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.
Patricio Valdés Marín
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 FitzGerald 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 de la contracción de Fitzgerald
es L’ = L (1-v²/c²)^(1/2), dónde L es la longitud del cuerpo que se aleja, v es
su velocidad de alejamiento, y c es la velocidad de luz. La expresión
matemática de este corolario se refiere al hecho que esta ecuación es una de
las tres dimensiones de una extensión o volumen que son V = LHW, dónde V es el
volumen, H es la altura, y W es el ancho. Así 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.
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, el espacio, según la ecuación de G. F.
Fitzgerald, se va comprimiendo en la medida que la velocidad aumenta, y se
reduce a cero cuando se llega a la velocidad de la luz. Inversamente se va
expandiendo 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 el espacio, según
Fitzgerald modificado, el espacio 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 aparecerle al observador más largas, haciendo
que el objeto aparezca en estas dos dimensiones mucho más grande de lo que
realmente es. 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.
Los 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).
Notas:
Este ensayo, ubicado en http://unihum1c.blogspot,com/, corresponde al Capítulo 3, “Materia cósmica”,
del Libro I, La materia y la energía
(ref. http://unihum1.blogspot.com/)