La materia/energia

2013

Resumen

La materia/energía es el único componente en toda existencia de nuestro universo. El Universo Evolutivo actual parece resultar de dos propiedades fundamentales de la materia/energía. Una de ellas es la reactividad, que está presente en todas las interacciones físicas que originan el movimiento y que como idea filosófica se reconoce como determinismo. La misma se manifiesta como autorreactividad, que se traduce como factor de diversidad de las especies generadas. Es decir que ambas propiedades, reactividad y diversidad, intervienen en los procesos evolutivos de la materia/energía.

La reactividad se mantiene en la diversidad de especies formadas, en cualquiera de las expresiones de complejidad que se considere, incluyendo las propiedades emergentes que pueden aumentar la reactividad de dichas especies. Este mantenimiento de la reactividad en las diversas formas que puede adquirir la materia/energía en un proceso evolutivo se manifiesta como proceso probabilístico. De manera que ambos, determinismo y probabilidad, están presentes en cualquier proceso evolutivo.

El conocimiento de la segunda ley de la termodinámica y el previsto aumento de la entropía sugieren que el universo tiende a un equilibrio en el que el flujo de energía en la materia (movimiento) se detiene.

Se desconoce el mecanismo por el que se puede generar la energía que pone en movimiento el universo evolutivo actual.

Introducción

¿Por qué reflexionar sobre la materia/energía? Todo lo que existe para nuestros sentidos podemos aceptarlo como materia/energía, y nos sugiere que no alcanza para un entendimiento elemental del universo ¿Será que no estamos preparados para encontrar o buscar esta comprensión? Es verdad que el movimiento ha sido la preocupación histórica de la comprensión de la naturaleza; sin embargo, ¿qué es lo que induce o determina el movimiento?, ¿y qué es lo que conduce a la interacción y a la integración sucesiva de interacciones hasta constituir un proceso?

Materia y energía se han reconocido separadamente como componentes naturales del universo, posiblemente porque la percepción de ambas formas puede ser bien definida. La trascendental participación de la energía en los diversos procesos físicos ha sido descripta por Moreschi (2010b). El avance del conocimiento ya había permitido a Einstein formular la equivalencia de materia y energía en su famosa ecuación:

en la que la energía (E) es igual a la masa (m) por la velocidad de la luz al cuadrado (c2 ).

El conocimiento de la materia proviene particularmente de los avances en los estudios del movimiento. Es aquí donde los físicos y matemáticos nos dejan los mayores logros: la mecánica newtoniana y la cuántica. Sin embargo, parece que no es fácil unificar el determinismo de los grandes cuerpos y el probabilismo de los pequeños debido a las dificultades de combinar ecuaciones unificadoras de comportamiento. Aunque no siempre parece haberse buscado la comprensión de la realidad en las propiedades de reactividad y de diversidad de las formas de la materia/energía. Este escrito intenta hacer comprender particularmente estas propiedades como atributos fundamentales de la materia, debido a que la diversidad que nos sorprende frecuentemente en la naturaleza está en la esencia misma de la materia/energía.

Los estados físicos

Desde el antiguo concepto que definía materia como todo lo que puede ser percibido por los sentidos, hemos incrementado el conocimiento con el desarrollo de la ciencia. Uno de los rasgos que se le atribuían a la materia era su relativa estabilidad, hasta que se reconoció que la materia puede asumir diferentes estados, es decir los estados sólido, liquido y gaseoso, como las expresiones más simples de su inestabilidad, bajo la acción (en interacción) de otros componentes y propiedades de la misma materia, como temperatura, presión y combinaciones de diferentes manifestaciones, de calidad, cantidad y otras variables que actúan en cada interacción. Más recientemente hemos aprendido la noción de plasma, que para algunos constituye el cuarto estado de la materia. El plasma está constituido por partículas cargadas de iones libres y su dinámica presenta efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas de largo alcance. El estado de plasma constituye un estado de agregación de la materia que tiene características especiales, diferenciándolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen efectos colectivos importantes. En el plasma los átomos se mueven libremente y a mayor velocidad en función de la mayor temperatura. El plasma tiene la característica especial de que puede ser manipulado muy fácilmente por campos magnéticos y además conduce la electricidad. El plasma parece ser uno de los estados de la materia más comunes; se lo reconoce en estrellas, nebulosas y otros componentes naturales; también en usos tecnológicos modernos, como tubos fluorescentes, lámparas de bajo consumo, pantallas de TV y monitores diversos, entre otros.

Las propiedades físicas

De la descripción del movimiento de los astros (Copérnico, Galileo, etc.) se pasa a la predicción (Newton, Laplace, etc.), con los cálculos matemáticos que permiten estimar sus movimientos incorporando al tiempo como un componente natural de la física, aunque no de la materia. Los avances particularmente en esta área permitieron realizar otros avances importantes sobre la naturaleza y las propiedades de la materia, entre ellos la energía interna de los átomos por Rutherford (Le Bon, 1945). Entre los hechos más atractivos se estableció la transmutación de la materia, que ocurre en las transformaciones termonucleares en el interior de estrellas: el hidrógeno se fusiona dando helio, el helio da carbono, el carbono da oxígeno, y en estrellas de gran masa y por sucesivas adiciones de núcleos de helio se generan neón, magnesio, silicio, azufre, etc., adiciones que se producen por pasos, dos protones y dos neutrones por paso, hasta llegar al hierro. Por otra parte, la degradación radiactiva del carbono produce nitrógeno, entre otros elementos. Otra forma conocida de transmutación es la reacción antimateria, mediante la cual la colisión de un protón con un antiprotón produce fotones, entre otras reacciones ya conocidas, y aunque la producción experimental de antimateria se encuentra en desarrollo, no puede excluirse la posibilidad que en el universo existan reservorios. También es posible que ocurra lo contrario, es decir, en la colisión de un fotón con la materia (clorofila), la energía del fotón queda incorporada en la materia (el proceso fotosintético, por cuanto la energía lumínica queda atrapada en la materia).

Los físicos pudieron así unificar el concepto de materia (Einstein, entre otros), indicando que materia y energía eran dos manifestaciones de un mismo principio, materia con masa y materia sin masa. Sin embargo, en este último caso sería más aproximado decir con masa infinitesimal, donde puede ser incluido el neutrino entre otras porciones del núcleo, con propiedades que le permiten atravesar sólidos sin colisionar con sus componentes. Dicho de otro modo, la materia puede transformar su naturaleza y también sus propiedades y relaciones con los demás derivados de las interacciones, que también son pura materia y/o energía.

En las interacciones, la materia evoluciona hacia otras formas de manifestaciones o cambios de estado, en las que se observan situaciones que se llamaron orden y en otros casos, caos. Probablemente la única particularidad que marca la diferencia es lo que define la afinidad de la interacción de las partes. Así, por ejemplo, en las celdas de Bénard se observa una organización cuantitativa de las moléculas que denotan formas, por lo que parece que orden y caos son productos de la misma acción (el calentamiento), sin duda asociada a un gradiente por el cambio de estado líquido al gaseoso. Cambiando sus propiedades como en las bifurcaciones, la materia muestra autoorganización de moléculas en partes del sistema mientras que en otras partes, su situación es caótica.

Uno de los rasgos más impactantes del conocimiento de la materia es la baja proporción de materia sólida y la alta proporción de espacio vacío. Ello se debe a que las distancias entre núcleo y electrones, así como las capas de electrones de un átomo, recorren un espacio considerablemente grande. Este fenómeno denota que el espacio podría considerarse inherente a la materia/energía así como una propiedad interactiva de ella; del mismo modo, la temperatura, la concentración (masa) y el tiempo pueden considerarse como interactuantes en el proceso.

Desde la noción de átomo que nos dejó Demócrito, el concepto de materia está siendo reemplazado por otras formas en las que la masa tiende a desaparecer, como en los bosones y fermiones, para transformarse en flujos cuánticos de energía transitorios desde la inestabilidad para llegar casi hasta la estabilidad en la complejidad, donde es difícil establecer, señalar o reconocer las partículas participantes. Las propiedades de la materia nos dejan finalmente no solamente el asombro de no comprender la "noción de materia" sino también de darnos cuenta de que en la realidad la materia no existe en la forma convencional (sólido). En efecto, la unidad elemental o quark no ha sido detectada hasta el presente en forma aislada y unitaria, aunque sí participando en forma constitutiva en número de tres unidades por partícula.

La reactividad

La reactividad es la propiedad de la materia/energía que le permite interactuar mediante sus propiedades físicas y/o químicas en forma orientada, induciendo un reacomodamiento de sus partes, incluso su energía.

La reactividad es una de las propiedades básicas de la materia y puede ser definida como la capacidad de interactuar consigo misma en la diversidad de formas existentes o generadas que guarden la capacidad de reacción. Los físicos han reconocido por lo menos cuatro interacciones conocidas como fundamentales y que explicarían todas las intervenciones en el universo: la interacción gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Nosotros utilizaremos el término reactividad con el objeto de considerar las propiedades físicas de la materia que están involucradas en las interacciones, porque consideramos que las mismas conciernen a fenómenos activos que no solo expresan el movimiento sino que también transmiten la energía que portan debido a las diversas reacciones en las que participan tanto por afinidad como por repulsión.

Aunque en muchos casos desconocemos la naturaleza de los determinantes de la alta reactividad de la materia/energía, parece razonable pensar que la reactividad se genera en el desequilibrio de sus componentes con fuerte incidencia de sus propiedades másicas, temperatura, presión, condiciones físicas y químicas en cada una de las formas o variables de manifestación, fuerzas de atracción y de repulsión, carga positiva o negativa, el tipo de espín, el estado cuántico, entre otras. La reactividad podría considerarse como la capacidad, como propiedad que reúne todas las interacciones físicas, para encadenar causa y efecto sucesivamente; así, se podría pensar en un sistema universal que abarque todos los sucesos, incluidos los biológicos. También la reactividad es la propiedad de la materia que permite una evolución hacia la complejidad de manera integradora y la generación de propiedades emergentes durante la evolución. De este modo, por ejemplo, la interacción de cargas positivas y negativas así como las interacciones estéreo específicas permiten la asociación de átomos y moléculas (ver más adelante). Asimismo, la reactividad supone cualquiera de las interacciones específicas y/o múltiples que impliquen movimiento y/o participación de energía.

La reactividad siempre parece tender hacia el equilibrio y como lo sugiere Cereijido (2009), parece ser el desequilibrio (entre los reactantes) el que genera la reactividad o actividad que se manifiesta en el movimiento de energía.

Aunque no conocemos cuál ha sido el origen de la materia/energía, cualquiera de las formas materia y energía (con masa o sin masa) debe haber sido la primera en existir… Si ha sido como energía, ¿cuál de sus múltiples manifestaciones ha sido la primera? En este punto, se ha evidenciado la formación de las partículas de Higgs en experimentos en aceleradores de partículas, que sugieren un mecanismo del paso de energía a materia (pasaje de energía sin masa a unidades con masa). Estos experimentos también mostraron que la energía puede ser considerada el primer germen organizador del universo. Cualquiera que haya sido (materia o energía) su primera forma, parece claro que la materia/energía ha evolucionado y sigue evolucionando, dando lugar a la existencia de tanta diversidad de formas, propiedades, comportamientos, etc., que pasaron muchos años para que se comprendiera que todas las cosas en la naturaleza tienen su origen en la materia/energía. Pero aún más, la diversidad de estados y propiedades solo permite deducir que los diferentes estados son manifestaciones transitorias y que la existencia de estos diferentes estados de la materia/energía es tan precaria como su propia existencia si se considera que existen interacciones que inducen hasta la desaparición de la materia. Sin lugar a dudas, la naturaleza de la materia/energía y su formidable reactividad son componentes de gran valor en su comportamiento por la diversidad de formas que genera. Dicha diversidad la hemos apreciado particularmente en el mundo biológico, donde se manifiesta en las formas, estructuras, funciones, colores, sabores, olores, etc., que por su naturaleza hacen posible su percepción al hombre.

La materia y la noción de espacio

Tradicionalmente se ha considerado que el espacio es la entidad marco donde la materia/energía determina su territorio para realizar sus transformaciones de estado, cambiar sus propiedades másicas, modificar sus propiedades mediante interacciones cercanas, fuertes (entre protones y neutrones), débiles y a grandes distancias (gravitacionales y electromagnéticas).

Debemos a Newton la noción de un espacio absoluto en el que existe un espacio relativo y en el que se pueden aplicar las leyes de la inercia y del movimiento. El espacio absoluto newtoniano ha sido explicado por Nathan Bravo (1989) como "La tesis fundamental de una teoría absolutista del espacio (como la de Newton) es que el espacio es una entidad o sustancia que existe por sí misma, independientemente de la existencia y propiedades de los objetos materiales. Aunque esta tesis es ontológica, se la puede especificar de la siguiente manera y que la hace susceptible de ser discutida apelando a datos científicos: es decir que el espacio es una entidad que tiene un conjunto de propiedades o una estructura propia que es independiente de la existencia y propiedades de los objetos materiales (…1 Cv, nota a 36-48, p. 120; 16 p. 161). Entre las propiedades que se ha sostenido tiene el espacio están, por ejemplo, propiedades electromagnéticas (como la de que el espacio vacío es un mal conductor, su permeabilidad magnética es de 4 x 10-7 Henry por metro, etc.), propiedades dinámicas (como la de ser penetrable, tener partes que no pueden ser separadas una de otra por ningún tipo de fuerza, estar absolutamente fijo), propiedades geométricas (como la de ser finito o infinito, continuo o no, la de ser curvo o plano, la de tener una métrica Euclídea o no Euclídea, la de ser tridimensional, etc.) (87 pp. 13-4). Finalmente, para una posición absolutista, si bien el espacio es independiente de los objetos materiales, guarda una relación con estos; es la arena donde se encuentran localizados los cuerpos y en donde se mueven (i.e., los cuerpos tienen una posición dada para ocupar un lugar determinado en el espacio)".

Esta concepción del espacio absoluto creado por Newton para albergar los movimientos que llamaba reales y no relativos se contrapone con las ideas de relatividad de Galileo y de Leibniz, quienes concebían el espacio como un elemento siempre relativo en el universo. Ello se pone en evidencia cuando Leibniz afirma "Sostengo que el espacio es meramente relativo, como el tiempo; sostengo que es un orden de coexistencias, así como el tiempo es un orden de sucesiones. Pues el espacio denota en términos de posibilidad, un orden de cosas que existen al mismo tiempo, consideradas como existiendo juntas; sin preguntarse acerca de su manera de existir. Y cuando muchas cosas son vistas juntas, uno percibe de ellas ese orden de cosas. (1 L.III., 4, p. 25.6)".

La concepción de espacio como entidad, si bien se entiende en la observación macroscópica, es evidente que generaba dudas en Leibniz, porque la existencia de espacio y materia es simultánea. No queda claro entonces si el espacio se genera en las mismas propiedades de la materia/energía.

La proposición de Newton que reunía los requerimientos de referencia para los movimientos inerciales y sus leyes quedó por muchos años como establecida en el mundo de la física. Sin embargo, los descubrimientos que siguieron, particularmente en lo concerniente a la unificación de conceptos de magnetismo y electromagnetismo por Maxwell, la velocidad de la luz (Michelson), y la proposición de Einstein de que la luz puede considerarse como onda pero también como partícula (fotón), terminan sustituyendo la proposición de Newton por las ideas de Relatividad de Einstein. El problema se suscitaba por las dificultades de integrar los nuevos hallazgos en el concepto de espacio absoluto y tiempo absoluto. Las dificultades fueron finalmente superadas con la proposición de Einstein que el valor de referencia debía ser la velocidad de la luz de 300.000 km/s como determinada experimentalmente por Michelson. En esta nueva forma de percibir la realidad, el marco de espacio absoluto quedaba desplazado por la corriente de aceptación de la Teoría de la Relatividad.

La Teoría de la Relatividad de Einstein se constituye así en una solución a los problemas que suscitaba el espacio absoluto para la unificación y el tratamiento de los conceptos de electromagnetismo y de onda partícula de la luz (Hacyan, 2002). También nos deja claro que el movimiento evolutivo del universo, con dos componentes independientes, el espacio y el tiempo, quedan unificados en el espacio-tiempo, que pasa a constituir la cuarta dimensión. En otro orden de cosas, la situación no cambia, el universo puede ser un sistema abierto o cerrado, aunque lo más importante es sin duda la noción espacio-tiempo por su vinculación permanente con la materia y los fenómenos naturales. En esta noción espacio-tiempo, los campos gravitacionales (masa) son determinantes de la métrica del espacio-tiempo, denotando una estrecha relación entre materia y espacio. Sin embargo, no queda claro si la teoría de la relatividad implica que el espacio-tiempo tiene una estructura absoluta o relacional, vinculada con la curvatura de porciones del espacio producida por la cantidad y distribución de materia/energía en esas porciones. Finalmente, la teoría relacional del espacio sugiere que no es una entidad, porque la estructura está determinada por la materia; es decir, que el espacio es tan solo el conjunto de aquellas relaciones espaciales que la materia produce, y que no es otra cosa que un efecto de la materia.

Quedan interrogantes fundamentales en lo que concierne al espacio y al tiempo que evidentemente son considerados en el momento actual del universo, es decir, en una fase evolutiva que no sabemos hacia dónde se dirige. ¿El espacio y la materia/energía nacen en forma simultánea?, ¿el espacio se genera desde la propia materia?, ¿o es una entidad independiente?

La materia y la noción de tiempo

El origen del universo ha sido motivo de reflexión de numerosos pensadores a través del tiempo. El estudio de las partes que integran el universo ha incluido el tiempo como uno de los componentes naturales, y es uno de los elementos considerados fundamentales en la física.

La noción del tiempo fue claramente expresada por Aristóteles como la diferencia de la medición "entre un antes y un después" refiriéndose al movimiento. Más tarde, Leibniz señala claramente que "el tiempo es un orden de sucesiones", como otros componentes del universo. Sin embargo, la noción de tiempo parece quedar incorporada a la física y constituye uno de los componentes de análisis de esta disciplina, como lo denota la noción de "espacio-tiempo" de Einstein, que termina considerando que el tiempo es "solo una ilusión", sin duda acorde con la noción de reversibilidad, como se desprende de la mecánica newtoniana (Prigogine, 2006).

Si el universo fuera un sistema estático, habría sido razonable prescindir de la noción de tiempo; sin embargo, ocurre todo lo contrario, ninguna existencia es estática. Así es que el movimiento parece haber sido la primera cuestión que se plantea el hombre.

A pesar de que su reflexión se basa en la irreversibilidad de sistemas dinámicos no lineales, Prigogine (2006) se ha preocupado por el origen del tiempo, señalando que el tiempo en un sistema en evolución tiene otro significado. Pero no queda claro que el tiempo en los sistemas dinámicos irreversibles puede considerarse como que nace en forma continua, en cualquier punto de la evolución y hasta el infinito. Prigogine tampoco ha reconocido que la definición de Aristóteles solo apunta a precisar la velocidad de un cambio en un sistema determinado. Sin embargo, cuando a Prigogine se le pregunta sobre la cuestión, expresa claramente que el universo como sistema no lineal puede haberse generado teniendo como causa su evolución no lineal continua en los procesos irreversibles, con bifurcaciones, etc. Esta situación acerca una idea más aproximada a la realidad que la postulada por el modelo estándar con la gran explosión "big bang", la que por otra parte expresa una de las posibles manifestaciones en la evolución de sistemas no lineales. La idea de Prigogine parece más razonable simplemente porque contiene cualquier alternativa posible de la evolución de los sistemas no lineales en la complejidad, incorporando otras situaciones posibles (ver más adelante).

Suponiendo que el origen del universo se sitúa en el big bang (Moreschi, 2010a), este hecho podría ser identificado como el nacimiento del tiempo, si es que al tiempo se lo considerara como un componente indispensable, aunque evidentemente no reúne las condiciones reconocidas en la materia o la energía, que son la base de cualquier suceso. Por lo tanto, se reconoce que el tiempo solo constituye un parámetro para percibir la realidad en función de la velocidad de los fenómenos naturales. Es importante señalar aquí que el origen al que se refiere el big bang es el de un Universo Evolutivo (Alles, 2012) y parece razonable entonces asumir el nacimiento del tiempo cuando se genera un universo evolutivo (en permanente cambio). Ello se debe a que la singularidad en la que se origina el big bang muestra que ya existía la materia en un estado colapsado, lo que supone que ya estaba presente o que se había generado previamente.

¿Por qué se reconoce al tiempo como ligado a la evolución del universo? Creemos que el devenir, la inestabilidad, el movimiento y la evolución de la complejidad han sido las razones por las que el hombre, los físicos y matemáticos han incorporado el espacio y el tiempo como componentes naturales del proceso. Sin embargo, los fenómenos naturales y procesos conciernen estrictamente a la materia/energía, y no sabemos si el espacio es o no una expresión de la materia, ni si el tiempo sirve particularmente para el discernimiento sin formar la esencia o parte activa, y aunque en la evolución o interacciones de la materia pueda percibirse como facilitando los procesos de la materia. Sin duda que el espacio y el tiempo sirven solo como parámetros en los estudios sobre la naturaleza y el comportamiento de la materia, sin ser componentes interactuantes, que formen parte en los procesos en el inicio determinista, aunque luego tengan participación durante la evolución, cuando el sistema se orienta a la complejidad.

Cuando pensamos que el universo ha sido tratado como un sistema estático, no comprendemos el porqué, ya que el movimiento reconocido por observadores antiguos también fue verificado en niveles que van desde lo atómico hasta lo cosmológico, con nacimientos de estrellas y hasta de galaxias. Es decir, un sistema que a todas luces evidencia ser un sistema no lineal en evolución. Cuando nos trasladamos a la biosfera y verificamos que los procesos como la vida de las especies y, a menor escala, la vida de los individuos que forman las especies, puede en estos últimos casos reducirse a años, días, horas o minutos, todos en situación de procesos no lineales, nos hace reflexionar que estamos en presencia de fenómenos irreversibles en todas las escalas que emanan de procesos generados por la materia, y que resultan en la diversidad de formas de la materia interactuante. El equilibrio en las manifestaciones de la materia no existe y estamos en presencia de un proceso evolutivo en cualquier escala que se nos ocurra considerar. El tiempo entonces ha sido creado por el hombre para estudiar el comportamiento de la naturaleza durante periodos accesibles a su propia existencia. Si el universo es un sistema evolutivo, como parece, en el comienzo de su evolución debe haber nacido el tiempo, el cual desde entonces debe haber participado en la evolución, según las diferentes velocidades de los procesos naturales. Igualmente, si el universo está constituido por materia en procesos no lineales e irreversibles, el origen del universo es un problema no resuelto que puede permanecer eternamente. Ello se debe a que la naturaleza del universo hace impredecible su evolución, la que puede pasar por un big bang, por transformaciones continuas u orientarse hacia la nada. Se puede decir entonces que el tiempo en términos absolutos no existe, ya que en un proceso de transformación continua está naciendo a cada instante, y que solo puede utilizarse en aquellos procesos que son accesibles al hombre por su duración o por su complejidad.

Por lo que concierne al origen del universo, según la proposición del big bang se habría producido hace alrededor de entre 6000 y 15 000 millones de años. Si el universo se está expandiendo ¿no denota esto que la evolución consiste en un proceso no lineal? Asimismo, la permanente formación y muerte de estrellas de galaxias que incluyen colisiones y reacomodamientos estelares, con agrupaciones que evocan diferentes formas, ¿no evocan un sistema dinámico que evoluciona? Entendemos que esta es la posición actual de los estudiosos del universo.

A pesar de que los movimientos planetarios son predecibles por su relativa estabilidad, considerando los valores de tiempo con el que evoluciona el universo, ¿se puede pensar que el universo no cambia o es más razonable reconocer que a pesar de que los cambios que suponen su evolución se producen en tiempos siderales, de todos modos existe una evolución no lineal?

Sin duda que si nos preguntamos sobre el nacimiento del tiempo tendríamos que pensar en las primeras interacciones que pudo haber tenido la materia/energía, lo que dio lugar a la acumulación por aumento de cantidad de alguna(s) especie(s), aunque sin participar como constituyente natural de la materia/energía sino como un condicionante de la reactividad, dependiendo las especies interactuantes. Por todo ello, la participación del tiempo parece una necesidad insoslayable para entender mejor el universo en evolución, es decir, cómo sucede la evolución física del universo.

Resumiendo, ambos, espacio y tiempo, no parecen entidades absolutas, sino que resultan de los requerimientos del hombre para poder entender por lo menos en parte lo que ocurre a su alrededor: el espacio para situar el movimiento y el tiempo para entender su evolución. Ambos evidentemente son inherentes a la naturaleza inquieta de la materia/energía, a su reactividad y a las necesidades del hombre para entender procesos.

La noción de universo (de estático a evolutivo)

`The evolution of the world can be compared to a display of fireworks that has just ended; some few red wisps, ashes and smoke. Standing on a cooled cinder, we see the slow fading of the suns, and we try to recall the vanishing brilliance of the origin of the worlds.' Lemaitre.

El entendimiento del universo aparentemente se inicia con la concepción de Newton y se conoce como universo estático, aunque lo consideraba integrado por sus partes en movimiento.

La Teoría general de la Relatividad de Einstein (1915) y el descubrimiento de galaxias que muestran el corrimiento al rojo por Hubble (1929) parecen haber sido las bases sobre las que se desarrollan las ideas de un universo en expansión y con un comienzo. Fue Friedman (1822, 1824) el primero en dar una solución al problema cosmológico dentro del marco de la teoría de la relatividad general. Sus contribuciones conciernen a la adecuación de las ecuaciones de Einstein a diversas soluciones, espacialmente abiertas o espacialmente cerradas, donde la métrica del espacio es función del tiempo cósmico. Friedman planteó el abandono de la idea de universo estático y sugirió la curvatura constante del espacio- tiempo y la posibilidad teórica de un universo abierto o cerrado.

Entre los universos concebidos en la época, el de Einstein y De Sitter (1932) supone que la constante cosmológica, la curvatura del espacio y la presión cósmica tienen valor cero. El modelo presenta una singularidad a t=0 (punto de inicio del universo) que correspondía a dos tercios del valor de la constante de Hubble (valor calculado del corrimiento al rojo en las galaxias que permite calcular el nacimiento del universo). En el caso de considerar una curvatura positiva del espacio (k=1), el modelo preveía la existencia de un universo cíclico en el que el radio de curvatura aumentaba hasta un valor crítico y luego disminuía.

Para esa época (1932) los físicos señalaron la existencia de diferentes modelos de universos en expansión, según el signo de la curvatura espacio-tiempo y la constante cosmológica. Esos modelos podían ser agrupados en estáticos, en expansión no relativista y en expansión relativista. En todos los modelos relativistas (Relatividad General) aparece una singularidad en el inicio (t=0). Las ideas de un universo en expansión llevaron a sus creyentes a elaborar una solución. Fue Lemaitre en 1927 quien propone que la singularidad deducida en los modelos expansionistas provenía de lo que se podría llamar un átomo primitivo (el que podía tener un diámetro de una distancia aproximada del Sol a la Tierra) desde donde una gran explosión iría generando nebulosas y galaxias por condensación progresiva. A partir de estas ideas, la naturaleza de la singularidad hace pensar que en el inicio hubo nubes y rayos cósmicos que condujeron a la formación de protogalaxias, galaxias y estrellas por condensación en aquellas regiones en las que la densidad de la nube cósmica sobrepasaba la densidad de equilibrio. Este proceso aún en el presente podría producirse con formación de estrellas a partir de la condensación de gas cósmico intergaláctico.

La idea de una singularidad con una gran explosión en el átomo primitivo de Lemaitre fue desarrollada como la teoría cosmogónica del big bang por Gamow, Alpher y Herman en 1965. Esa idea se fue comprobando en algunos aspectos (Alpher et al, 1948; Gamow, 1946), como en la formación de los elementos (núcleo, síntesis y evolución). Los hechos posteriores, como el descubrimiento del fondo de radiación de microondas, entre otros, vigorizaron la teoría que prevalece actualmente para entender el nacimiento de un universo evolutivo (Fig.1).

Figura 1. Proporciones relativas de los contenidos de elementos livianos después de segundos y temperaturas después del Big Bang

Aunque se puede reconstruir la evolución del universo desde el big bang (Fig. 2) parece claro que su naturaleza emerge de la materia/energía que lo forma. Por lo tanto, siendo evolutiva la naturaleza del universo, parece improbable que se pueda predecir la dirección de su evolución, la que puede resultar en otro big bang, un big crunch (en estrechamiento) o en un big rip (dilución de la materia en energía). Los movimientos evolutivos lentos que nos permiten predecir la posición de los astros no parecen aplicables al universo con miras al futuro, ya que es imposible predecir hacia dónde se orientan sus movimientos en un sistema en el que además de participar la gravedad, otros parámetros como la densidad, la geometría, la temperatura, entre otras variables sensibles, también participan tornando al sistema más impredecible por su complejidad. La naturaleza esférica del universo puede orientarse a formar un plano o una curva incierta, lo que denota que no podemos predecir el futuro.

Figura 2. Esquema del Universo Evolutivo a partir del big bang, ordenado en base a los hechos fundamentales concernientes a la expansión del universo (Hubble, 1929), la formación de elementos en física nuclear (Gamow 1939, 1946, 1948), el origen de las radiaciones de onda corta formando la radiación de fondo relicto en el universo (background), la formación de estrellas y galaxias hasta el estado actual. La evolución está relacionada con cambios en dimensión, temperatura, condensación en partes sólidas, desacople de materia y energía, y formación de nuevos componentes.

De la energía a la materia

Si el big bang se ha iniciado en una singularidad, se puede suponer que la materia energía ya existía en un universo. Ello se explica porque una singularidad se produce cuando la curvatura del espacio-tiempo se hace infinita, lo que induce a pensar que el universo evolutivo actual ya existía con anterioridad y sugiere que el big bang indicaría solo el inicio de nuestro tiempo en el actual universo. Parece claro que allá lejos en el tiempo se haya generado la materia/energía. Por lo que concierne al primer origen y como fue señalado previamente, parece probable que la forma más primaria de la materia haya sido la energía, demostración que aún debe ser confirmada a partir de la aparición de las partículas de Higgs. Muchas preguntas quedan sin responder, pero las dudas que nos asaltan también van evolucionando. ¿Es que el universo ha existido siempre y es capaz de comenzar de nuevo cada vez que aparece una singularidad? ¿Puede aparecer una singularidad solo en parte del universo? Pero volviendo a nuestro motivo inicial, ¿cómo se generaría la energía? ¿A partir de gérmenes autorreplicantes?, ¿o de manera única en un todo? ¿El paso de energía a materia es la primera trasmutación de gran importancia en la materia/energía?

Finalmente se interpreta que en épocas tempranas se habría producido el desacople de la materia y la energía y la consecuente generación de galaxias, planetas, etc. Sin embargo, aparentemente es claro que la materia/energía esta indisolublemente asociada en las formas más elementales y como parte fundamental en las manifestaciones de la materia/energía.

De lo predecible a lo impredecible

La expansión y retracción del universo parece ser un contraste que se reconoce en la naturaleza. La expansión del universo se deduce por lo descripto por Hubble, quien estudió el espectro de emisión de luz en las galaxias, donde la tendencia del enriquecimiento en color rojo de la estela luminosa denotaba el alejamiento de las mismas (corrimiento hacia el rojo). La retracción, aunque no se ha ponderado su importancia comparándola con la expansión, se ha reconocido como un proceso que acompaña el envejecimiento de las estrellas, dando lugar a nuestro pensamiento para buscar y determinar su significación. Cabe destacar que ambos procesos coexisten necesariamente en el proceso evolutivo de sistemas complejos en el universo.

Necesariamente muchas hipótesis han ido cambiando. El conocimiento de la materia en la época de Laplace en 1836 lo llevó a la elaboración de una comprensión determinista del universo, probablemente influenciado por la predictibilidad de la mecánica clásica newtoniana; y es sumamente sorprendente que no haya considerado que la materia también le enseñaba otro carácter fundamental de su naturaleza, como lo aleatorio (azar). La causa probabilística es otro aspecto de la naturaleza de la materia cuando se trata lo pequeño, aunque también se ha reconocido en los grandes sucesos. Fueron los físicos los que nos llevaron a percibir la diferencia entre la física clásica y la cuántica (ver más adelante). Pero no cabe dudas de que la predictibilidad en los grandes cuerpos tiene lo probabilístico en su formación básica.

En el universo entonces es evidente que los grandes órganos están formados por los componentes más pequeños. Es decir que desde los órganos del universo hasta los complejos más elementales, todos están formados por unidades cuánticas de materia que siguen sus propias leyes y principios. Por lo que un modo de interpretar los hechos sería que los grandes cuerpos muestran nuevas propiedades especiales como resultado de propiedades emergentes generadas en la complejidad y en la cantidad. La predictibilidad en el movimiento de los grandes cuerpos del espacio puede ser un nuevo atributo desarrollado como propiedad emergente, como resultado de la concentración (cantidad) de materia en estado cuántico probabilístico.

La materia y las propiedades emergentes

Una de las propiedades más fascinantes de la materia es la de tener una masa concreta, resultante de la interacción de sus partes constituyentes, y una densidad, que a su vez resulta en las fuerzas gravitacionales que desde Newton consideramos la propiedad fundamental, manteniendo los órganos del universo en equilibrio dinámico.

Cuando consideramos cómo se puede haber generado tanta materia y energía como la que constituye el universo, podemos pensar que su formación ha sido progresiva, con inicio desde gérmenes autogenerativos como la vida misma. Aunque la proposición es ingenua, no parece existir otra manera de pensar en cómo se han originado la materia y el universo. Entonces, toma particular relevancia la cantidad, la cual para ser reconocida y definida se designa una parte convencional como unidad, que será luego utilizada en la cuantificación de las especies formadas. No sabemos si la singularidad que conduce al big bang significa que el total de materia/energía del cosmos ha colapsado y es la que conforma nuestro universo actual. En este caso tampoco sabemos cómo se ha generado tanta materia.

Se sabe, por ejemplo, que la magnitud de masa regula el efecto gravitacional que la masa ejerce sobre su entorno. Asimismo, se sabe que la producción de un rayo láser o de microondas se genera desde una alta densidad (o cantidad) de fotones. En los sistemas biológicos se ha visto también que la formación de microtúbulos celulares está condicionada por los niveles de concentración de las subunidades formadoras o constituyentes. Otro componente que caracteriza a la materia es la calidad, que define propiedades que incluso pueden ser exclusivas de uno de los tipos de materia/energía.

Pareciera que con solo variar la cantidad de una forma interactiva podríamos generar tanta diversidad con aumento de la complejidad del sistema que es difícil imaginar. En cada momento que se considere estaríamos en presencia de nuevas propiedades emergentes y en momentos diferentes de la evolución de la materia/energía y del universo todo. Por lo que debemos pensar que las nuevas propiedades emergentes tienen su origen no solo en la diversidad de especies participantes en la interacción, sino también en la evolución de la cantidad que participa en la complejidad, la que en cada grado de organización (o situación) denota sus caracteres específicos (ver más adelante).

Sistemas activos y relativamente estables

"Cuando decimos que muere algo, debemos entender que no se verifica más que un cambio de existencia, una descomposición de esta combinación, que es al propio tiempo, el principio de otra existencia". Giordano Bruno (1548-1601).