro dimensiones espacio-temporales. Este tipo de universo está entre uno abierto, que se supone que se expande para siempre, y uno cerrado, que terminará por colapsar nuevamente en un “big crunch”. Los cosmólogos adeptos a un universo cerrado han creído que la fuerza gravitacional de todos los cuerpos tiende a detener la expansión del universo hasta el punto que ésta será revertida y el universo se contraerá hasta volver a su punto inicial. Entre éstos algunos han supuesto que a partir de esta contracción se produciría un nuevo big bang y que el universo continuaría oscilando, expandiéndose y contrayéndose para siempre.

La cosmología hasta la década de los años 1980 forzaba la elaboración de una geometría para un universo plano en expansión. Incluso postulaba la existencia de materia oscura escondida en los halos alrededor de las galaxias (Jeremiah P. Ostriker, 1974), o de agujeros negros para dar cuenta de la masa que no se podía observar, pero que debían mantener las galaxias cohesionadas y rotando por los efectos de la gravedad.

Sin embargo, la edad del universo, la densidad de la masa y la naturaleza de las estructuras cósmicas, cada una determina que la cantidad de masa sea insuficiente para generar un universo plano. Ya en 1974 James Gunn (1923-), de Caltech, y su grupo habían concluido tras años de analizar la evidencia del brillo y el movimiento de las galaxias, más la posible incidencia de los agujeros negros, que el universo tiene no más del 10% de la masa requerida para que su geometría fuera cerrada. Las observaciones y los cálculos cosmológicos recientes han llegado aún más lejos. Han determinado que la cantidad de masa requerida por la teoría de la relatividad general para que fuera posible explicar la fuerza de gravedad a través de la curvatura del continuo espacio-tiempo que ejerce la masa en un universo plano en expansión es insuficiente. Incluso considerando la materia oscura, que por no poder verse no se puede determinar, no se ha llegado a contabilizar la cantidad total de masa, la que sería necesaria para curvar el espacio en un radio de curvatura que pudiera explicar el mantenimiento de la fuerza de gravedad.

Otra evidencia de que el universo no contiene la masa supuesta proviene del análisis de la existencia de deuterio en las nubes intergalácticas de hidrógeno, que nunca han sido alteradas desde su creación poco después del big bang por estrellas que las hubieran combustionado. Se ha podido establecer que la densidad promedio de la masa en el cosmos es del 4% al 7% de la cantidad requerida para que el universo fuera plano. En el mejor de los casos, contando con la masa no vista, los cosmólogos calculan que W tendría sólo un valor de 0,3, que está lejos de 1.

De este modo, si un universo plano dominado por masa no es sostenible, el universo tendría que ser curvado y abierto. Pero el problema que se enfrenta este tipo de teoría cosmológica es que si el universo fuera abierto, debería existir una energía que diera cuenta de la fuerza gravitacional. Si la masa es insuficiente para la existencia de un universo plano en expansión, la fuerza atractiva que las galaxias, las estrellas y los planetas ejercen deberá buscarse en alguna forma de energía exótica.

El problema de la procedencia de esta energía que fuera fuente de las fuerzas gravitacionales no ha dado tregua a los cosmólogos que persisten en buscar la solución dentro de la teoría general de la relatividad.

Sugiero que el problema está mal enfocado. Por respetar la autoridad de Einstein, los cosmólogos de la actualidad siguen confeccionando forzados parches teóricos para mantener con vida una teoría general de la relatividad que hace agua para explicar la gravitación después de los numerosos descubrimientos cosmológicos desde la época de Hubble. Pero si nos apartamos de esta teoría, se deberá resolver tanto el problema de la procedencia de la energía que sería fuente de la gravitación como el problema de por qué no colapsan los cuerpos unos con otros debido justamente a la gravitación. Las soluciones para ambos problemas están relacionadas y las analizaré a continuación.

Gravedad y masa

Se concuerda en la actualidad que la energía primigenia del big bang fue infinita. Sin embargo, no puede pensarse en esta energía como emanando de masa, pues aún no había masa. El big bang no se originó en un punto de masa infinitamente densa, denominado singularidad, como alguien podría suponer. Primeramente hubo una energía primigenia que existió en forma independiente (puesto que la energía no puede existir en forma independiente, la energía primigenia, “previa” al big bang, debió existir en un sujeto que podemos denominar Dios). En los primeros brevísimos instantes del big bang dicha energía, mediada por fotones, se comenzó a convertir en masa en la forma de partículas fundamentales masivas. Tampoco puede identificarse esta energía con calor, como también suele pensarse, pues éste requiere la mediación de masa; es el movimiento o vibración de partículas masivas la que genera calor. Así, la energía debió condensarse primeramente en masa antes de que surgiera el inmenso calor en los primeros instantes del big bang. Debe suponerse entonces que la energía primigenia produjo primeramente fotones y que en una cierta proporción estos se transformaron en partículas fundamentales según la ecuación einsteniana de la equivalencia de la energía y la masa y en la medida de las posibilidades que la densidad en rápida disminución permitía. Aun así, los fotones y las partículas masivas y con cargas eléctricas no dan cuenta de la infinitud de toda energía que sigue actuando a través de la masa.

La famosa ecuación de Einstein, E = m c², tiene una importancia enorme, pues expresa que la energía de la masa en reposo vale una cantidad equivalente a la velocidad de la luz al cuadrado. Sin embargo, esta misma ecuación tiene, desde el punto de vista cosmológico, una importancia tal vez mayor si se la expresa como m c = E/c – v. El significado de esta expresión es que incluso la partícula más pequeña de masa, digamos un cuanto de masa, a la velocidad de la luz, tiene energía infinita. Si el universo (vale decir, su masa) se expande desde el big bang a la velocidad de la luz, la energía de todas y cada una partícula de masa tiene energía infinita respecto al big bang. Podemos suponer que la energía de cada cuanto de masa le fue transferida a estos componentes del universo en el instante “atemporal” de su comienzo, que llamamos ahora big bang.

La energía primigenia del big bang confirió a la masa una energía infinita que le posibilitó alejarse a la velocidad de la luz del centro primigenio del big bang. Desde otro punto de vista, la energía infinita contenida en la masa del universo generó espacio-tiempo que se expandía, se expande y se expandirá por toda la eternidad a la velocidad de la luz. En consecuencia, es un absurdo suponer que la gravitación pueda detener la expansión del universo cuando su velocidad es la de la luz y la masa de todos los cuerpos celestes, que incluyen todos los objetos del universo, es infinita respecto al big bang. Frente a esta infinitud de energía contenida en la masa cósmica proyectada a la velocidad de la luz, la postulada energía anti-gravitatoria no es sólo irrelevante, sino que absurda, pues, puesto que la gravitación es una consecuencia de la expansión del universo, no cabría esperar que aquélla pudiera frenarla. Igualmente, es ilógico suponer que la expansión del universo pudiera acelerarse o desacelerarse. El hecho que la fuerza de gravedad mantenga sus valores absolutamente constantes es una prueba de que la velocidad de expansión es constante.

Según se puede concluir observando el espacio sideral, el principio newtoniano rige para todos los lugares del universo y para todos los tiempos de su existencia. La fuerza que ejerce es explicada por la ley formulada por Newton, en 1687, que establece que todos los cuerpos en el universo ejercen una ley de atracción sobre todos los demás cuerpos en el universo, y esta fuerza depende de la masa de los cuerpos y de lo lejos que estén unos de otros.

La solución al enigma del origen de una energía exótica permanente parte por considerar que es precisamente la masa la que ejerce la fuerza de gravedad. La masa de un cuerpo corresponde al total de las partículas fundamentales masivas que lo constituyen, siendo la fuerza gravitacional ejercida proporcional a la cantidad de masa. Cada partícula masiva es funcional en transformar la energía en fuerza gravitacional. La energía se manifiesta como gravedad sólo mediatizada por partículas fundamentales masivas.

Decía que la forma que tiene una fuerza de ser ejercida es por el intercambio de partículas. Ello ocurre en la escala más fundamental de todas. Pero en la escala cósmica, cuando las distancias y los cuerpos masivos son tan grandes, es muy improbable que la fuerza gravitacional sea el efecto del intercambio de partículas de la escala fundamental. Los postulados “gravitones”, que nunca han aparecido en la cámara de burbujas tras la desintegración de núcleos atómicos, para actuar como partículas de intercambio entre cuerpos masivos, debieran poder fluir por todo el cuerpo y no estar ligado a ninguna partícula en especial. Pero en tal caso no se podría explicar su acción recíproca, como tampoco es fácil explicar su acción a las distancias siderales. Como alguien llegó a preguntarse: ¿cómo “saben” los dos cuerpos que hay otro allí? De este modo, la gravitación debería explicarse a través de otro mecanismo. Es además un absurdo postular “gravitones”, cuando es justamente la masa la que tiene por función transformar una energía “exótica” en fuerza de gravedad.

Por su parte, la idea de que la masa altera la geometría espacial, siendo esta última la que produce los efectos gravitacionales, ha llegado a ser insostenible. En consecuencia, aunque estas mismas partículas masivas son en sí mismas energía condensada, según la fórmula einsteiniana M = E/c², para ejercer gravedad requieren ser abastecidas, por decirlo así, de una fuente energética permanente e inagotable. Así, la fuerza gravitacional que un cuerpo ejerce depende de su masa, y la energía consumida permanentemente corresponde a la fuerza ejercida.

Gravitación y expansión

Sugiero, en consecuencia, que la causa de la gravitación universal es la expansión del universo. Es curioso que una solución tan simple no haya sido enunciada hasta ahora. La energía inagotable y constante que mantiene la fuerza de gravedad universal, por la cual los cuerpos se atraen unos a otros, proviene únicamente de la energía que surge de la expansión del universo. Un “big crunch” sería imposible, pues la fuerza de gravedad, que podría causar la contracción del universo, es efecto precisamente de su expansión.

La expansión universal del espacio-tiempo que genera la masa al alejarse del inicio del universo a la velocidad de la luz produce recíprocamente una implosión de los cuerpos masivos. Todos los cuerpos masivos contienen energía cinética infinita en relación con el big bang, pues se alejan de este centro original a la velocidad de la luz. De este modo, generan una fuerza inercial infinita. La fuerza inercial infinita que contiene la masa al alejarse radialmente del big bang se traduce en fuerza gravitatoria en un espacio que dicha masa, que va existiendo en el tiempo presente, va generando y cuyas dimensiones van creciendo constantemente, con el transcurrir del tiempo, a la tercera potencia. Así, pues, cuando la expansión del universo a partir del big bang fuerza a los cuerpos masivos a separarse por efectos angulares, éstos originan recíprocamente la fuerza de gravedad. En su teoría general de la relatividad Einstein había equiparado la fuerza inercial con la gravitatoria. En la presente teoría, la fuerza inercial de expansión produce la fuerza gravitatoria.

La gravedad ejerce su fuerza a expensas de la densidad de la materia. La imagen del universo como un globo que se infla a la velocidad de la luz en el cual el big bang ocupa su centro y su membrana en su periferia concentra toda la materia es bastante apropiada para visualizar la pérdida de densidad mientras el globo se infla. El primer principio de la termodinámica se mantiene a través de la simetría entre gravedad y densidad de la materia.

Puesto que la expansión del universo es constante y se da de la misma manera hacia todas direcciones a partir del big bang, la fuerza gravitacional rige para todo el universo como una constante. Todas las unidades masivas se alejan radialmente del big bang hacia todas direcciones, formando ángulos entre sí que se mantienen fijos a través del tiempo. Considerando que se alejan del big bang a la velocidad de la luz, tienen masa infinita respecto a este centro universal. Dos unidades masas, siendo ambas vectores con un ángulo determinado y el centro común en el big bang y teniendo ambas energía infinita respecto a su origen, generan la atracción mutua cuando son forzadas precisamente a apartarse la una de la otra y cuyo valor fue descrito ya por Newton.

De este modo, la fuerza de gravedad en un punto es la resultante de las masas que son proyectadas a la velocidad de la luz desde el big bang, el centro común del universo, de modo radial y en forma de vectores. Ciertamente, siguiendo el principio de Newton, los cuerpos más masivos y más próximos tendrán una influencia mucho mayor que aquellos más livianos y/o más distantes. La conclusión que se impone es que tal como la carga eléctrica convierte la energía en fuerza electromagnética, la masa tiene la capacidad para convertir la energía de la expansión del universo en fuerza de gravedad. En este caso, la energía de expansión se transforma en fuerza de gravedad mediatizada por la masa.

El universo, al expandirse, fuerza a los cuerpos a alejarse unos de otros. La energía de expansión funciona como si dos cuerpos fueran pistones extremos de un cilindro que los uniera, que está abierto en sus dos extremos a la presión atmosférica y que está conectado a una bomba de vacío. Los pistones se atraerán, como una implosión, por el vacío que la bomba va generando. La medida del vacío proviene de la capacidad de la bomba. En el caso del universo en expansión, la medida de la gravedad viene de la fuerza resultante de las masas que la expansión aleja unas de otras. A mayor masa, mayor es la sección transversal del cilindro; a mayor longitud del cilindro, menor fuerza ejerce el vacío, con lo que se cumple la ley newtoniana.

Desde la perspectiva del espacio-tiempo, la implosión de la gravedad ocurre en un espacio que continuamente se lleva al tiempo presente, que es cuando se actualiza la relación causa-efecto. El espacio y el tiempo no tienen existencia por sí mismos. Son funciones de la actividad de la masa y la carga eléctrica. Desde las mismas partículas fundamentales, cada estructura desarrolla su propio entorno espacio-temporal para poder interactuar y ser funcional, ya sea como causa o como efecto. El conjunto de estos espacio-tiempos es el espacio-tiempo que observamos. Este lo experimentamos como un todo, pues, las partículas fundamentales de un mismo tipo tienen comportamientos idénticos, apuntando a su origen común y posibilitando además su mutua interacción. Por ejemplo, los fotones individuales que transmiten una causa particular tienen una velocidad absoluta y oscilan en una frecuencia común según la cantidad de energía que portan.

Conclusiones 

Como vimos más arriba, el universo observable no es el espacio euclidiano de estrellas, racimos de estrellas, galaxias, conglomerados de galaxias y quasares, sino que es una esfera espacio-temporal cuyo centro está en el presente y está ocupado por el observador. En la medida que se dirige la vista hacia la periferia, los objetos observables, o más bien, que lo están afectando, están más o menos en el pasado según su mayor o menor distancia relativa al mismo. La distancia se refiere al espacio que la causa ha tenido que transitar para afectar al observador sin sobrepasar la velocidad máxima de la luz.

La popularizada imagen para describir la expansión del universo de un queque con pasas distribuidas en todo su volumen, que representan los cuerpos celestes (las galaxias), que crece uniformemente hacia todas direcciones dentro del horno a causa de la levadura, es equívoca y no logra explicar los fenómenos que realmente ocurren. Ciertamente, existen galaxias y conglomerados de galaxias, mientras el espacio entre éstos está libre de materia. Mientras la expansión del universo obliga a la generación de espacios vacíos en la medida de que los objetos se distancian entre sí, la fuerza de gravedad fuerza la formación de concentraciones de masa. Sin embargo, el espacio, representado por la masa del queque, no tiene una existencia semejante a las galaxias, representadas por las pasas. La existencia del espacio es una función de la existencia de la masa. Tampoco las galaxias se alejan entre sí en virtud de la expansión del espacio. Más bien, al alejarse del big bang van generando el espacio.

La poderosa tensión producida por la separación forzosa de los cuerpos por obra de la expansión es causa de la aparición y desaparición cuántica de las partículas virtuales que pueden ser observas en el espacio vacío. Asimismo, el fenómeno observable de la desviación de la luz al pasar por la inmediación de un cuerpo masivo, que ha servido para demostrar que el espacio se curva en la presencia de masa, según postula la teoría general de la relatividad, podría ser explicado por la distorsión que sufriría el espacio al verse expandido por la masa que es forzada a separarse, aunque la explicación anotada más arriba para este efecto me parece más plausible.

Desde el punto de vista subatómico, la masa es aquella propiedad de ciertas partículas fundamentales, precisamente de las partículas masivas, que tienen la facultad para transformar la energía que resulta de la expansión del universo en fuerza gravitacional. En forma similar, las partículas que contienen carga eléctrica convierten cualquier tipo de energía debidamente transformada por ellas en fuerza electromagnética. En la escala atómica la energía modificada por las cargas eléctricas de signo contrario atrae a los electrones hacia el núcleo atómico, mientras que esta fuerza es compensada por la pequeña masa relativa de éstos que giran a velocidades cercanas a la de la luz y que tienden a generar fuerzas inerciales centrífugas a causa de la energía cinética que contienen. El equilibrio entre ambos tipos de fuerzas mantiene a los electrones en órbita en torno al núcleo. Del mismo modo que los planetas que giran en torno al Sol, los electrones no requieren de energía suplementaria una vez que han ocupado alguna órbita cuántica; sólo requieren energía de modo cuántico para saltar a una órbita mayor y ceden energía para saltar a una órbita menor.

La energía exótica que alimenta la fuerza gravitacional proviene de la inercia de la masa, la que fue producida cuando la masa fue proyectada a la velocidad de la luz desde su inicio en el big bang. Esta se va transformando paulatinamente en energía, según la demanda efectuada para que la fuerza gravitacional pueda ser efectuada. Esta fuerza es una condición necesaria de la materia para estructurarse en virtud de su propia funcionalidad. El fin del universo no sería su muerte entrópica cuando toda la energía se haya agotado, como fue visualizada por la termodinámica del siglo XIX, sino que será la máxima estructuración permitida a la materia. Si fue posible para la energía (primigenia) convertirse en masa cuando la concentración de la energía era tan alta, también es posible para la masa convertirse en energía (estructural) cuando la densidad va disminuyendo a causa de la expansión del universo. El equilibrio masa-energía se va modificando junto con la expansión del universo y la estructuración de la materia.

Sugiero que la teoría de la gravitación universal como efecto de la expansión del universo explica también la unidad de los campos gravitatorio y electromagnético. La velocidad del efecto gravitatorio está relacionada con la velocidad de expansión del universo. Por una parte, la expansión del universo tiene la misma velocidad que la del desplazamiento de la fuerza electromagnética. La energía contenida en la masa que se aleja a la velocidad de la luz respecto al big bang corresponde a la fuerza gravitacional de la masa en su función específicamente inercial. Por la otra, esta fuerza inercial produce la fuerza específicamente gravitatoria, como se explicó más arriba. Ambas fuerzas, la gravitatoria y la electromagnética, están correlacionadas, aunque estén generando campos distintos. En consecuencia, aunque los campos son distintos, por su origen común contienen una unidad básica, y pueden, por lo tanto, interrelacionarse. La unidad de los campos es la velocidad de la luz, que es la máxima velocidad que puede alcanzar la transmisión de la relación causal. En fin, esta velocidad proviene de la naturaleza de las cosas y no de la velocidad de expansión del universo. Éste se expande a dicha velocidad porque la naturaleza de la masa y de la carga eléctrica impone dicha limitante. Otro es el problema, que no intentaré solucionar, del por qué éstas tienen dicho comportamiento.

Vimos más arriba que la energía cinética de la masa se transforma en fuerza gravitacional al verse forzada a separarse por la expansión del universo que genera precisamente la energía cinética de la masa. De este modo, el universo se presenta como una unidad. Viene a ser como un inmenso motor del tamaño del mismo universo, cuya energía primigenia produjo masa, carga eléctrica e inercia infinita, y cuya fuerza inercial se va convirtiendo en fuerza gravitatoria a través de la energía cinética de la masa que se aleja radialmente del big bang a la velocidad de la luz. La materia va evolucionando y se va estructurando mientras el universo se va expandiendo y va consumiendo paulatinamente parte de la energía aportada por el big bang.


Límites de la materia y la energía


El concepto de agujeros negros, que ha tenido una amplia difusión, merece ser analizado. Vimos más arriba que connotados científicos contemporáneos suponen que en el primer instante del comienzo del universo hubo únicamente energía homogénea e indiferenciada. Con su enfriamiento, al expandirse, la energía se condensó en determinadas partículas, las cuales, al estructurarse, provocaron complementariamente la diferenciación de las fuerzas y su acción en distintos campos de fuerza. En la actualidad, los científicos empeñados en la senda de la unificación de los campos de fuerza, encabezados por Stephen Hawking, creen ver signos esperanzadores en el fenómeno de los agujeros negros, hipotéticos cuerpos que se postulan para contabilizar el suplemento de masa que demanda la teoría general de Albert Einstein para un universo plano en expansión. Ellos han demostrado al menos la posibilidad de que partículas atraídas por las enormes fuerzas gravitacionales de estos cuerpos celestes emitan, al entrar en uno de éstos, radiación electromagnética del tipo de rayos X que escaparía del enorme campo gravitacional ejercido por el agujero. Este fenómeno estaría significando un comienzo de unidad entre la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Hay acuerdo general que la importancia de explicar la unidad de fuerzas reside en que con ello se explica desde una perspectiva adicional la unidad fundamental del universo: su origen común y su comportamiento según leyes universales.

Se denomina “agujeros negros” a masivos cuerpos celestes absolutamente invisibles que existirían principalmente en el centro de las galaxias. Ha sido necesario postularlos para dar cuenta de la enorme masa de una galaxia necesaria para curvar el espacio-tiempo según las ecuaciones de la mencionada teoría general de la relatividad. Estos cuerpos masivos concentrarían materia tan densa que su fuerza gravitacional impediría que ni siquiera llegue a escapar alguna radiación electromagnética que denotara su presencia. Por el contrario, dicha fuerza absorbería toda materia que llegara a pasar por su zona de influencia. Puesto que la materia que ingresara en este cuerpo desaparecería del universo para efectos prácticos, es decir, cesaría de generar campos electromagnéticos, a este aspirador gigante de materia se ha dado en llamar agujero negro. La materia absorbida por ellos quedaría desprovista para ejercer cualquier tipo de función, excepto la gravitacional, o más bien, sería materia que ha agotado sus posibilidades para ser funcional en cualquier respecto, excepto la gravitacional.

Como Isaac Newton expresó, la fuerza gravitacional es directamente proporcional a la masa, y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Pero también la masa, al contraerse o más propiamente al densificarse, produce calor, es decir, genera energía. Si una cierta cantidad relativamente grande de masa se contrae, como sería el caso de colapsar una gran estrella cuando termina por agotar su combustible atómico, el cual sostiene su estructura contra su propia gravedad, y aquélla adquiere una enorme densidad, el campo gravitatorio aumenta aritméticamente con el aumento de densidad, y geométricamente con la disminución de tamaño; por lo tanto, la temperatura se eleva exponencialmente. La masa contraída comenzaría a transformarse en energía.

Pero según quienes postulan la existencia de agujeros negros esta energía no podría escapar supuestamente del propio campo gravitatorio así ocasionado. La masa curvaría el espacio-tiempo hasta un radio que haría imposible hasta para un fotón escapar de éste. En consecuencia, la energía, al quedar atrapada dentro del agujero, por esta lógica, tendría que generar su propio tiempo y estructurar su propio espacio, los que irían expandiendo y constituyendo otro universo ajeno al nuestro, pero dentro del pequeñísimo espacio ocupado por el agujero negro, según nuestro propio punto de vista. Además, toda masa que sucediera pasar por los alrededores del agujero negro sería atraída por su campo gravitatorio, quedando atrapada en su interior, y pasaría, como por un túnel, o a la manera de cómo se vuelca una media, a constituir parte del nuevo universo engendrado a partir de éste.

A pesar de la lógica contenida en esta teoría, existen diversos puntos conflictivos. Para comenzar, necesariamente, el fenómeno del agujero negro no puede ser observado directamente, pues un observador que fuera a investigarlo no sólo no podría retornar, sino que no podría emitir señal directa alguna sobre su presencia. Sólo podríamos enterarnos de la existencia de un agujero negro observando el comportamiento de algún cuerpo celeste que esté influenciado por su gravitación, siempre que no lo confundamos con una estrella de neutrones, o a través de la emisión de radiación X, siempre que no se confunda con otro cuerpo celeste emisor de esta radiación. No podría informarnos si el universo generado a partir del agujero negro está en expansión, o forma una infinita sucesión de agujeros negros, o cualquier otra cosa que podamos imaginar. Pero esta objeción es más bien formal y no contradice necesariamente la hipótesis de dicha característica de los agujeros negros.

Una limitante al tamaño de los agujeros negros sería la necesaria extensión en el espacio de una partícula fundamental eminentemente funcional. Por una parte, si uno acepta los postulados de la teoría general de la relatividad, criticada en las sección anterior, un agujero negro es definido, primero, por el radio de Schwarzschild, que es el de una esfera que concentre tanta masa que determine, según las ecuaciones de esta teoría, una curvatura del espacio-tiempo tal que ni siquiera la luz podría escapar de ella, y, segundo, por una alta densidad, de modo que si el volumen de la esfera disminuye, su densidad debería aumentar significativamente para incluir el radio de Schwarzschild.

Por la otra, en la perspectiva de la estructura fundamental de la materia, si bien es cierto que la fuerza de gravedad es la manifestación de la masa, es muy difícil aceptar que una partícula fundamental, centro del ejercicio de la fuerza gravitacional, pueda llegar a adquirir densidades tan grandes como las requeridas por agujeros negros relativamente de poca masa. Si una partícula fundamental tiene masa, es también centro al menos del ejercicio de la fuerza gravitacional, y esta fuerza tiene un centro espacial de gravedad que, aunque concebiblemente muy pequeño, al menos impide que pueda ser violado por otra partícula. Cada partícula masiva posee una dimensión espacial mínima, incluida su radio de acción exclusiva, la que es determinada por la constante de Planck. Así, si un agujero negro es tan activo como para que la gravedad que ejerce impida escapar toda partícula, incluyendo al fotón, entonces debe tener un grado de estructuración en la escala fundamental que genere dicha fuerza. Pero, si posee una estructura, entonces no puede ser infinitamente pequeño, pues toda estructura es espacial al generar su propio espacio para ejercer fuerza.

En otras palabras, el problema para sostener la existencia de agujeros negros relativamente pequeños o “singularidades”, como los supuestos por Hawking, es que una partícula masiva tiene un límite espacial absoluto de densificación, según lo analizado en este libro La materia y la energía, capítulo 2, sección “Espacio-tiempo cuántico”. La masa en cuanto tal no tiene existencia por sí sola, sino que es una propiedad de la materia condensada como partícula fundamental, y ésta, por ejercer fuerza nuclear fuerte, también tiene extensión. La fuerza gravitacional es ciertamente proporcional a la masa, pero a una masa ya constituida espacialmente y que para adquirir la densidad requerida por agujeros negros superdensos, difícilmente podría contraerse a una dimensión menor que el alcance de la fuerza fuerte o corta de las partículas que contiene.

Una estrella de neutrones, como la postulada por J. Robert Oppenheimer (1904-1967), en 1938, tiene una densidad equiparable a la del núcleo atómico, es decir, unas 10 millones de tm/cm3. Se supone que los pulsares serían estrellas de neutrones. Su fuerza de gravedad es enorme, pero no logra retener la radiación electromagnética. La densidad máxima posible que podría llegar a tener un cuerpo masivo sería la de un espacio ocupado por materia condensada continua, como un gran conglomerado de neutrones pegados unos a otros; esto es, no podría existir masa cuyo volumen fuera menor que el volumen de los neutrones que contiene. Así, pues, sólo la ocupación de un apreciable volumen de espacio por neutrones permitiría una concentración de masa y su consecuente fuerza gravitacional requeridas por un agujero negro. Desde luego, este gran volumen estaría lejos de la densificación absoluta.

En consecuencia, la densidad requerida por un agujero negro de nulo o pequeño espacio rompería la necesaria estructuración espacial de la materia condensada, una de cuyas propiedades es la masa para que ésta pueda ser funcional en ejercer fuerzas gravitacionales. Por otra parte, si existiera un punto de transición energética entre gravitación y generación de un nuevo universo, entonces estaría disminuyendo la fuerza gravitacional en beneficio de la nueva generación y, con ello, la capacidad de actuar efectivamente como agujero negro. Además, el agujero negro actuaría también como tal con el nuevo universo, por lo que éste no podría existir. Adicionalmente no se ha observado en el universo algún mecanismo que pudiera producir una estrella de neutrones gigante, que sería el equivalente de un agujero negro, pues la evolución de las estrellas tiene un camino bastante determinado, según el diagrama de Hertzsprung-Russell.

Probablemente, la idea de agujero negro como un cuerpo celeste infinitamente denso parte de la simplificación implícita de la idea de masa de la que, para los propósitos de las leyes de Newton, se abstrajo las propiedades dimensionales, aunque, como ya vimos, Newton mismo no lo hizo. En segundo lugar, la idea de agujero negro supone la validez de la teoría general de la relatividad. La falta formal en la que incurren los que propician agujeros negros de densidad absoluta es que asumen únicamente algunos parámetros de la compleja realidad y los someten a la lógica, llegando forzosamente a resultados aparentemente sorprendentes, pero fantásticos.

Por otra parte, podríamos decir que el tiempo en el universo no es simétrico en cuanto a que si el universo se expandió a partir de una singularidad sin espacio-tiempo, corresponde que se contraiga en algún futuro hasta tornarse nuevamente en una singularidad sin espacio tiempo. Si bien el universo tuvo su inicio en un punto infinitamente pequeño que contuvo una energía infinitamente grande, no puede suponerse que su existencia termine cuando vuelva a concentrarse en un punto infinitamente pequeño, en un supuesto big crunch. La razón es que la energía primordial se transformó en materia y ésta se ha ido estructurando de modo irreversible. Precisamente, en eso consiste en síntesis la evolución del universo. Esta estructuración significa que cada parte de ella es funcional al ser capaz de generar su propio campo gravitatorio y/o electromagnético donde interactúa con cada otra parte según el espacio-tiempo que ambas partes generan al entrar sus campos en contacto. Si bien el postular un big crunch está fuera de la forma como el universo funciona, según se ha visto a lo largo de este libro, tampoco se puede suponer que alguna parte estructurada pueda regresionar a una singularidad de pura energía y sin espacio-tiempo.

La existencia de agujeros negros de cualquier tipo pertenece a la ciencia ficción. Si algún día se llegara a demostrar la existencia de un invisible cuerpo superdenso y de enorme fuerza gravitatoria, no sería un agujero negro, sino que otra estrella de neutrones. En otras palabras, un agujero negro es sólo una estrella de neutrones. En efecto, este tipo de estrella es el resultado del fenómeno estelar que denominamos supernova y por la cual la estrella emite explosivamente todos sus electrones al espacio. La estrella de neutrones, al quedar sin electrones, no podría producir radiación electromagnética, la que ocurre cuando los electrones cambian de estado. Así, pues, al no tener electrones una estrella de neutrones no posee el mecanismo para producir fotones. Este tipo de estrellas podrían existir en el centro de las galaxias como anclas de su estructuración y, por ende, de las posibilidades de estructuración de la materia. Ahora, si el posible destino de la materia es quedar encerrada en estos cuerpos superdensos, entonces este fenómeno estaría anunciando la forma como terminaría el universo, encerrado en miles de millones de estas masivas cápsulas unifuncionales, tras haber desplegado la más extraordinaria diversidad estructural en todas las escalas posibles y haber consumido toda la energía disponible. 


La energía en evolución


La importancia de esta sección radica en que intenta aproximarse a la realidad desde la perspectiva de la energía y no de la materia, pues esta última ha sido el objeto material de los filósofos desde la antigüedad. En cambio, ni Heráclito, para quien todo es devenir, filosofó sobre la energía. La razón es que el concepto de energía surgió con la ciencia moderna, recién en la segunda mitad del siglo XIX. Ello quiere decir también que este esfuerzo filosófico será hecho sobre fundamentos construidos por la ciencia.

Podremos entender la energía, en el concepto más genérico, como un principio de actividad, cambio y estructuración. No es ni una cosa, una sustancia ni tampoco un fluido. No tiene existencia en sí misma, pero está presente en todo el universo. De hecho, el universo entero está construido de energía como su única materia prima.

El big bang marca el principio del universo y también lo más antiguo que nos es posible llegar a conocer. Antes de este singularísimo evento, no podemos conocer nada, pues nuestro conocimiento proviene de la experiencia acerca el universo. En la experiencia científica podemos observar y medir la energía –presión, temperatura, fuerza, etc.–, pero no directamente, sino que en los objetos materiales. Podemos concluir que la energía no tiene existencia en sí misma. Sin embargo, si afirmamos tal cosa, podemos inferir que ella debió previamente haber estado contenida en alguna entidad. Los conceptos bíblicos de “creación” y del universo como “soplo divino” comienzan a adquirir un significado objetivo.

Podremos entender la energía, en el término más genérico, como un principio de actividad, cambio y estructuración. No es ni una cosa, una sustancia ni tampoco un fluido. No tiene existencia en sí misma, pero está presente en todo el universo. De hecho, el universo entero está construido de energía como su única materia prima. Si el universo todo tuvo un mismo comienzo y si todo él está compuesto por el mismo tipo de energía, el universo tiene unidad por origen y composición, y las leyes de la naturaleza, cuyo descubrimiento tanto ocupa a los científicos, se cumplen para todo el universo en el curso de su historia.

Una característica de la energía es que no tiene ni tiempo ni espacio. Estos parámetros pertenecen a la materia. Por lo tanto, el big bang se originó en un punto atemporal y adimensional. Podemos inferir que en el mismo instante del big bang la energía se convirtió en materia. Y en su interacción la materia comenzó a desarrollar el tiempo y el espacio, y el universo comenzó a devenir, expandiéndose desde entonces y desde este origen a la velocidad constante de la luz. Dadas su densidad y su temperatura, en un comienzo y por algún tiempo el universo estuvo constituido por un plasma abrasador y superdenso, pero que tendía a enfriarse y a aligerarse por estar en expansión.

La energía primordial no comenzó como algo amorfo o indeterminado. Contenía en sí misma no solo los modos precisos y específicos de su conversión en materia, sino que también el código de las leyes naturales por el cual la materia interactúa, se estructura y evoluciona. Esta idea podría ser una salida para la absurda polémica entre evolucionistas y creacionistas que está en boga en EE.UU. Una parte de la energía se convirtió en masa y otra parte, en cargas eléctricas bipolares. Desde luego, esta conversión no fue tan simple y los físicos nucleares hacen enormes esfuerzos para comprender las funciones y características de las decenas de partículas subatómicas que surgen de las colisiones que ellos producen en aceleradores de partículas.

Lo que puede concluirse de lo anterior es que la energía no es una capacidad indiferenciada y amorfa que posee un cuerpo, sino que puede transformarse en masa y carga eléctrica o ser usada por la masa o la carga eléctrica de manera tan distintiva que llega a poseer un comportamiento absolutamente determinado, y de este comportamiento se pueden reconocer leyes naturales. Desde el mismo comienzo del universo la energía se ha condensado en determinadas partículas fundamentales distintivas, siendo las pertenecientes a cada tipo idénticas entre sí, por lo que funcionan del mismo modo. Adicionalmente, éstas han podido interactuar e interactúan de modo absolutamente determinado en su propia escala, y pueden estructurar cosas en escalas superiores también de modo determinado, según las leyes naturales que va develando la ciencia.

Algunos científicos creen observar un completo indeterminismo en el origen del universo, pudiendo éste haber evolucionado indistintamente y al azar en cualquier sentido. No logran considerar el hecho de que el universo ha seguido la dirección impresa desde su origen según las propiedades de la energía primordial, la que para nada ha sido azarosa. La energía primigenia ha ido dando origen a la estructuración ulterior de la materia a partir de su condensación primera en partículas fundamentales, en un acto de creación que no tiene término y según un código preestablecido.

La conversión de la energía en materia requirió ingentes cantidades de energía. La conversión en masa obedece a la famosa fórmula de Einstein, E = mc², que indica la enorme cantidad de energía requerida en su condensación en masa. Una energía (cinética) infinita –concepto aborrecible por la ciencia, que estudia lo que es delimitado– se requirió adicionalmente para proyectar la materia masiva desde su origen en el big bang a la velocidad de la luz hacia todas direcciones. La conversión en carga eléctrica requirió también mucha energía. La fuerza para vencer la resistencia entre dos cargas eléctricas del mismo signo es enorme. Se calcula que solamente 100.000 electrones unipolares reunidos en un punto ejercen la misma fuerza que la fuerza de gravedad de toda la masa existente de la Tierra. Habiéndose transformado la energía en masa y carga eléctrica, podemos concluir entonces que la energía pasa a constituirse en una propiedad que poseen ambos tipos de concreciones materiales de la energía.

A partir del big bang, fue posible también el desarrollo del tiempo y la extensión del espacio. Este desarrollo y esta expansión no fueron independientes de la conversión de la energía en masa y carga eléctrica. Las partículas fundamentales responsables de estas dos propiedades son altamente funcionales y generan sus propios campos espaciales de fuerza, dentro de los cuales pueden interactuar causalmente. A partir de la transformación de la energía en partículas fundamentales que crean sus propios campos de fuerza, surgieron el tiempo y el espacio. El tiempo mide la duración que tiene una relación causal y el espacio mide su extensión. De este modo, ambos –el espacio y el tiempo– son las medidas de la extensión y de la duración de un proceso. En ambos casos el espacio y el tiempo miden una causa en relación a su efecto. Por una parte el espacio mide la distancia entre una causa y su efecto y el cambio operado por ambos. Por la otra el tiempo mide lo que demora una causa en afectar un efecto y cuanto demora un cambio mientras ocurre. Cuando el cambio se mide a través de la relación causal, el tiempo se vuelve irreversible, porque existe gasto de energía y estructuración de algo. El espacio y el tiempo no sólo dependen de la materia y la energía, sino que son temporal y naturalmente posteriores. El tiempo es la tasa a la cual la energía se transfiere en un proceso. Si Heráclito hablaba de devenir, lo correcto es hablar de procesos.

El universo que devino del big bang se caracteriza por ser un continuo devenir y transformación. Pero todo cambio es un proceso que se desarrolla en el tiempo y abarca un espacio definido. Específicamente, tanto como la estructuración de la materia conformó el espacio (un espacio es inconcebible si no es parte de una estructura), la funcionalidad de las estructuras que transforma la energía en fuerza hizo posible el tiempo (el tiempo es generado por la relación causal).

Para que estas partículas materiales puedan interactuar necesitan poseer energía. Pero el intercambio de energía entre las partículas fundamentales es discreto, es decir, la energía se traspasa en paquetes o cuánticamente. Esto quiere decir que ambos, el tiempo y el espacio, no son continuos ni infinitesimalmente pequeños, sino que son granulados, constituyendo el número de Planck la menor dimensión de los granos de espacio-tiempo.

Desde el punto de vista de la materia, una cosa tiene energía si es capaz de ejercer una fuerza sobre una distancia. La física llama trabajo a esta capacidad. Así, la energía se distingue de la fuerza en el sentido de que la primera es un poder que tiene una cosa o un cuerpo, y la segunda es ejercida por una cosa o cuerpo en uso precisamente de ese poder. Específicamente, la energía es la medida de la fuerza que puede ejercer una cosa o cuerpo y está relacionada con su masa a través de la velocidad.

Aunque la masa de una cosa se conserva invariante a través de los procesos físicos y químicos, su energía sufre variaciones. Ésta depende tanto de la cantidad de masa como de su velocidad. Pero la velocidad de un cuerpo es siempre relativa a otro cuerpo; está siempre referida a otro cuerpo. Luego, la energía de un cuerpo está en función de la velocidad que tenga respecto a este otro cuerpo.

Específicamente, la energía se relaciona con la masa en dos formas distintas: como energía potencial y como energía cinética. Esta distinción ayuda a comprender mejor la idea de una energía variable en razón de la velocidad y relativa a un segundo cuerpo. La cantidad de energía potencial que un cuerpo puede acumular en sí mismo depende primariamente de la cantidad de masa que contenga. Secundariamente, la energía potencial es una medida del efecto que un cuerpo es capaz de ejercer sobre otro en virtud de sus respectivas posiciones, direcciones y velocidades relativas.

Para ser utilizada, la energía potencial debe transformarse en energía cinética. Más aún, para volverse en otras formas de energía la energía potencial debe transformarse primero en energía cinética. Pero la transformación de la energía potencial en energía cinética es sólo un asunto de perspectiva. Conforme se relaciona un cuerpo con otro en función del movimiento, la cantidad de masa específica que el primero contiene adquiere una energía cinética determinada por el movimiento relativo de ambos cuerpos. Luego, la energía cinética es la medida del efecto que la masa de un cuerpo puede ejercer sobre la masa de otro por obra de la velocidad.

Para la teoría especial de la relatividad de Einstein, el aumento de la energía cinética de un cuerpo ocurre simultáneamente con el de su masa, y llega a ser infinita para la velocidad de la luz. Por lo que la velocidad de la luz es una barrera infranqueable. Einstein dedujo que la energía de un cuerpo en reposo es el producto de su masa por el cuadrado de la velocidad de la luz. Así, la energía contenida en la masa es enorme (1 gramo de masa contiene 9 billones de julios, ó 25 millones de kilovatios hora). Significa también que la energía y la masa se pueden convertir una en la otra, por lo que la masa es un enorme acumulador de la energía.

El corolario que sigue es que la energía que se debe imprimir a un cuerpo tendría que ser infinita para que llegara a alcanzar la velocidad máxima límite; o, desde el punto de vista complementario, la masa de tal cuerpo que alcance la velocidad de la luz llegaría a ser infinita en la perspectiva del observador ubicado ya sea en el punto de partida o en el de llegada; toda la energía que se le transfiera se va convirtiendo en masa a medida que el cuerpo se va desplazando cada vez más cercano a la velocidad de la luz, desde el punto de vista de dicho observador. Lo mismo le ocurre al observador en relación al cuerpo que observa.

La energía infinita comprometida para proyectar la materia masiva desde su origen en el big bang a la velocidad de la luz hacia todas las direcciones ha generado la fuerza de gravedad. La gravitación universal es el producto de la masa que se aleja de su origen en el big bang a la velocidad de la luz y que se va separando del resto de la masa del universo, por lo que el universo es una enorme máquina que por causa de su expansión genera la fuerza de gravedad. Así, mientras la masa convierte la energía primordial de la expansión del universo en fuerza gravitacional, la carga eléctrica convierte usualmente la energía que se puede obtener de la fuerza de gravedad en fuerza electromagnética.

Toda relación de causa-efecto significa cambio, y el vínculo entre una causa y un efecto es la fuerza. Una causa es el ejercicio de una fuerza que tiene por término un efecto. En la relación causal la causa genera una fuerza que el efecto absorbe y, en esta acción, ambos son modificados de alguna manera. Pero el ejercicio de una fuerza requiere contener energía en alguna forma, ya sea acumulada como portadora (energía potencial), ya sea en movimiento como transmisora (energía cinética). Un efecto es producido por la fuerza, recibiendo la energía que ésta porta. La fuerza genera la relación causal al actualizar la energía. La fuerza es el vehículo de la energía que transita a lo largo de un acontecimiento entre una causa y un efecto. El cambio es el producto de la transferencia de energía por medio de la fuerza que produce estructuraciones y desestructuraciones en los cuerpos durante un acontecimiento o proceso.

Puesto que en toda relación causal se produce una secuencia temporal, la fuerza es aquello que se interpone entre el “antes” y el “después” de tal acontecimiento; ella constituye el “ahora” del acontecimiento. En todo cambio hay traspaso de energía de acuerdo a la primera ley de la termodinámica; todo cambio es irreversible, según su segunda ley. Por lo tanto, podemos subrayar que la fuerza genera el devenir y desarrolla el tiempo. Una relación causal determina un tiempo para efectuarse. Este depende de la cantidad de energía que se transfiere y de la velocidad de la transferencia. Un cambio puede ser tan imperceptible como la evaporación del agua en un vaso en el ambiente de una pieza o tan explosivo como la oxidación de un volumen de hidrógeno.

El espacio es propio de la estructura, y el tiempo, de la fuerza. Entonces, nuestro universo no es el campo espacio-temporal donde juegan fuerzas y estructuras, sino que el juego mismo es el espacio-tiempo desarrollado por la interacción fuerza-estructura. Si su origen primigenio fue una energía infinita contenida en un no-espacio, su evolución en el curso del tiempo ha seguido el transcurso de una continua y cada vez más compleja estructuración, la cual ha ido desarrollado el espacio. En el universo existen un límite inferior y un límite superior para la acción de la causalidad. El límite inferior es la dimensión del cuanto de energía, dado por el número de Planck, y que determina la escala más pequeña para la existencia de la relación causal. El límite superior para la relación causal se refiere a la velocidad máxima que puede tener el cambio, que es la de la luz.

La primera ley de la termodinámica es la de la conservación de la energía. Esta afirma que todo cambio en la materia debe ser compensado exactamente por la cantidad de energía: “la energía no puede ser creada ni destruida, sólo se transforma”. Como dije, la energía pasa desde una causa hacia un efecto. La energía total de un sistema aislado es siempre constante, a pesar de las transformaciones que haya sufrido.

Entre las energías, podemos distinguir la térmica, la química, la radiante, la eléctrica, la mecánica y la atómica. Estas diversas formas de energía pueden transformarse unas en otras mediante un motor. Éste relaciona lo que tienen en común, que es la fuerza. Ésta se expresa en el cambio del movimiento de los cuerpos, desde partículas subatómicas hasta galaxias. Observemos que las estructuras no pueden interactuar si las fuerzas correspondientes no están relacionadas a energías del mismo tipo para que puedan sumarse, restarse o anularse.

El siguiente ejemplo puede ilustrar el caso: la reacción nuclear del Sol, asociada a las estructuras de los núcleos de hidrógeno, produce luz, la que es transmitida por radiación a la Tierra. Esta radiación produce la fotosíntesis, fenómeno químico asociado a una estructura molecular y que produce una estructura con un cierto contenido energético aprovechable. En su estado leñoso o de combustible fósil esta estructura puede combustionarse químicamente para generar calor. El calor, transmitido por radiación infrarroja, conducción y convección, excita los átomos de la estructura cristalográfica del receptor, logrando elevar su temperatura. Si es agua, puede transformarse en vapor, alterando su propia estructura intramolecular, y adquirir presión, esto es, conservar en sí la energía inicial. La presión del vapor puede mover un mecanismo asociado con una estructura mecánica, como un pistón o una turbina, y hacer girar un eje. Su movimiento, transmitido a un rotor, puede, en combinación con un estator, generar electricidad, energía asociada a la estructura del manto electrónico de los átomos. Mediante una resistencia eléctrica esta energía puede transformarse en calor y proseguir por un ciclo diferente y así sucesivamente ad in aeternum de acuerdo a la primera ley de la termodinámica o ley de conservación de energía.

La segunda ley de la termodinámica nos señala no obstante que cada transformación efectuada es irreversible si no hay aporte adicional de energía, siendo la irreversibilidad una característica fundamental de la naturaleza. La energía tiende a fluir desde el punto de mayor concentración de energía al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. Esto es, el flujo tiene un solo sentido y, por tanto, demuestra la irreversibilidad del tiempo, rompiendo la simetría entre el antes y el después y estableciendo la diferencia entre la causa y el efecto. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

En toda transformación que resulte irreversible en un sistema aislado la entropía aumenta con el tiempo. Entropía es una palabra griega que significa transformación, pero es el término empleado usualmente en la dinámica para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía. Cuanto más uniforme, mayor es la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión. Las concentraciones de energía tienden a igualarse y la entropía aumenta con el tiempo.

Sin embargo, la entropía se la representa usualmente como una medida de desorden. Esta popular imagen se presta a muchos equívocos, pues el desorden se lo representa en forma estructural y, por lo tanto, estático, en circunstancias de que la entropía se trata de un fenómeno dinámico y se refiere únicamente a la energía. El error es explicar lo que ocurre con la energía recurriendo a la estructura. Y así, se afirma que el desorden, imaginado como homogeneización estructural, siempre aumenta con cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado.

Puesto que toda estructura es funcional en toda escala a partir de la estructura más fundamental de todas, el resultado neto de la aplicación de trabajo, que termina en entropía, es recíprocamente una mayor estructuración de la materia. Si lo que antes era y ahora aparece disgregado, la disgregación es en efecto la estructuración de otra cosa probablemente más compleja y de una escala superior. De éste modo, todo trabajo se emplea en el proceso de estructuración, y toda transformación produce nuevas estructuras, incluso de escalas superiores. En consecuencia, la entropía no significa sólo homogeneización, sino que su resultado es la estructuración, y que lo que la segunda ley de la termodinámica expresa realmente es que en un sistema cualquiera la energía disponible empleada para realizar trabajo no produce necesariamente uniformidad y mucho menos desorden. Por el contrario, esta energía se utiliza para estructurar la materia según la funcionalidad de las estructuras y dependiendo de sus distintas escalas, desde las más simples hasta las más complejas.

Así, pues, la materia no es un algo indiferenciado, sino que estructurado. Y al decir estructurado, se refiere a dos características. En primer lugar, una estructura está compuesta por estructuras de escalas menores y forma parte de estructuras de escalas mayores, y en segundo término, toda estructura es específicamente funcional, es decir, emplea la energía para ejercer fuerza de manera específica. La energía puede medirse por la cantidad, pero en la energía convertida en fuerza gracias a la funcionalidad específica de cada estructura se mide más bien la calidad. Por ejemplo, la energía contenida en el azúcar que la sangre lleva al cerebro es transformada por las neuronas en complejos pensamientos, tales como relacionar conceptos tan abstractos como materia, energía, tiempo, espacio, fuerza y estructura.

Desde el big bang, toda la evolución del universo ha consistido en que la energía primordial se ha transformado en estructuras materiales cada vez más complejas y de escalas cada vez mayores siguiendo el código impreso en la misma energía, que son las leyes naturales. Con la aparición del ser humano, como ser inteligente y libre, por vez primera en esta historia la estructuración llega a ser de la misma energía. Una persona puede ser definida por las funciones de su cerebro material compuesto por neuronas, neurotransmisores e impulsos eléctricos. Éste es capaz de generar un pensamiento reflexivo que es tanto abstracto como racional, pudiendo producir primariamente conceptos y conclusiones lógicas, y secundariamente, a partir de la combinación con la afectividad y la efectividad, producir sentimientos e intenciones. En una primera instancia esta multifuncionalidad de sus subestructuras psíquicas es unificada por la conciencia de sí, preocupada como el resto de los seres vivos por sobrevivir y reproducirse. En una segunda instancia, cuando la persona reflexiona sobre el por qué de sí misma, llegando a la conclusión de su propia y radical singularidad, la multifuncionalidad psicológica es unificada por y en su conciencia profunda, o yo mismo.

Lo crucial de la acción intencional es que este yo mismo refleja el yo individual dentro de una cosmovisión particular que el ser humano va conformando, generando y creando en su propia historia consciente. Esta cosmovisión es variada y puede ir desde un egocentrismo enfermizo con la pérdida de la propia identidad, propia de las idolatrías, hasta una cosmovisión en sintonía con la realidad y el pleno ejercicio de la libertad personal, en la que se concretan lazos de amor, solidaridad, bondad, misericordia. En esta acción cognoscitiva, afectiva e intencional el yo adquiere, por así decir, autonomía e independencia de la materia del universo. La reflexión en esta cosmovisión amplía la conciencia de sí individual para descentrar la acción de sí mismo y considerar y valorizar toda la complejidad del universo, teniendo como centro a su creador.

La generación en una persona de una mismidad singular como reflejo de la actividad psicológica del pensamiento racional y abstracto es el máximo logro de la evolución de la materia. Ocurre cuando la materia-energía, a través de la actividad inteligente e intencional de la persona en su conciencia profunda, estructura la energía en una identidad psíquica que comprende la totalidad de la persona. Existe una conversión de lo material en energía en la generación de una estructura única inmaterial. En efecto, este yo mismo o mismidad es precisamente lo esencial de la persona, lo que la constituye. En tanto el yo mismo se establece en una escala superior a partir de una unidad discreta no material, sino únicamente de las energías que caracterizan las funciones psicológicas, esta reflexión introspectiva de la conciencia profunda va generando durante el curso de la vida individual una estructura inmaterial de energías diferenciadas, la que se va constituyendo en forma independiente de las leyes de la termodinámica y, por lo tanto, subsistente, única, irrepetible e inmutable. Esta estructuración es en efecto una estructuración de la energía. Y aunque estos contenidos de conciencia unificados ahora en la conciencia profunda estén asentados en el sustrato material de su estructura neuronal, con sus neurotransmisores y sus impulsos eléctricos, pasan a independizarse de la materia y a tener existencia subsistente en la unidad de esta conciencia, pues ésta ya no constituye una estructura de la materia, sino de la energía. Es así que los seres humanos somos los únicos seres del universo que producimos estructuras de energía.

Cuando la muerte sobreviene, destruyendo la maravillosa estructura corporal de un ser humano y degradándola hasta sus componentes moleculares y atómicos básicos, lo que subsiste sería la estructura puramente de energías diferenciadas del yo mismo que se unifica en la conciencia profunda. Esta estructura sería una síntesis psíquica de la persona singular, con sus experiencias, recuerdos, conocimientos, afectividades e intencionalidades. Ésta buscaría primeramente vincularse con materia para poder manifestarse y ser funcional. Aunque es una entidad absolutamente distintiva, no puede existir por sí misma. Necesita asociarse a la materia para reflexionar y llevar a cabo la acción intencional. Pero el efecto de la muerte de un ser humano es que el yo mismo pierde irreversiblemente la posibilidad de actuar a través de su cuerpo, manifiestamente incapaz de subsistir. En su nuevo estado de existencia el yo personal se libera de la entropía, del consumo de energía de un medio material, lo que significa también que su acción ya no puede tener efectos en el universo físico. La persona, ahora reducida a lo fundamental de su ser –una estructura muy especificada de energías unificadas en la conciencia profunda– necesita y buscaría afanosamente un contenedor de energía para poder manifestarse y expresarse. (Mayor análisis sobre este tema puede encontrarse en http://unihum8existencia.blogspot.com).


Santiago de Chile


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