Revista Cultural Lotería Nº 466, 2006
MATERIA,
ESPACIO y TIEMPO
Eduardo
Flores Castro
Catedrático de
Física de la Universidad de Panamá
Los que hemos escogido la ciencia como razón de ser de nuestras vidas,
estamos en la obligación de hacernos comprender en torno a los métodos y
conceptos científicos, a la etapa del conocimiento de la naturaleza en que nos
encontramos, y lo que se debe hacer para la preservación de la especie
humana. En éste sentido, preguntas como: ¿Qué es la materia? ¿A qué
se le llama espacio? y ¿Qué entendemos por tiempo?, las cuales han sido
abordadas por la humanidad durante toda su historia, las deseamos enfocar
en este ensayo desde el punto de vista de la Física, además de señalar algunas
de sus implicaciones.
MATERIA
En términos generales la materia es
aquello de lo que están hechos los objetos que constituyen el universo observable. La
materia tiene dos propiedades que juntas la caracterizan: ocupa un lugar en el
espacio y tiene masa. La masa es una magnitud física fundamental
que puede considerarse como la medida de la cantidad de materia que tiene un
cuerpo y además determina sus propiedades inerciales y gravitatorias.
En el Sistema Internacional la unidad de masa es el
kilogramo, y se define como la masa igual a la masa del kilogramo prototipo
internacional, que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas
(Sevres, París). El prototipo del kilogramo es un cilindro de
platino e iridio de dimensiones específicas. En vista que el
kilogramo es la única unidad que en el Sistema Internacional, se define a
través de un artefacto, se plantea reemplazar su definición por alguna que
involucre constantes universales. Una de las definiciones propuestas
se basa en la constante de Planck, lo que permitiría determinar el kilogramo a
partir de un cierto número de fotones de determinada frecuencia; mientras que
otra definición propuesta se basa en el número de Avogadro.
La materia junto con la energía son las bases de
los fenómenos objetivos. Como explicó el físico alemán Albert
Einstein, la materia y la energía son interconvertibles, de tal modo que
se podría decir que la materia es energía superconcentrada y que la energía es
materia superdiluida.
La materia es todo lo que está compuesto por
partículas elementales. La materia se organiza jerárquicamente en
varios niveles. El nivel más complejo es la agrupación en moléculas
y éstas a su vez son agrupaciones de átomos, los cuales están compuestos por
electrones, protones y neutrones. Además, hay todo un conjunto de
partículas subatómicas que acaban finalmente en los quarks, constituyentes
últimos de la materia.
No es de extrañar que algunas veces pensemos en los
materiales sólidos, v.g. un trozo de hierro, como un objeto en que las
partículas materiales que lo conforman llenan todo el espacio que el
ocupa. Sin embargo, esto no es así; ya que si tenemos un centímetro
cúbico de un material metálico, más del 99,99 % del espacio que el ocupa está
excepto de material, es decir vacío. La sensación de solidez de los
materiales es producto de la interacción electromagnética y los diferentes
enlaces químicos.
Masa Relativista
La masa de un cuerpo se incrementa a medida que su rapidez aumente,
tendiendo a infinito cuando su rapidez se aproxima a la rapidez de la luz. En
1909 el físico alemán Alfred Bucherer confirmó por primera vez el incremento de
masa debido a la rapidez del cuerpo, en un experimento realizado con partículas
beta (electrones) emitidas por sustancias radiactivas.
En
física moderna el Principio de Conservación de la Masa se integra al Principio
de la Conservación de la Energía. El concepto moderno es el Principio
de la Conservación Masa-Energía, el cual señala que: la masa y la energía
(energía relativista total) de un sistema aislado permanece constante. Un
ejemplo de un sistema que transforma masa en energía, es la energía más
importante para la vida en nuestro planeta, es decir la que proviene del Sol.
Nos Hace Falta Materia
El universo está básicamente compuesto de hidrógeno
y helio. El 75 % de la materia conocida del
universo se encuentra en forma de hidrógeno, y el 24 % por helio. El restante 1
% de la materia conocida está compuesta por el resto de los 109
elementos del sistema periódico.
En 1932, el astrónomo holandés Jan Oort midiendo
los movimientos perpendiculares de estrellas cercanas con respecto a la Vía
Láctea, su influencia gravitatoria y la masa del disco de la galaxia, determinó
que existía un faltante de masa en nuestra galaxia que explicara estos
movimientos.
Todos los objetos celestes visibles conocidos hoy
en día (estrellas, planetas y nubes de polvo) justifica solamente el 10 % de la
masa del universo. Es decir, del total de materia que forma el
universo, sólo es materia conocida el 10 % de
ella, el resto es masa que falta y, dado que no la hemos podido detectar, los
físicos la hemos denominado “materia oscura”. En la
actualidad se considera que la materia oscura son partículas elementales
exóticas (v.g. neutrinos y/o axiones) cuya interacción con la materia ordinaria
es muy débil.
El espacio expresa el orden de existencia de los
objetos individuales. En la física clásica el sistema de referencia
es un Espacio Euclideo de tres dimensiones donde cualquier posición
puede ser descrita mediante tres coordenadas cartesianas. El
espacio también puede ser entendido como la estructura que define un conjunto
de relaciones espaciales entre objetos, e impide y acota el contacto entre sus
elementos. De aquí que el espacio actúe como receptáculo para
la existencia de los objetos, y permite el movimiento y la dinámica física.
El espacio-tiempo describe las formas fundamentales
de existencia de la materia. Las propiedades del espacio-tiempo se
clasifican en:
Métrica: extensión y duración.
Topológica: dimensión,
continuidad, conexidad, orden y dirección.
Al igual
que la masa hay que responder a la pregunta como y con que unidad se mide la
longitud. A esto, el Sistema Internacional señala que la unidad de
longitud es el metro, y está definida en base a la distancia que recorrida la
luz durante un tiempo específico.
Desde el punto de vista filosófico, las ideas de
Demócrito, subyacen en las teorías newtonianas de espacio absoluto y de tiempo
absoluto. Mientras que las ideas de Leibniz, en donde el espacio, el
tiempo y los objetos están relacionados entre sí, están presentes en la Teoría
de la Relatividad de Einstein.
Espacio Relativista y Cuántico
De acuerdo a la Teoría de la Relatividad Especial, la longitud de un
cuerpo disminuye a medida que su rapidez aumenta, tendiendo a cero cuando la
rapidez del cuerpo se aproxima a la rapidez de la luz.
La Teoría de la
Relatividad General señala que la gravedad está relacionada con la
curvatura del espacio. Para entender mejor este enunciado,
consideremos el siguiente experimento mental: Supongamos que vivimos en un
mundo de dos dimensiones, es decir, en un espacio sin profundidad. Cuando
no existe materia alguna el espacio es plano; si coloquemos ahora una estrella
debajo de nuestro universo plano, debido a la atracción gravitatoria que
produce la masa de la estrella, el espacio se curva en la vecindad de la
estrella.
En la
física cuántica, se tiene la imposibilidad de conocer con exactitud y simultáneamente la posición
y la velocidad de una partícula; esta limitación está dada por la desigualdad
de Heisenberg. Por otra parte, en el micromundo las partículas no
siguen trayectorias bien definidas, por lo que no es correcto asignarle una
trayectoria a una partícula; lo más que podemos es decir que hay una
determinada probabilidad de que la partícula se encuentre en una posición más o
menos determinada.
El Universo en Expansión
La Teoría de la Relatividad General de Einstein,
publicada en 1917, que trata sobre la naturaleza de la gravitación que rige en
el universo, predecía que el espacio-tiempo había de estar en expansión. Fue
en 1922, cuando el
físico ruso Alexander Friedmann demostró que no se podía esperar que el
universo fuese estático. Sus ecuaciones sugerían los dos conocidos modelos de
Friedmann: el universo abierto y el universo cerrado. El universo
abierto, implica que se amplía por siempre, durante un tiempo infinito. Cuando
todas las estrellas se agoten, el universo crecerá frío y en oscuridad; a esta
última fase del universo es a la que se le denomina la muerte
térmica del universo. En la teoría del universo cerrado, se
sostiene que después de alcanzar un valor límite de expansión, el universo
empezará a contraerse hasta que la materia se derrumba dentro de una
singularidad, en la que los físicos denominamos el Big Crash (Gran
Contracción).
La comprobación
experimental de la expansión del universo, la dio, en 1929, el astrofísico
estadounidense Edwin Hubble. Después de localizar e identificar
diferentes galaxias, observó que se alejaban de nosotros con rapideces
proporcionales a sus distancias. Esta observación tenía
implicaciones perturbadoras: el universo no es estático, y en tiempos
anteriores los cuerpos celestes habían de estar más próximos; por lo que en el
“tiempo cero”, el universo estaba totalmente concentrado.
En 1948, el físico ruso George Gamow planteó que la
formación del universo pudo realizarse a partir de una gran explosión. El
modelo del Big Bang, sostiene que el universo comenzó a
existir bruscamente, hace unos 15 000 millones de años, en una gigantesca
explosión. La expansión que hoy observamos no es sino un
vestigio o rastro de la explosión inicial. En aquel instante,
la materia estaba concentrada en un estado de densidad y temperatura
infinitas; desde entonces, el universo va perdiendo densidad y temperatura.
El modelo de Gamow predecía la existencia de una
radiación cósmica de fondo, producto de la energía remanente del Big Bang que
dio origen al universo. Esta radiación postulada teóricamente en
1948, fue detectada por primera vez por el físico alemán Arno Penzias y el
físico estadounidense Robert Wilson en 1964.
Las estrellas fabrican, a partir del hidrógeno, los
elementos químicos mediante reacciones nucleares que tienen lugar en el curso
de su evolución. Esta teoría da como resultado la abundancia para
cada elemento que concuerdan con las observaciones, excepto en el caso del
helio. Mientras la predicción de la abundancia del helio es de 3 %,
las mediciones de este elemento en el universo están en el orden de 25
%. La pregunta inmediata es ¿De donde ha salido el exceso de helio
del universo? La respuesta la da el Modelo del Big Bang, en donde
señala que en un inicio la densidad y la temperatura era lo suficientemente
elevadas que facilitó la síntesis del helio.
TIEMPO
El tiempo es la duración de las cosas
sometidas a cambio, por lo que permite medir su variación. De aquí,
que posibilita ordenar los sucesos en secuencias, estableciendo un pasado, un
presente y un futuro; expresando el orden de mutación de los fenómenos.
En física clásica, el tiempo es una variable
que hay que añadir al espacio, para poder situar con precisión cualquier objeto
y su movimiento. Eso está de acuerdo con la concepción del filósofo
alemán Immanuel Kant, que establece el espacio y el tiempo como necesarios para
cualquiera experiencia humana.
Así como la
masa y la longitud, en el Sistema Internacional también establece el tiempo
como magnitud fundamental; donde su unidad es el segundo, la cual está definida
como un numero de veces específico del tiempo que dura la transición energética
entre dos niveles del átomo de cesio 133.
Tiempo Relativista
En la Teoría de la
Relatividad el tiempo depende del observador. El tiempo medido
por un observador en reposo de un evento en movimiento, aumenta a medida que la rapidez aumenta, tendiendo a infinito cuando la rapidez del
evento se aproxima a la rapidez de la luz. Esta teoría, considera el tiempo
como una dimensión espacial adicional, por lo que el concepto con que
se trabaja es el de espacio-tiempo.
Supongamos que dos hermanos gemelos uno se queda en
la Tierra, mientras que el otro realiza un viaje al espacio en una nave que se
mueve a rapidez próxima a la de la luz. Si después de unos años de
viajar por el espacio el gemelo astronauta regresa a la Tierra. ¿Habrá
trascurrido el tiempo igual para los dos? ¿Qué hermano habrá
envejecido más? Ambos piensan que su otro hermano debe ser más
joven, ya que cada uno percibía que el otro era el que se estaba
moviendo. La solución a esta aparente paradoja está en que el piloto
de la nave tuvo que acelerar al salir de la Tierra y luego frenar para aterrizar en
ella, por lo que los dos sistemas no eran totalmente equivalentes. La
Teoría de la Relatividad señala que el que ha estado sujeto a los cambios de
velocidad, su tiempo ha trascurrido más lentamente. Por lo
tanto el gemelo astronauta será más joven que el que ha permanecido en la
Tierra.
Experimentalmente se ha comprobado que, cuando se
sincronizan dos relojes de gran precisión, y uno de ellos se somete a un viaje
a gran velocidad en un avión; al retorno del avión, se detecta su reloj está
ligeramente retrasado con respecto al que se quedó en tierra.
La Dirección del Tiempo
El Segundo Principio de la termodinámica, (según el
filósofo francés Henri Bergson, la más metafísica de las leyes de la
física), al señalar que en los sistemas aislados la entropía aumenta,
proporciona un criterio para decidir la orientación temporal. El
físico austriaco Ludwig Boltzmann, sostenía que la reversibilidad no se da no
por ser absolutamente imposible, sino porque es altamente improbable. El
aumento de la entropía nos permite distinguir entre el pasado y el
futuro. Este hecho se conoce como “flecha termodinámica del
tiempo”.
A partir del estudio de los sistemas alejados
del equilibrio, algunos autores, como el físico ruso Ilya Prigogine, han
destacado el carácter esencialmente irreversible del tiempo, de forma que dicha
irreversibilidad no depende solamente de la pequeñísima probabilidad de que un
suceso que genera mayor entropía pueda darse a la inversa, sino que el carácter
direccional del tiempo y su irreversibilidad le son propias. En este
contexto se sitúan también las investigaciones sobre el caos, que permiten explicar fenómenos de
autoorganización a partir de sistemas sin estructuras aparentemente definidas.
Los sistemas que disipan
energía, son irreversibles y evolucionan hacia el desorden. Lejos del
equilibrio la materia desarrolla nuevas propiedades: sensibilidad a influencias
del entorno, posibilidad de estados múltiples y se crean nuevos estados
irreversibles.
Nuestro universo es el resultado
de una transformación irreversible y proviene de otro estado físico, no del
vacío cuántico. La transformación del espacio-tiempo en materia, en
el momento de la inestabilidad del vacío, corresponde a una explosión de
entropía, a un fenómeno irreversible.
Si se hace una analogía entre
los sistemas físicos y los sociales, se podría plantear que: cuando los
sistemas sociales se encuentran en crisis, se hacen más sensibles a influencias
externas, se crean múltiples posibilidades de evolucionar a otras situaciones
también de crisis o autorreguladas, pero todas estas posibilidades serán
siempre irreversibles.
Noción del Tiempo
Para concluir, podemos
señalar que existen diversas posibilidades de entender y percibir el tiempo,
entre las que podemos señalar las siguientes:
Tiempo físico: Es el tiempo medido
utilizando como referencia el movimiento periódico de cuerpos. El
tiempo físico puede ser: clásico, relativista, irreversible y/o caótico.
Tiempo sicológico: Es aquel en donde el
aburrimiento hace que los eventos parezcan más lentos, o que el deleite de una
situación nos hace sentir que el tiempo transcurre rápidamente.
Tiempo fisiológico: Es el dependiente de las
modificaciones del cuerpo y de sus actividades vitales durante el transcurso de
nuestra existencia. A medida que envejecemos nuestro reloj
biológico se hace más lento, por lo que los eventos exteriores nos parecen más
rápidos, de aquí que percibamos que los días y los años pasan
rápidamente. Debido a que la infancia y adolescencia son periodos de
crecimiento, nuestro reloj interno va más de prisa; causando que nuestra
sensación de los eventos los percibamos lentamente. Es tal vez por
esta razón que nuestros recuerdos de adulto son básicamente de nuestra infancia
y adolescencia, ya que éste periodo de la vida llenó predominantemente nuestra
memoria.
Tiempo metabólico: Es la generalización
del tiempo fisiológico a todos los seres vivos. Bajo este enfoque,
la percepción del tiempo de todos los animales está relacionado con su
metabolismo. Mientras más acelerado sea el metabolismo de un animal,
más lento le parecerá los sucesos a su alrededor. Estas ideas están
relacionadas en el hecho de que la frecuencia de los
latidos cardiacos de los animales (la cual es proporcional a su metabolismo) es
inversa a sus vidas medias. De aquí que es probable que los 2 años
de vida de un ratón, o los 12 años de vida de un perro, sea experimentados por estas especies con la misma duración
con que un humano percibe 80 años.
Un hecho que podría
contribuir a sustentar el concepto de tiempo metabólico, es que el número medio
total de latidos cardiacos de todos los mamíferos es aproximadamente el mismo. Los mamíferos tenemos, en
promedio durante toda nuestra vida, 1 500 millones de latidos. Algunos
animales agotan sus 1 500 millones de latidos en menos tiempo que otros, sin
embargo, es probable que la sensación del tiempo de vida para todos sea el
mismo.
BIBLIOGRAFÍA
1. Bergson, H.
(1973). La Evolución Creadora, Editorial Espasa-Calpe,
España.
2. Chamil, C.
(2001). Luz Interior. Editorial Metatemas. México.
3. Flores, E.; Moreno, E. y Rosales, N. (2006). Ciencias
Físicas o Filosofía de la Naturaleza. Producciones Científicas,
Panamá.
4. Prigogine, I.
(1991). El Nacimiento del Tiempo. Editorial
Tusquets, Barcelona.
5.
Hawking, S. (2005). Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros. Editorial Crítica,
Madrid.
El
PanamáAmérica / Opinión / 10 de febrero 2015
EINSTEIN y
sus luchas
Eduardo Flores Castro
Catedrático de la Universidad de Panamá
Tras estallar
la Primera Guerra Mundial, Albert Einstein y su amigo Georg Nicolai redactaron
un manifiesto en donde se hacía un llamado a unir fuerzas en demanda de una paz
justa y la construcción de una Europa unida.
Sólo cuatro intelectuales más firmaron el documento.
En la década
de 1930, periódicos señalaron que Einstein tramaba algo perverso para
desacreditar a la ciencia alemana con su “estúpida relatividad”. Algunos científicos alemanes señalaron que la
Relatividad era el “bolchevismo de la física” y una “matemática judía”.
Por otra parte en Moscú se señalaba que la Relatividad era “un
producto de la clase burguesa en descomposición”. Un semanario decía en su editorial: “No
podemos censurar el hecho de que los obreros sean seducidos por Marx, cuando
los profesores alemanes se dejan engatusar por Einstein”.
Einstein era
insultado y amenazado por personas que aguardaban frente a su casa. Muchos judíos de Berlín se sentían molestos
con él, ya que lo único que deseaban era ser silenciosamente asimilados por la sociedad
alemana.
A los 50 años,
presentó la Teoría del Campo Unificado. Esta teoría, que nadie entendía, desató
una controversia religiosa. El reverendo
Howard señaló que Einstein estaba demostrando lo esbozado por San Pablo: “todas
las cosas son una sola cosa”. El
Cardenal O´Connell
refiriéndose a su teoría dijo: especulación nebulosa, que produce una duda
universal acerca de Dios y de su creación”.
El Osservatore Romano en un editorial indicó:
“Se trata de un auténtico ateísmo, aun cuando está camuflado bajo el aspecto de
panteísmo cósmico”. El rabino Goldstein
le preguntó: ¿Cree usted en Dios? A lo
que Einstein respondió: “Creo en el Dios de Spinoza, que se revela a sí mismo
en la armonía de todo lo que existe, no en un Dios que se interesa por el
destino y las acciones de los hombres”. La
revista judía Reflex, señaló: “El spinozismo de Einstein a los ojos de las
personas piadosas, es peor que el franco ateísmo; es pura blasfemia”.
En esta época
señaló: “Si solamente el 2 % de los asignados para el servicio militar
anunciasen su decisión de negarse a combatir, los gobiernos serían
impotentes. No se atreverían a enviar a
la cárcel a un número tan grande de personas”.
Denuncia que la falta de protesta enérgica, de las naciones, contra
Japón por la agresión contra China, se debe a que ellas “persiguen ciertos
propósitos para su propio provecho miserable y temporal y no quieren subordinar
sus fines egoístas al bienestar y prosperidad de la sociedad en su conjunto”.
Por otra parte, la señora Frothingaham, presidenta de la
Corporación Patriótica de Mujeres, protestó con su grupo ante el Departamento
de Estado de E.U.A, señalando que Einstein estaba “afiliado a un mayor número
de grupos anarquistas y comunistas que el propio José Stalin”. En esta época, recibe cartas coléricas de judíos
en donde lo culpaban por la represión contra ellos. Sobre esto él señaló: “La situación de
Alemania demuestra lo que sucede cuando la gente no se manifiesta contra el
mal”.
En 1949 publicó un artículo bajo el título "¿Por qué el
socialismo?" en el que reflexiona sobre la historia y las consecuencias de
la "anarquía económica de la sociedad capitalista". En una entrevista televisiva señaló: “Dentro
de los Estados Unidos, un tremendo poder financiero está concentrándose en las
manos de los militares. La juventud está
siendo militarizada, y la lealtad de los ciudadanos, particularmente la de los
civiles, está siendo meticulosamente inspeccionada por una fuerza policíaca que
va siendo cada día más poderosa. Se está
molestando a personas de ideas políticas independientes. Se está adoctrinando
sutilmente al pueblo por medio de la radio, la prensa y las escuelas. Bajo la presión del secreto militar, el
margen de la información pública se va restringiendo más y más”.
En 1952, le
ofrecen la presidencia del estado de Israel.
Entre las razones que dio para no aceptar el ofrecimiento fue: “Difícil
situación que se suscitaría si el gobierno o el parlamento determinara
decisiones que pudieran crear un conflicto con mi conciencia”.
Frente al proceso inquisidor liderado por el senador McCarthy,
cuya consigna era: “Raspad a un intelectual y encontraréis a un comunista”,
señaló que: “Todo intelectual que es citado ante una de las comisiones debería
negarse a declarar; es decir, debería estar preparado para la cárcel y la ruina
económica, en suma, al sacrificio de su bienestar personal en el interés del
bienestar cultural de su país”. Además,
añadió: “Vine a Estados Unidos porque oí que en este país existía una gran libertad. Cometí un error al elegir Estados Unidos como
una tierra de libertad, y es un error que en el balance de mi vida ya no puedo
compensar”.
Albert Einstein debe ser para todos un modelo de ciudadano. Así como él lo hizo, debemos luchar por el
derecho a la libertad, a hablar sin temor, a escoger a nuestros representantes
sin miedo a represalias, y sobre todo debemos manifestarnos contra las
injusticias, la prepotencia y el autoritarismo.
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