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.
Patricio Valdés Marín
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.
Notas:
Este ensayo, ubicado en http://unihum1a.blogspot.com/, corresponde al Capítulo 1, “Materia
primordial”, del Libro I, La materia y la
energía (ref. http://unihum1.blogspot.com/)
Perfil del autor: www.blogger.com/profile/09033509316224019472
