LAS NUEVAS CIENCIAS DEL COSMOS TEXTO UNIVERSITARIO JORGE BARBA GONZÁLEZ TERCERA EDICIÓN 2007-2008 Las Nuevas Ciencias del COSMOS Copyright © 2006 por Jorge Barba González Registrado en U.S. Library of Congress, U.S.A. y protegido por las Leyes de Propiedad Intelectual. Todos los derechos son reservados. Impreso en la República del Ecuador. Ninguna parte de este libro puede ser usada o copiada en ninguna forma sin permiso escrito del autor. E-mail:
[email protected] Las Nuevas Ciencias del Cosmos INDICE Prólogo Agradecimientos El hilo conductor Capítulo 1. Capítulo 2. Capítulo 3. Capítulo 4. Capítulo 5. Capítulo 6. Capítulo 7. Capítulo 8. Capítulo 9. EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO LOS ORÍGENES EL ORDEN DEL UNIVERSO ENERGÍA DEL ORDEN AL DESORDEN EL ÁTOMO LA GRAN INCERTIDUMBRE ESPACIO-TIEMPO SIMETRÍA, LA SINFONÍA CÓSMICA 9 12 14 17 47 71 87 111 127 145 163 179 197 225 249 271 Capítulo 10. COSMOLOGÍA Capítulo 11. LAS NUEVAS CIENCIAS Capítulo 12. MÁS ALLÁ DEL FUTURO GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS 3 Investigación y Contenidos: JORGE BARBA GONZÁLEZ Edición Gráfica: Diseño, Diagramación JOSÉ IGNACIO QUINTANA J. CAMILA KHALIFÉ PONCE Corrección de estilo ANA MARÍA CUESTA 4 Las Nuevas Ciencias del Cosmos CONTENIDO Indice Contenido Prólogo Agradecimientos El hilo conductor 1. EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO Introducción El conocimiento científico El Renacimiento René Descartes Leonardo da Vinci Francis Bacon Galileo Galilei Isaac Newton Gottfried Wilhelm Leibniz Charles Darwin Albert Einstein El pensamiento sistémico y complejo del S. 2I Las revoluciones científicas y tecnológicas La ciencia moderna 3 5 9 12 14 17 19 19 20 21 23 24 25 27 29 31 33 34 34 Las características de la vida Condiciones indispensables para la vida 63 64 El Homo Sapiens Los simios El cerebro y la inteligencia Características humanas Antropocentrismo Desarrollo humano 65 65 66 66 67 68 Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 70 3. EL ORDEN DEL UNIVERSO Introducción El diseño del universo La cosmología Espacio y tiempo La estructura del cosmos 71 72 73 74 75 El Nacimiento de la mecánica Aristóteles Galileo Galilei Rapidez Velocidad Aceleración 75 75 76 77 77 77 ¿Qué es la ciencia? ¿Qué requisitos debe cumplir la ciencia? Características de la ciencia ¿Qué es la tecnología? 35 36 36 38 Las leyes de Newton La primera ley La segunda ley La tercera ley La gravitación universal Peso y gravedad 77 78 79 79 80 80 El método científico Las seudo-ciencias Seudociencias de la mente Mentalismo Parapsicología Psicoanálisis Seudociencia económica Ideologías 38 39 39 40 40 41 41 43 ¿Qué es la realidad? Las ciencias y la realidad La realidad relativa 81 82 83 Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 86 Ciencia y religión Mapas conceptuales 43 43 Bibliografía. Preguntas de repaso Preguntas de reflexión 44 45 4. ENERGÍA Introducción Del calor a la energía El Sol es una estrella Las racciones nucleares dentro del Sol Radiaciones solares La energía del Sol 87 87 87 89 89 89 2. LOS ORÍGENES Introducción El origen de la ciencia El pensamiento científico en Grecia Tales de Mileto Pitágoras Euclides Demócrito Epicuro Platón El cosmos de Aristóteles 47 48 49 49 50 51 51 52 52 54 ¿Qué es la energía? El mundo de la energía El concepto de energía 90 91 91 Tipos de energía La energía potencial La energía cinética Trabajo Potencia James Watt Energía de las ondas La energía de la masa Transformaciones de energía 92 92 93 93 93 94 94 95 96 El origen del universo El Big Bang La inflación La evolución del universo La evolución de la vida ¿Cómo comenzó la vida? ¿Qué es la vida? Las bio-moléculas Las primeras células 56 57 58 58 58 59 60 62 62 Primera Ley de la termodinámica La conservación de la energía La dieta alimenticia y las calorías El calor Transferencia de energía 96 96 96 97 98 5 Conducción Convección Radiación 98 98 99 Los isótopos La energía del núcleo Transmutaciones de elementos 134 134 135 Ondas electro-magnéticas Transferencia de energía por medio de ondas Las ondas electromagnéticas El éter y la luz La energía electromagnética El espectro electromagnético Energías del futuro Agotamiento de los recursos energéticos 99 99 99 99 100 100 101 101 Los elementos químicos La tabla periódica de elementos 136 136 La estructura atómica Fotones Líneas espectrales 137 138 138 La energía atómica La bomba atómica Reacciones en cadena Los reactores nucleares 139 141 142 142 Generación de energía Energía de combustibles fósiles Energía nuclear Fisión nuclear Fusión nuclear Energía hidráulica Energía eólica Energía geo-térmica Energía solar Energía de la biomasa El combustible hidrógeno La pila de combustible Tiempo y energía 102 103 103 103 104 104 105 105 106 106 106 106 107 Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 144 7. LA GRAN INCERTIDUMBRE Introducción Historia de la mecánica cuántica El comienzo Radiación del cuerpo negro Max Planck El efecto fotoeléctrico La vieja teoría cuántica El principio de exclusión de Pauli 145 146 147 147 148 149 150 150 Ondas o partículas La dualidad onda/partícula Las ondas piloto Ondas de materia 151 152 152 153 Ciclo de la energía Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 109 110 5. DEL ORDEN AL DESORDEN Introducción Historia La máquina de vapor Sadi Carnot William Thomson (Lord Kelvin) Rudolph Clausius Ludwig Boltzmann La nueva teoría cuántica 111 112 112 113 114 114 116 Mecánica matricial La ecuación de onda La interpretación probabilística La ecuación de Dirac El principio de incertidumbre 153 153 154 155 156 156 Los cuantos Medidas y observaciones Dualidad onda-partícula La doble ranura Determinismo clásico Incertidumbre cuántica ¿Qué es la realidad física? 157 158 158 159 160 160 161 Entropía y termodinámica Estructuras complejas y disipativas Los principios de la Segunda Ley El flujo del calor Eficiencia de las máquinas Sistemas cerrados 116 116 117 118 119 119 Consecuencias de la Segunda Ley La dirección del tiempo El tiempo y la termodinámica 120 120 121 Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 162 La termodinámica de la economía La energía del hidrógeno Contabilidad y termodinámica 122 122 123 8. ESPACIO-TIEMPO Introducción El principio de la relatividad Geometría y cosmología El sistema del mundo de Newton El principio de relatividad de Galileo El éter La transformación de Lorenz 163 164 164 164 165 166 166 Las limitaciones del universo La muerte La muerte térmica 123 124 124 Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 126 Relatividad especial El principio de relatividad de Einstein Principio de relatividad especial Principio de constancia de la velocidad de la luz Espacio y tiempo de Minkowski El espacio-tiempo de Einstein Dilatación del tiempo La energía y la masa 167 167 167 168 168 168 169 169 6. EL ÁTOMO Introducción El átomo de los griegos 127 127 La teoría atómica moderna La complejidad de los átomos La radiactividad El interior del átomo Los cuantos de Planck y el átomo de Bohr 128 129 130 130 132 El núcleo atómico 133 La relatividad general La revolución de Einstein 170 170 6 Las Nuevas Ciencias del Cosmos El espacio curvo Consecuencias de la teoría general Pruebas de la relatividad 170 171 172 Newton Los grandes telescopios 206 207 Las soluciones de la relatividad La solución de Schwarzschild La solución de Friedmann El huevo cósmico de Lemaitre Oppenheimer y el colapso gravitatorio Paradojas de la relatividad 173 173 173 174 175 175 Ley de Hubble Cosmología moderna El Big Bang Fundamentos teóricos de este modelo La constante cosmológica La expansión La Inflación La radiación de fondo Ideas equivocadas 208 209 209 210 210 210 211 212 212 El pensamiento de Einstein Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 175 178 Geometría del universo 9. SIMETRÍA, LA SINFONÍA CÓSMICA Introducción La simetría en las leyes físicas ¿Qué es simetría? Emmy Noether Simetría en el espacio y el tiempo Cambios de escala La conservación y la simetría Reflexiones en el espejo Antimateria La simetría gauge 212 213 213 179 179 180 181 182 183 183 184 184 184 El principio cosmológico Tipos de materia El universo primitivo Nacimiento de las estrellas Secuencia principal de las estrellas La muerte del Sol La astrofísica La muerte de las supernovas Las estrellas de neutrones Los agujeros negros 213 214 215 215 216 217 217 218 La evolución del universo La aceleración del universo Materia y energía oscuras Las grandes incógnitas La energía negativa Universos paralelos ¿Qué son los universos paralelos? 218 218 219 219 219 220 220 Teoría electro-magnética Electricidad estática La simetría de Coulomb Los campos eléctrico y magnético Magnetismo y electricidad Faraday Las simetrías de Maxwell Espacios con mayores dimensiones 185 185 186 187 187 188 188 189 Bibliografía. Preguntas de repaso Preguntas de reflexión 223 224 Las partículas elementales El modelo estándar El maestro del quark Las cuatro fuerzas fundamentales 189 190 190 190 11. LAS NUEVAS CIENCIAS Introducción Visión histórica El tiempo irreversible El paradigma determinista El contexto cartesiano El paradigma de complejidad 225 226 227 227 227 228 La teoría de cuerdas El espín Supersimetrías Las supercuerdas La gran unificación ¿Qué aspecto tienen estas dimensiones? La predicción de la gravedad ¿Cuál es el principio fundamental de la ciencia? 191 192 192 193 193 194 194 194 La ciencia de la complejidad ¿Qué es la complejidad? El caos Las nuevas ciencias 229 229 230 230 Fundamentos teóricos 196 ¿Cómo puede el orden generarse del caos? Un nuevo idioma Los problemas globales Las estructuras vitales El cambio de paradigmas Principios fundamentales 231 232 232 232 233 233 234 Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 10. COSMOLOGÍA Introducción Historia Eudoxo y Aristóteles Aristarco Tolomeo Copérnico Brahe Kepler Galileo 197 197 199 200 200 201 202 203 205 El Principio de complejidad ¿Cómo entender la complejidad? Las teorías de sistemas Cuadro jerárquico de sistemas Los modelos dinámicos Las eco-ciencias La complejidad y la sociedad 234 234 235 236 236 238 238 El principio de emergencia 239 7 La emergencia del orden Las colmenas de abejas La democracia de los idiotas El superorganismo La reglas de la emergencia 239 239 240 240 241 El principio de auto-organización Las organizaciones El éxito de las organizaciones El patrón de organización Las redes El concepto de autoorganización 242 242 242 243 243 243 El Principio de co-evolución La evolución La co-evolución La ciencia de la ecología La ecología profunda 244 244 244 245 246 Bibliografía. Preguntas de repaso Preguntas de reflexión 247 248 12. MÁS ALLÁ DEL FUTURO Introducción El futuro de la vida Los límites de la Tierra El cuello de botella Los problemas de la naturaleza El fin de la naturaleza ¿Cuánto vale la naturaleza? ¿Qué podemos hacer? 249 250 250 251 251 252 253 253 Las Civilizaciones del Futuro Tipos de civilizaciones Tipo 0 Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Freeman Dyson El surgimiento y colapso de las civilizaciones El colapso del uranio El colapso ecológico La edad de hielo y los asteroides La muerte del Sol y de la Vía Láctea 254 255 255 255 256 256 256 257 257 258 258 259 El Futuro del universo Agujeros negros y de gusanos La máquina del tiempo Universos paralelos o multiversos El final de todo La entropía de la muerte Escape por el hiper-espacio 259 259 260 261 262 262 262 El futuro de la ciencia La realidad Espacio-tiempo La materia La simetría Supersimetría La energía La complejidad Principios físicos y la matemática La gran unificación El futuro 263 263 263 264 264 264 265 265 266 266 267 Bibliografía, Preguntas de repaso Preguntas de reflexión 269 270 Glosario de términos científicos 271 8 Las Nuevas Ciencias del Cosmos PRÓLOGO La ciencia contemporánea es una empresa demasiado compleja para que le convenga alguna de las fórmulas simples imaginadas por filósofos tradicionales o por especialistas científicos. MARIO BUNGE E s realmente preocupante advertir el rezago que tiene la ciencia en los currícula de las universidades del mundo entero, con muy pocas excepciones. Tan poca importancia se le da a la ciencia que los estudiantes en general, incluyendo los de las carreras técnicas, tienen poco o ningún conocimiento y nociones claras de la ciencia cuando egresan de los establecimientos de educación superior. A los estudiantes no se les dota de herramientas intelectuales adecuadas para que puedan convertirse en ciudadanos de un mundo en donde la ciencia y la tecnología llevan la batuta para el desarrollo de la humanidad. No adquieren conocimientos de lógica, ni de las matemáticas, ni del lenguaje científico necesario para poder funcionar debidamente en este mundo del siglo XXI. Dice Bunge, en su libro La Ciencia, “que la filosofía de la ciencia es menospreciada al punto que no se le considera deseable para los cursos de filosofía; aun más, está arrinconada en el plan de estudios vigente en la mayor parte de instituciones universitarias. Se cree vulgarmente que la ciencia no tiene problemas filosóficos importantes y que sólo es una máquina para buscar datos y resolver problemas cotidianos.” Hasta ahora en muchas instituciones de educación superior se cree que la ciencia no forma parte del núcleo de la cultura moderna, por esto el nivel científico en Latinoamérica es muy bajo, aunque esta situación está cambiando en algunos lugares. Hay un notable déficit de ingenieros, científicos, matemáticos, físicos, biólogos, químicos, psicólogos y sociólogos bien educados, con buenas bases científicas que contribuyan al desarrollo de la región. Este texto pretende aliviar, por lo menos en parte, estas deficiencias y falencias. El desarrollo de la ciencia comenzó cuando la humanidad buscó la verdad del cosmos a través de la razón. El paso fundamental en este proceso fue desarrollado por los antiguos griegos que concibieron la posibilidad de comprender y explicar los procesos naturales por medio de la mente humana, no sólo por medio de la mitología y las creencias en los dioses del Olimpo. Este camino del conocimiento en búsqueda de la verdad que es la ciencia, se inicia con Tales, Pitágoras, Demócrito, Epicuro y la física de Aristóteles hace más de dos mil años. La búsqueda de explicaciones a los fenómenos naturales y del cosmos requiere de muchas inteligencias trabajando juntas durante largo tiempo. El verdadero desarrollo científico comienza con Copérnico, Kepler, Galileo y Newton hace más de cuatrocientos años. Su gran aporte fue el de imponer una nueva visión del cosmos y de la ciencia al introducir los procedimientos experimentales para elaborar las teorías y promover las dudas a todo lo que no puede ser probado y verificado experimentalmente. El biólogo francés Joel de Rosnay expresa en su libro El Macroscopio, “que con el telescopio hemos logrado ver lo infinitamente grande, con el microscopio podemos ver lo infinitamente pequeño y que tenemos que crear el macroscopio para ver lo infinitamente complejo en las sociedades y en la naturaleza.” Este texto contiene un capítulo dedicado a las nuevas ciencias de la complejidad para ayudar a concebir el macroscopio, que nos ayudará a crear una visión grandiosa del futuro científico de la humanidad en el siglo XXI. La razón de este texto es por tanto, promover en las universidades la enseñanza de las ciencias para con ésta y otras acciones necesarias, salir del marasmo del subdesarrollo mental en que están relegados la mayor parte de los ciudadanos del mundo. Como decía Einstein, uno de los científicos y pensadores más importantes del siglo XX: “La preocupación por el hombre mismo y su destino debe ser el interés prioritario en todos los esfuerzos por lograr avances técnicos….con el fin de que todas las creaciones de nuestra mente sean una bendición, y no una maldición para la humanidad.” 9 Este texto pretende, además, resaltar los nuevos adelantos de las aplicaciones de la ciencia en la tecnología. La biotecnología está realizando verdaderos avances con la clonación, la producción de medicinas espectaculares, de plantas resistentes a ciertas enfermedades, etc. También se están desarrollando muy rápidamente la miniaturización y las nanotecnologías, pronto vamos a tener computadoras cuánticas en las que los transistores estarán hechos de pocos átomos y se logrará igualar el número de transistores a la cantidad de neuronas en los cerebros. La falla más crasa en los modelos economicistas, comenzando por el de Malthus, fue no considerar la verdadera magnitud del impacto que tendría la tecnología en el mundo moderno. Por esta razón, la buena educación tiene que convertirse en el elemento vital para el desarrollo humano en el siglo XXI. Los avances que los distintos estados y comunidades puedan hacer en el campo educativo van a determinar, con toda seguridad, la condición de su desarrollo o de su subdesarrollo. Estos avances son indispensables para disminuir el crecimiento demográfico, que es sin duda, uno de los problemas más graves de este siglo. Ya se están produciendo verdaderas olas de migración de los países pobres a los más ricos. Estos procesos se incrementarán cada vez más en proporción al aumento de la pobreza y al desempleo en ciertas partes del tercer mundo. Sin los adelantos científicos y tecnológicos será imposible contar con suficientes puestos de trabajo y alimentos para reducir la pobreza y mitigar estas situaciones. En el campo de la energía veremos los cambios e innovaciones más importantes de las fuentes energéticas alternativas, de las nuevas energías no contaminantes y de la tecnología del siglo XXI. El aumento de la eficiencia de los motores y los ahorros de combustibles mantendrán la demanda de hidrocarburos relativamente constante. Ya están circulando los nuevos modelos de híbridos con motores eléctricos y a gasolina, así como los de pilas de hidrógeno que sustituirán lentamente a los tradicionales. El cambio climático y el resto de problemas ambientales son situaciones muy apremiantes a las cuales hay que darles mucha atención e inteligencia, para lograr los consensos internacionales necesarios que nos permitan lidiar con estas situaciones. Las redes de información global ya permiten enfocar estos problemas y buscar posibles soluciones; es así como ya se están investigando alternativas para disminuir los efectos devastadores de los huracanes y del cambio climático, usando los nuevos conocimientos de la complejidad y el caos. Estas redes también han permitido incrementar la creatividad e innovación a nivel planetario, por medio de las computadoras distribuidas por todo el planeta que permiten realizar tareas que antes eran impensables, como por ejemplo, monitorear a los grandes asteroides y cometas que algún día pueden estrellarse contra nuestro planeta causando catástrofes terribles. El intercambio de información es el mecanismo más importante para el desarrollo de la ciencia y la tecnología y fomentará el desarrollo y la creación de riquezas en todos los estados y comunidades del planeta, que estén debidamente preparados para aprovechar estos componentes de la cultura humana. En las encuestas que se hacen a nivel mundial entre las personas que lideran las instituciones y organizaciones más importantes de la sociedad, se descubre que una de las principales preocupaciones es la de entender cómo se pueden manejar los cambios que ahora se presentan con enorme rapidez e intensidad. Parafraseando a Carl Sagan podemos decir que “nos hallamos inmersos en un brebaje infernal de violencia étnica, religiosa y de terrorismo; con dirigentes políticos ineptos, con una cultura y educación inadecuadas que producen idiotas especializados en grandes cantidades, con familias disfuncionales, exceso de población y estados que causan una degradación ambiental nunca antes experimentada; por esto, es más urgente que nunca comprender las ciencias y sus aplicaciones tecnológicas para salir del lío en que nos hemos metido.” (Sagan, Pag.12) Espero que la visión del futuro que se proyecta en este texto ayude a formar a nuestros estudiantes como los científicos, pensadores, profesionales, líderes y ciudadanos que se 10 Las Nuevas Ciencias del Cosmos requieren en el siglo XXI, ciudadanos del mundo que sepan los fundamentos de la ciencia y que puedan pensar de manera crítica, global y local para, de esta manera, resolver los problemas complejos que nos sobrecogen. Sólo con una visión integradora, con inteligencia, conocimientos, creatividad y usando los principios científicos y tecnológicos para el bien y el desarrollo de todos, se podrán encontrar las nuevas soluciones a los problemas del desarrollo sostenible. Ojalá de esta manera podamos evitar el colapso ecológico y el del uranio, para convertir nuestro hogar en el universo, en una de las culturas galácticas que necesitamos para el futuro. (Ver capítulo doce) Para esto es necesario analizar en detalle la historia de la evolución del pensamiento y de la ciencia; se dice que la ciencia nace de la curiosidad de los individuos por saber y entender algún fenómeno natural, pero también ha sido indispensable una gran capacidad de asombro para diferenciar lo que es banal de lo que es elegante, grandioso y bello. Estas cualidades de los filósofos y científicos fueron las que permitieron el desarrollo de las civilizaciones modernas. 11 AGRADECIMIENTOS E ste texto se inició cuando yo tenía doce años y mi padre, José Julio Barba Zaldumbide, me preguntó qué regalo quería para Navidad; yo le contesté: “libros de física”. Me compró seis libros para principiantes que para mí fueron el inicio de un viaje interminable hacia un mundo maravilloso, desconocido y fascinante al mismo tiempo. Con estos libros comencé a recorrer el camino para entender la realidad del mundo físico. Casi inmediatamente me di cuenta de que no podía entender la física si no comprendía el álgebra, la geometría analítica y el cálculo y me propuse estudiar estos temas solo, pero si bien algunas cosas podía entender, otras no, por lo que le pedí a mi madre, Mercedes González Tobar que me ayude y ella contrató a mi profesor de matemática, el Señor Aguilar, para que me enrrumbe en estos temas. De esta manera poco a poco fui captando la belleza y elegancia que tienen las matemáticas y las ciencias; a mis padres y a mi profesor, todo mi agradecimiento. Terminé el colegio con la ilusión de estudiar física y matemáticas, lastimosamente en esa época no se ofrecían estos estudios en las instituciones de educación superior. Decidí entonces probar con la ingeniería, pero me decepcionaron tremendamente las clases preparatorias de los primeros años por lo aburridas y superficiales hasta que, por una coincidencia del destino, el gobierno alemán me concedió una beca para la Universidad Técnica de Munich (TUM). Mi llegada a Alemania Occidental en 1964 fue llena de sorpresas. Yo había salido una vez de Ecuador hacia Estados Unidos pero la cultura europea y el idioma fueron mis primeros retos que los fui absorbiendo como por ósmosis. En la TUM los cursos fueron una verdadera revelación: me sumergí en los conocimientos científicos y tecnológicos de la electrodinámica, de las matemáticas superiores y de los desarrollos tecnológicos basados en las teorías atómica y cuántica que, como veremos en el texto, en gran medida se iniciaron a principios del siglo XX en esta región del mundo y me quedé desde ese entonces enamorado de las ciencias, de sus grandes pensadores y del mundo de las ideas científicas. Cuando me gradué, mis profesores me sugirieron que haga el doctorado, pero como ya tenía esposa e hijo, me incliné por aceptar una oferta de los laboratorios de investigación más importantes de Alemania para trabajar allí y de esta manera me vinculé con la investigación científica y tecnológica. Estaré siempre agradecido con todos aquellos que me ayudaron y permitieron que viva mi experiencia europea; especialmente a mis profesores de la TUM. Cuando regresé al Ecuador realicé un viaje en el tiempo, pero hacia el pasado; volví 50 años atrás y encontré que mis conocimientos científicos y tecnológicos adquiridos no eran aplicables y peor valorados en este medio. Después de un año de buscar trabajo comencé a trabajar vendiendo computadoras en 1973. Después de un par de años, cuando trabajaba en una de las empresas comerciales más grandes de Ecuador, nos propusimos traer al país una mini computadora que por ese entonces habían aparecido en Estados Unidos; pronto nos enteramos que el software que estaba disponible para estos equipos no permitía manejar terminales remotas, por lo que viajé al valle del Silicón en California y con un grupo de maestros del software comenzamos a desarrollar un nuevo idioma de programación y un sistema operativo que funcionaron muy bien durante muchos años. Esta fue otra oportunidad muy importante y por eso mis agradecimientos a todos aquellos que me permitieron adquirir estas experiencias. Un buen día, durante un cumpleaños de mi hermana Carmen, me encontré con el entonces Ministro de Finanzas del Ecuador, quien me propuso que vaya a trabajar con él como Subsecretario Técnico para poner en funcionamiento los sistemas de computación y realizar la contabilidad gubernamental y el control en las aduanas; luego fui Subsecretario Forestal en el Ministerio de Agricultura y este fue el comienzo de otro viaje por la realidad del mundo de la política, de la ecología, de la economía, de lo social y de lo complejo, que eran para mí totalmente desconocidos. Mis agradecimientos a todos aquellos que me brindaron la oportunidad de ampliar mis visiones y comprensión de la complejidad. Este periplo terminó en 1996 cuando ingresé como profesor a la Universidad San Francisco de Quito (USFQ), proyecto en el cual había colaborado desde sus inicios con Santiago Gangotena González y ahora me enorgullece poder afirmar que es una de las mejores universidades del Ecuador y de Latinoamérica. En la USFQ volví a mis sueños de la infancia, las ciencias, ya que Santiago había concebido la idea genial de crear seminarios socráticos para todos los alumnos que ingresan a la USFQ, en 12 Las Nuevas Ciencias del Cosmos los cuales se discute con los estudiantes las principales ideas de las ciencias, de la filosofía e historia de las civilizaciones. Obviamente, el seminario que más me interesó fue el llamado Cosmos que trata sobre las ciencias y me propuse, desde un principio, motivar a mis estudiantes para que compartan conmigo el asombro, la belleza y la elegancia de las ciencias para, de esta manera, acercarnos al conocimiento de la realidad del universo que nos rodea. Por esto mis agradecimientos para la USFQ y especialmente para Santiago. Inicialmente estos seminarios eran muy informales y resultaba problemático realizar diálogos y debates interesantes con los estudiantes, ya que éstos llegan a la universidad con un gran desconocimiento de las ciencias, por lo que consideré importante darle alguna estructura al seminario y empecé a redactar poco a poco algunos temas; así fue naciendo un borrador del texto de ciencias. Hace poco tiempo se comprobó que la mayoría de los estudiantes no estaban satisfechos con la forma en la que se desarrollan estos seminarios y con Carlos Montúfar-Barba empezamos a trabajar en el contenido de este curso que es el mismo de este texto; por estos y otros motivos mis agradecimientos para Carlos y los seminarios socráticos. Quiero además agradecer a todos mis estudiantes de la USFQ que me motivaron para investigar estos temas tan importantes e interesantes del pensamiento científico y que fueron quienes, en definitiva, me indujeron a escribir este texto. También deseo agradecer a mis colegas empezando por Ángel Villablanca, quien leyó y corrigió todo el texto y redactó las preguntas de repaso para cada capítulo; a Miguel Vásconez, quien me asistió en un curso, leyó el texto y me ayudó con las preguntas para reflexión de cada capítulo; a Alexis Hidrob por su ayuda con el glosario. A Gilda Gallardo y a todos los que me ayudaron a componer el texto y a María Fernanda de Serrano, Patricia López y Andrea Montalvo, mis asistentes. Finalmente a mi familia, que tuvieron durante tantos años la paciencia para tolerar mis lecturas de cientos de libros científicos, de los grandes pensadores y divulgadores de la ciencia; ellos son los verdaderos autores de este texto; los errores son sólo míos. JORGE BARBA CUMBAYÁ, SEPTIEMBRE 2007 13 EL HILO CONDUCTOR Most people…..think of what physicist do as questions of incredible complicated calculations, but that’s not really the essence of it. The essence of it is that physics is about concepts. Wanting to understand the concepts, the principles by which the World works. EDWARD WITTEN L os temas principales que se tratan en este texto son la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Los hilos conductores de este texto son varios, como veremos a continuación. Dice arriba Edward Witten, uno de los físicos más innovadores y creativos del siglo XX, que “lo más importante en la física y en las ciencias en general son los conceptos; éstos son aún más importantes que los cálculos matemáticos, ya que si no se comprenden los significados de las ecuaciones, éstas de poco nos sirven.” Las ecuaciones en este texto son explicadas en palabras, no hay fórmulas matemáticas y en cada caso se definen los conceptos y significados de las ecuaciones. De esta manera se van formando hebras cada vez más sofisticadas y complejas que forman la madeja de la ciencia moderna. Perceptos y conceptos. Los perceptos son el producto de la percepción, que consiste en tratar de entender la realidad por medio de la observación detenida e inteligente. Como decía el gran filósofo alemán Nietzsche, “hay que tener una enorme paciencia al observar las cosas, hay que mirarlas detenidamente de todos los ángulos y condiciones.” Solo así se puede entender las verdades que están ocultas detrás de nuestros prejuicios y malos entendidos. Luego los perceptos se convierten en conceptos cuando son depurados y elaborados por la razón y los conocimientos previos. Ideas y principios. Los conceptos se convierten en ideas cuando son procesados, verificados experimentalmente y refinados por la razón. Las ideas son presentadas a las comunidades y sociedades de científicos y pensadores y cuando son publicadas y aceptadas por una cierta mayoría se pueden convertir en principios, que son ideas formuladas de una manera más precisa y práctica. Teorías y leyes. Cuando las ideas y principios han pasado por un largo proceso de verificación y experimentación, que confirman la validez de los principios, éstos se pueden convertir en teorías; a su vez, las teorías, cuando durante un largo período de tiempo han sido probadas y encontradas en todos los casos válidas, se convierten en leyes científicas. Sistemas e interconexiones. Los sistemas son conjuntos de elementos interrelacionados, que tienen límites bien definidos y que pueden o no intercambiar energía, materia e información con el entorno o con otros sistemas. En el mundo moderno se habla mucho de sistemas y en el texto, este es uno de los temas recurrentes, de modo que vamos a estudiar en profundidad estos conceptos y sus interconexiones. Coherencia y sindéresis. En la ciencia debe existir coherencia entre las distintas formas de ver y entender la realidad del universo en que habitamos. Gracias a nuestra conciencia e inteligencia nos embarcamos desde hace mucho tiempo en esta búsqueda eterna de conocimientos, para lo cual debemos ser coherentes; esto significa entre otras cosas, que las nuevas teorías no descartan automáticamente a las viejas, a menos que las anteriores hayan sido erradas e incorrectas. Por ejemplo, las ideas de Copérnico de que la Tierra gira alrededor de su eje y alrededor del Sol, dejaron sin fundamento a las teorías geocéntricas de Aristóteles y Ptolomeo. La teoría de la Relatividad de Einstein, no descarta a las leyes de Newton, éstas se aplican cuando las velocidades no son cercanas a la velocidad de la luz. Debemos además tener sindéresis, es decir la habilidad para juzgar correctamente su validez, el rango y las condiciones en que ciertas teorías son aplicables para descartar aquellas que no lo son. Complejidad y sencillez. Los sistemas reales que se presentan en la naturaleza, en las sociedades, en las comunidades de individuos, en el cosmos y en general en la realidad son extremadamente complejos. Todo el edificio científico es muy difícil de entender, por eso se requiere tanto estudio y preparación para llegar a comprender solo una pequeñísima parte de esta enorme estructura que crece cada vez más rápido. Las leyes científicas son extremadamente complejas, pero cuando se descubren ciertos criterios o formulaciones especiales, pueden reducir su com14 Las Nuevas Ciencias del Cosmos plejidad y aparecer muy sencillas, como veremos en el texto. Simetría y geometría. La simetría es una de las cualidades más extraordinarias de las formulaciones y condiciones en que se desenvuelve la ciencia. Todo el capítulo nueve trata sobre la simetría en la ciencia, especialmente en las leyes de la física, que no cambian cuando están sujetas a modificaciones. Lo más curioso es que, cada vez que se detectan simetrías, aparecen leyes que nos indican que se conservan ciertas condiciones como la materia y la energía. La geometría es otro de los elementos fundamentales en la idea de la ciencia, ya que para entender el mundo y la realidad tenemos que ubicar las cosas en un espacio y un tiempo determinado. El espacio que conocemos es aquel de las tres dimensiones y del tiempo. Ahora los nuevos descubrimientos nos revelan que existen siete dimensiones adicionales, que suponemos son tan pequeñas que nunca podremos verlas. El momento que funcionamos en un universo con muchas dimensiones, vemos que las leyes se simplifican y aparecen en formas extraordinariamente sencillas y elegantes. Elegancia y belleza. La elegancia y la belleza son parte fundamental del hilo conceptual de la ciencia. No se puede concebir una teoría que sea desagradable y abiertamente fea, en estos casos sabemos que algo anda mal. Por ejemplo, en las teorías científicas cuando se obtienen resultados absurdos como cantidades infinitas, se sabe inmediatamente que algo anda mal; al contrario, cuando algo tiene una belleza extraordinaria, entonces aún cuando no lo podemos probar, hay la sensación de que estamos en el camino correcto y que algún día se descubrirá la manera de probar estas teorías tan interesantes y elegantes como veremos en el texto. La belleza se define en el diccionario como: “la propiedad de las cosas que nos hace amarlas”, esto es lo que sucede con las teorías científicas elegantes; tienen una belleza interior y matemática que, para los que se dan el trabajo de estudiarlas y entenderlas, es suficiente para amarlas. Los subtemas que se tratan en los doce capítulos son: 1. EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO: cómo se desarrolló el conocimiento científico, qué es la ciencia, el método científico y cuáles son las pseudo-ciencias. 2. LOS ORÍGENES: el origen de la ciencia en la antigua Grecia, el origen del universo, la evolución de la vida, qué es la vida, el Homo Sapiens y la complejidad del cosmos. 3. EL ORDEN DEL UNIVERSO: el diseño del universo, el nacimiento de la mecánica, las leyes de Newton y sobre qué es la realidad. 4. ENERGÍA: el calor y la energía, qué es la energía, tipos de energía, la primera ley de la Termodinámica, las ondas electromagnéticas y la generación de energía. 5. DEL ORDEN AL DESORDEN: la historia de la termodinámica, la entropía, las consecuencias de la segunda ley, la termodinámica y la economía y las limitaciones del universo. 6. EL ÁTOMO: la teoría atómica moderna, el núcleo del átomo, los elementos químicos, la estructura atómica, la energía atómica y la bomba atómica. 7. LA GRAN INCERTIDUMBRE: la historia de la mecánica cuántica, las ondas o las partículas, la nueva teoría cuántica y los cuantos. 8. ESPACIO-TIEMPO: el principio de relatividad, la relatividad especial, la relatividad general, las soluciones de la relatividad y el pensamiento de Einstein. 9. SIMETRÍA, LA SINFONÍA CÓSMICA: la simetría en la ciencia, la teoría electromagnética, las partículas elementales y la teoría de cuerdas. 10. COSMOLOGÍA: la historia de los conceptos sobre el Universo, la ley de Hubble, la cosmología moderna, la geometría del universo, el universo primitivo y la evolución del universo. 11. LAS NUEVAS CIENCIAS: las nuevas ciencias de la complejidad y el caos, su historia, los fundamentos teóricos, el principio de complejidad, el de emergencia, el de auto-organización y el de co-evolución. 12. MÁS ALLÁ DEL FUTURO: el futuro de la vida, las civilizaciones del futuro, el futuro del universo y el futuro de la ciencia. GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS: contiene cientos de definiciones y explicaciones de los principales términos, conceptos, ideas, teorías y leyes de la ciencia. 15 La ciencia, por Alen Lauzan Falcon Fuente: http://tbn0.google.com/images?q=tbn:9YfkToblTjfaGM:http://www.cagle.com/artists/Lauz an/small/ciencia_espircopy-01.jpg 16 Las Nuevas Ciencias del Cosmos EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO 1 El hombre intenta hacerse una imagen simplificada e inteligente del mundo, en la forma que mejor le conviene; luego intenta sustituir este cosmos propio por el mundo de la experiencia y así lo supera. ALBERT EINSTEIN INTRODUCCIÓN E l quehacer esencial de la ciencia es observar y percibir el mundo para tratar de entenderlo por medio del proceso de descubrir ideas o relaciones que luego se convierten en preceptos, conceptos, hipótesis, teorías y leyes científicas cuando son verificadas con la experiencia y la realidad. El investigador científico explora la realidad y trata de descubrir los misterios que ésta contiene, pero esto no es suficiente, la ciencia es mucho más que simplemente investigación. La ciencia no es una mera acumulación de descubrimientos, datos y mediciones como veremos más adelante. No es suficiente con medir extensamente ciertos fenómenos, sino que hay que diseñar y construir instrumentos, para por medio del método científico y la razón, establecer las hipótesis, teorías y demás explicaciones de la realidad del cosmos. Se considera también en la lexicología popular que ciencia es lo que hacen los científicos, lo que es en realidad una tautología, es decir, una definición usando lo que se está definiendo; que la ciencia son todas las actividades empíricas, es decir, experimentales, pero se olvida a menudo que hay ciencias que no son experimentales como las matemáticas y la lógica. Según Mario Bunge, el conocimiento humano se divide en dos grandes campos: “el de las creencias, que incluye las ideologías, religiones, ideas políticas y las seudociencias; y el campo de la investigación, que incluye las humanidades, las ciencias formales como la matemática y la lógica, las ciencias puras, las ciencias aplicadas y las tecnologías”. El campo de la investigación está en constante cambio y evolu- ción, mientras que el de las creencias es constante y permanente. En este capítulo vamos a estudiar la historia y el desarrollo de las ciencias y del pensamiento científico. Vamos a definir debidamente lo que es la ciencia y sus diferencias con la tecnología y con las seudociencias. Bunge dice: “Mientras los animales inferiores están en el mundo, el hombre trata de entenderlo… En este proceso, construye un mundo artificial; ese creciente cuerpo de ideas llamado ciencia”. Algo muy interesante de este proceso llamado ciencia, es que hemos descubierto que somos capaces de comprender muchas cosas grandiosas y pequeñas; pero no todo lo comprendemos. Es decir, hemos determinado el alcance de nuestras posibilidades intelectuales y los límites de nuestra capacidad de percibir y entender. Tenemos una enorme capacidad de asombro al contemplar la grandeza de los misterios aparentemente infinitos, que se van develando paulatinamente ante nuestras mentes. Con toda razón el filósofo romano de origen ibérico, Séneca, expresa: “Nuestro universo sería una cosa muy limitada si no ofreciera a cada época algo que investigar... La naturaleza no revela sus misterios de una vez para siempre... Muchos son los descubrimientos reservados para las épocas futuras, cuando se haya borrado el recuerdo de nosotros”. Pero lo maravilloso de todo este viaje por los conocimientos científicos, es que el ser humano es una especie que, gracias a su enorme curiosidad, ha desarrollado el asombro necesario para admirar y reconocer lo que nos rodea. Hemos descubierto que la naturaleza es comprensible para nuestro intelecto, que podemos entender gran cantidad de cosas, talvez la mayoría, pero no todas. Además, que una creación humana como es la matemática, nos permite describir de una manera precisa y exacta los fenómenos naturales que podemos observar. Dice Carl Sagan que: “el único lugar normal es el vacío vasto, frío y universal, la noche perpetua del 17 Capítulo 1 espacio intergaláctico...” En esta inmensidad se hallan esparcidas por doquier miles de millones de galaxias, cada una de ellas contiene miles y miles de millones de estrellas y cada una de estas estrellas puede tener varios planetas. Se afirma que hay más galaxias en nuestro universo que granos de arena en la Tierra. Sabemos que hay una enorme posibilidad de que exista vida en la inmensidad del cosmos, lo que es menos probable es que esas formas de vida hayan alcanzado un nivel de vida inteligente, igual o superior al nuestro. Sin embargo, de lo que sí estamos absolutamente seguros es que en una galaxia de mediano tamaño, a la cual llamamos Vía Láctea, existe un planeta denominado Tierra, en el cual se presenta vida inteligente y consciente. La Vía Láctea contiene cerca de 400 mil millones de estrellas que forman una galaxia de tipo espiral. De toda esta inmensidad de estrellas, sólo conocemos relativamente bien a una: nuestro Sol. Hay muchas cosas maravillosas que podemos descubrir, simplemente mirando el cielo en una noche despejada y alejados de las luces de las ciudades. Desde la antigüedad los astrólogos y astrónomos pasaban sus vidas mirando y tratando de interpretar lo que veían en el cielo. Una de las maravillas del cielo nocturno despejado es poder admirar el brazo de Orión de la Vía Láctea, nuestra galaxia en todo su esplendor. Nuestros antepasados RESUMEN notaron que los cuerpos celestes, como los planetas, se mueven lenEL CONOCIMIENTO CIENTIFICO tamente. Los antiguos griegos los llamaron caminantes o trashumantes La Emergencia de la Comprensión que es lo que significa en griego planeta. El hombre intenta hacerse una imagen Cada cultura ha tenido razones profundas para observar el cielo simplificada e inteligente del mundo en la forma que mejor le conviene; y plantearse preguntas sobre el origen, significado, razón de ser, luego intenta sustituir este cosmos pasado y futuro del Cosmos. Los intentos de los científicos por trapropio por el mundo de la experiencia y así lo supera. tar de entender el universo, han dado lugar al desarrollo de una ALBERT EINSTEIN nueva ciencia que se denomina cosmología; para lograrlo fue nece• El conocimiento humano se divisario la conjunción de numerosos esfuerzos científicos a fin de asode en dos grandes campos: ciar los conocimientos y descubrimientos de ciencias como la ter• El de las creencias: que incluye modinámica, hidrodinámica, astronomía, física atómica, física nuclelas ideologías, religiones, ideas poar, física de las partículas elementales y relatividad entre otras. Todo líticas y las seudociencias esto con el objeto de conformar la base de la cosmología moderna • Y el campo de la investigación y que actualmente se conoce como astrofísica. que incluye las humanidades, las ciencias formales como la mateEn cualquier ciencia moderna necesitamos desarrollar modemática y la lógica, las ciencias pulos de la realidad para poder entender la enorme complejidad del ras, las ciencias aplicadas y las tecnologías. cosmos y de la naturaleza. Solamente con estos modelos que se han desarrollado desde la antigüedad, ha sido posible entender poco a La Ciencia • Dice Bunge: la ciencia se nos poco, la enormidad de los cielos y el universo. En un principio estos aparece como la más deslumbrante modelos eran bastantes simples, pero explicaban algunas cualidades y asombrosa de las estrellas de la cultura….. como los movimientos extraños de los planetas. Como veremos más adelante, el modelo de Ptolomeo con sus epiciclos del primer siglo • La grandeza es verdaderamente deslumbrante si consideramos los d.C., es un ejemplo de ello. En ese entonces se consideraba que la enormes misterios que la ciencia Tierra era el centro del cosmos conocido, de modo que el Sol y el nos ha permitido reconocer y entender resto de planetas, así como las estrellas, giraban a su alrededor. Dice Bunge que: ...la ciencia se nos aparece como la más deslumbran• Es asombrosa si tomamos en cuenta que hemos logrado penetrar en los más recónditos lugares, dentro de las partículas atómicas y en el principio del tiempo y el espacio. te y asombrosa de las estrellas de la cultura… La grandeza es verdaderamente deslumbrante si consideramos los enormes misterios que la ciencia nos ha permitido reconocer y entender. Es asombrosa si tomamos en cuenta que hemos logrado penetrar en los más recónditos lugares, dentro de las partículas atómicas y en el principio del tiempo y del espacio.” También hemos sido capa- ces de reconocer las limitaciones humanas para penetrar cada vez más profundo, tanto en lo microscópico como en lo macroscópico. La grandeza de la ciencia es inseparable de los límites a los que puede llegar el intelecto humano. En su obra El Ascenso del Hombre, Jacob Bronowski dice: “El hombre es una criatura singular, con dones muy especiales que lo hacen único. El ser humano es el modelador de la naturaleza y de los pai- 18 Las Nuevas Ciencias del Cosmos sajes, por medio de su creatividad. No se encuentra circunscrito a ningún ambiente específico como el resto de animales, aún teniendo menos habilidades como velocidad o fuerza para sobrevivir. Su habilidad más importante es su inteligencia y el poder de adaptación a los cambios ambientales y culturales”. El ascenso del hombre es uno de los mejores relatos de la evolución cultural de la humanidad y del desarrollo de la técnica, la ciencia, el arte y el pensamiento. (Bronowski Pag. 19) Bronowski añade además: “El hombre asciende al descubrir los alcances de su potencial. La superioridad de la humanidad se produce al entender y adaptarse al medio en que vive. Para la humanidad es muy importante el placer que le proporcionan sus habilidades y destrezas, así, cuando descubre las herramientas, éstas se constituyen en el elemento indispensable para remodelar a la naturaleza y construir las civilizaciones en que vivimos”. Una de las primeras civilizaciones que sentaron los fundamentos de la ciencia fue la griega antigua; su influencia fue enorme en el desarrollo posterior que se produjo principalmente con el Renacimiento en Europa de la segunda mitad del siglo XIV. Durante el período de formación de la ciencia debemos fijarnos en el pequeño puñado de pensadores griegos y en su contribución a la revolución intelectual. En consecuencia, tenemos que darle todo el crédito a las figuras helénicas más importantes, comenzando por Tales de Mileto, Pitágoras, Demócrito, Epicuro sin olvidarnos del más grande y prolífico pensador de la antigüedad: Aristóteles, que veremos en el siguiente capítulo. EL CONOCIMIENTO CIENTÍFICO El cosmos de Aristóteles es perfectamente regular, él se imaginaba a la naturaleza como un organismo racional y comprensible. Los helénicos desarrollaron el pensamiento lógico y el método para aplicarlo fue la geometría euclidiana. Luego de la caída del Imperio romano en el siglo IV d.C., los escritos e ideas de Aristóteles se perdieron en Europa; sólo regresaron a través de los árabes y de la escuela de traductores de Toledo, establecida por Alfonso el Sabio en el siglo XI, donde se traducían los libros más remarcables de la antigüedad a los cuatro idiomas más importantes de ese entonces: griego, latín, árabe y hebreo. En la Edad Media se produjeron pocos adelantos en la ciencia, más que nada estos ocurrieron en los pueblos árabes, que fueron los que los introdujeron nueRESUMEN vamente en Europa. No es verdad que nada se hizo al respecto, pero El Conocimiento Científico es evidente que fue muy poco lo que se avanzó en esta época, con • El Cosmos de Aristóteles es peruna duración de casi mil años a partir de la caída del imperio romafectamente regular, como un orno. Después de la Edad Media aparece el pensamiento crítico y el ganismo racional y comprensible método científico. El conocimiento científico moderno se empieza • Los helénicos desarrollaron el a desarrollar sistemáticamente a partir del Renacimiento. pensamiento lógico y el método • Después del siglo IV d.C, los esExisten discrepancias acerca de cuando se empezó a usar el tércritos e ideas de Aristóteles se mino Renacimiento. Quienes se ocupan del arte y la literatura difieperdieron en Europa. ren con los que se ocupan de política, sociología, filosofía y ciencia. Vasari fue probablemente el primero en acuñar la palabra rinascita, o renacimiento. En esta época, “Europa emerge de la Edad Media en la que primó el pensamiento escolástico, desarrollado más que nada por El Renacimiento para aplicarlo fue la geometría euclidiana representantes religiosos. A medida que Europa surge de la Edad Media, la vida mejora y la literatura, la pintura y el progreso de las ideas empiezan a adquirir importancia.” Los principales factores que removieron a la Europa de la Edad Media son: Primero, el hallazgo de antiguos manuscritos, muchos de ellos introducidos por los árabes y traducidos en Toledo de su lengua original. Estos libros proporcionaron a los intelectuales del Renacimiento acceso directo a las obras del pensamiento clásico. Segundo, fue la invención de los tipos móviles de la imprenta con Gutenberg en la ciudad de Maguncia en Alemania. Este invento escencial para la difusión de la cultura permitió que el libro sea accesible a muchísimas personas y pasó a ser el instrumento fundamental de la educación en Europa y otras regiones del mundo.Tercero, fue la creación de una serie de universidades en el siglo XIII en distintas partes de Europa, empe19 Capítulo 1 zando en París como una comunidad de profesores y en Bolonia como una comunidad de estudiantes; luego el proceso se replicará en otras ciudades europeas. Con el Renacimiento y la Reforma protestante se produce una crisis en la concepción medieval del mundo, y ciertas universidades lentamente empiezan a aceptar el humanismo y la ciencia que renace nuevamente. De esta manera “en Florencia se concentra la más grande colección de obras de la humanidad, que muy pocos podían leer, pues muchas estaban en griego antiguo. Por esta razón, en 1428, se crea en Florencia una comisión para impulsar una serie de cambios en el sistema de enseñanza, introduciendo nuevamente las lenguas antiguas en el currículo de las escuelas y universidades.” El Renacimiento fue la antítesis de la Edad Media: se desarrolló la innovación y la inventiva, lo que produjo un período de gran creatividad que desembocó en la gestación de la ciencia moderna. Atkins afirma que: “la ciencia es la apoteosis del espíritu del renacimiento, un extraordinario monumento al espíritu humano y al poder de comRESUMEN prensión del insignificante El Renacimiento cerebro humano.” (Atkins, En la Edad media primó el pensamiento escolástico religioso Los cambios para el Renacimiento se inician con: • La Escuela de Traductores de Toledo Figura No. 1 - 1 Imprenta de la época. Fuente: http://www.biografiasyvidas.com/monografia/gutenberg/imprenta.htm Pag. 4) Para tener una idea del desarrollo de la ciencia a partir del Renacimiento, es conveniente pasar revista a los aportes de los personajes más destacados desde esa época hasta nuestros tiempos. • La invención de los tipos móviles de la imprenta René Descartes Este gran pensador nació en La Haye, región de Touraine, Francia, en 1596. De padres nobles y muy acomodados, nunca tuvo que trabajar en su vida. Con los jesuitas aprendió Latín, griego, matemática y filosofía escolástica. En la escuela Descartes llegó a la conclusión de que la única materia que valía la pena estudiar era la matemática; y ésta fue la pasión de toda su vida. Descartes es el pensador filosófico más reconocido como el iniciador de la filosofía moderna. • La creación de una serie de universidades europeas • La Reforma protestante, produce una enorme crisis y ciertas universidades aceptan el humanismo. “La importancia de sus pensamientos radica en que decidió pensar por sí mismo y no continuar con la Filosofía Escolástica, que afirmaba que todo lo importante ya había sido descubierto por autoridades como Aristóteles y Santo Tomas de Aquino.” En la época de Descartes, el conocimiento escolástico era una mezcla de hechos empíricos, mitos, ocultismo, dogmas religiosos y conjeturas desenfrenadas de la imaginación. Sin embargo, por esa misma época Copérnico escribe su tratado en el que prueba que el Sol está en el centro de nuestro sistema solar. Kepler descubre las órbitas precisas de los planetas. Bacon escribe sobre el método científico y su importancia para la humanidad y Galileo descubre las leyes del movimiento, desvirtuando los errores de Aristóteles. “Descartes fue el primero en revelar las leyes de la óptica al proponer que el ángulo de incidencia de la luz al reflejarse en una superficie es igual al de reflexión. Pensó que toda la materia se hallaba formada por corpúsculos minúsculos pero infiFigura No.1 - 2 René Descartes. Fuente: http://www.daviddarling.info/images/Descartes.jpg 20 Las Nuevas Ciencias del Cosmos nitamente divisibles, que toda la materia era extensión y por tanto no era posible la existencia del vacío ni de los átomos indivisibles.” Esta concepción de la materia resulta muy interesante, ya que como veremos en los capítulos siguientes, sabemos que los átomos están formados de protones, neutrones y electrones y que los protones y neutrones están formados por tres quarks. “Descartes pensó que se debía desarrollar una nueva concepción de la ciencia, que sea metódica y sistemática y la comparó con un árbol en cuyas raíces son la metafísica, el tronco es la física, y en sus ramas están la astronomía, la filosofía, la alquimia, la geometría, la anatomía y la matemática.” Para él, no RESUMEN René Descartes • El conocimiento escolástico era una mezcla de empirismo, mitos, ocultismo, dogmas religiosos y conjeturas • Descartes pensó que se debía desarrollar la ciencia, metódica y sistemáticamente había mayor distinción entre lo que es ciencia y filosofía, pero estaba convencido de que la matemática era la estructura básica de todas las ramas del conocimiento. “Descartes fue el que inició la matematización del pensamiento científico moderno. Uno de sus aportes más importantes fue que concibió la importancia de investigar las causas que anteceden a los hechos, y no las causas finales, que para él eran un misterio de Dios.” “Pienso, luego existo” es la frase famosa del padre del pensamien- • El estudio debe formar juicios valederos y debemos estudiar solamente aquello que puede conocerse verdaderamente. El Método Cartesiano • Los problemas mayores deben dividirse en sus componentes y analizarlos separadamente y en forma matemática to moderno. En su primera obra filosófica, Reglas para la dirección de la mente, propone una serie de reglas sobre el razonamiento, que se pueden resumir en dos: “El objetivo del estudio es formar juicios valederos, y debemos estudiar solamente aquello que puede conocerse verdaderamente, y no sólo aquello que creemos que es verdad.” • Reducir el problema utilizando la geometría analítica a un conjunto de ecuaciones y números En los Ensayos de 1637 trata sobre óptica, meteorología y geometría, pero su obra más importante es el Discurso del método en la que condensó sus reglas para en forma adecuada manejar la razón y buscar la verdad en las ciencias. Descartes establece los siguientes preceptos: • Con el álgebra, solucionar las ecuaciones y obtener las respuestas a los problemas • Al terminar, debe avanzarse de lo simple a lo complejo verificando todo cuidadosamente. 1. No admitir como verdadera cosa alguna, como no supiese con evidencia que lo es; es decir, evitar cuidadosamente la precipitación y la prevención, y no comprender en mis juicios nada más que lo que se presentase tan clara y distintamente a mi espíritu, que no hubiese ninguna ocasión de ponerlo en duda. 2. Dividir cada una de las dificultades que examinare en cuantas partes fuere posible y en cuantas requiriese su mejor solución. 3. Conducir ordenadamente mis pensamientos, empezando por los objetos más simples y más fáciles de conocer, para ir ascendiendo poco a poco, gradualmente, hasta el conocimiento de los más compuestos, e incluso suponiendo un orden entre los que no se preceden naturalmente. 4. Hacer en todos unos recuentos tan integrales y unas revisiones tan generales, que llegase a estar seguro de no omitir nada. (Descartes, Pág. 26) Leonardo da Vinci Leonardo da Vinci (1452-1519) nació en la aldea de Vinci, cerca de Florencia. Fue hijo ilegítimo de Ser Piero, notario de Florencia, y por esta razón no pudo recibir una educación formal en las escuelas y universidades de Florencia. Creció con su abuelo y tío paternos, quienes lo educaron; a los diez años le enviaron al taller de Verrochio, quien en ese entonces era uno de los mejores escultores y pintores de Florencia. “Leonardo se convirtió en pintor, escultor, ingeniero, arquitecto, sabio y probablemente la persona más genial que ha existido en la humanidad y representa al nuevo hombre del renacimiento.” Leonardo está considerado como el genio más completo de la humanidad, a pesar de que no recibió ninguna educación formal en escuelas y universidades como vimos antes. En cinco años de labor pintó el cuadro más famoso del mundo, el retrato llamado la Mona Lisa que se exhibe en el Museo de Louvre, en París. Desarrolló una técnica de pintura llamada sfumato con la cual se pierden los bordes, diluye los contornos y las superficies, creando ambientes de gran belleza y poesía, como sucede en la naturaleza con los cambios de umbra a penumbra. Leonardo logra en el arte no sólo representar las formas y los sentimientos con una belleza inigualable, sino con una 21 Capítulo 1 luminosidad y transparencia increíbles; lo más importante es que logra ver a las personas, las plantas, el paisaje y los detalles como expresiones de la naturaleza. “Sus inventos y diseños de nuevos ingenios y máquinas son lo más extraordinario que la mente humana haya podido concebir, y que le dieron a la ciencia el sentido de la belleza en los detalles.” En la época en que vivió todavía dominaban la cultura de Europa, las ideas y la cosmología aristotélicas, por lo que Leonardo desconfiaba de todas las teorías. Había un desarrollo muy incipiente de la técnica y la tecnología, pero con el aporte de Leonardo, la técnica adquirió relevancia sustentada en la observación y percepción de los detalles indispensables. Sus trabajos al diseccionar cadáveres fueron la mejor manera de presentar de una manera espectacular y precisa los detalles exactos de los cuerpos y en las proporciones reales, es decir lo que es la Anatomía Figura No.1 - 3 Leonardo Da Vincii. Fuente: http://www.windows.ucar.edu/people/images/davinci.gif Humana. De esta forma Leonardo desarrolló el procedimiento para investigar los fenómenos naturales tomando en cuenta los detalles, midiendo, investigando y haciendo una serie de pruebas y experimentos para dar sustento y bases teóricas a las ideas, pensamientos, principios y teorías para aprender a pensar, desarrollar la inteligencia, las habilidades y destrezas humanas. “Planeó realizar publicaciones sobre perspectiva, anatomía, mecánica, pintura, cosmología, ingeniería militar; concibió nuevas máquinas como el submarino y los helicópteros, muchas de las cuales no llegó a realizar.” Publicó un Tratado de pintura en que demuestra su maestría en el uso del claro-oscuro. Sus dibujos son al mismo tiempo arte pero también tienen la precisión necesaria para la ciencia. Cuando fue a Francia realizó una serie de estudios de Arquitectura para castillos y fortificaciones. Parte fundamental del legado del maestro Leonardo son sus principios que en realidad constituyen el verdadero Código Davinci: Curiosidad. Es la actitud de percibir la naturaleza y la vida con una sed de conocimiento insaciable para aprender permanentemente. Sin la curiosidad y la capacidad de asombro, no es posible desarrollar la percepción, la ciencia y el arte como veremos en los capítulos siguientes. Leonardo conmina a los jóvenes a desarrollar estas herramientas, para que de esta manera puedan aprender eficazmente la ciencia y continuar su desarrollo. (Gelb, Pag. 53-83) Demostración. Consiste en poner a prueba los conocimientos a través de la experiencia y las demostraciones físicas. Se requiere, además, la persistencia necesaria para aprender de los errores. Sin las demostraciones y pruebas que se realizan por medio de los experimentos, no es posible verificar los conceptos y teorías de la ciencia. Este es el componente empírico de la ciencia, que permitió el desarrollo del método científico sin el cual no puede existir el avance de los conocimientos científicos, como veremos más adelante en este mismo capítulo. (Gelb, Pag. 85-103) Sensibilidad. Es el continuo refinamiento de nuestros sentidos, especialmente de la capacidad de observar, para reconocer, percibir y entender la realidad del mundo que nos rodea. La sensibilidad está íntimamente relacionada con la percepción, que es la capacidad de observar y entender lo que reconocemos de la realidad. La percepción es la base fundamental del desarrollo científico, como veremos en los siguientes capítulos de este texto, sin ella no es posible descubrir los secretos del Universo. (Gelb, Pag. 105-155) 22 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Complejidad. Consiste en la voluntad para reconocer y aceptar las paradojas, la ambigüedad y la incertidumbre que surgen de la complejidad del Universo. Hay que aprender a lidiar con la complejidad, el azar y todo aquello que no es preciso y bien delimitado. En el capítulo once, de Las Nuevas Ciencias, veremos como es posible lidiar con las ciencias de la complejidad y del caos. (Gelb, Pag. 157-179) Arte/Ciencia. Se trata del desarrollo del arte y la ciencia paralelamente, de lograr un cierto equilibrio entre la lógica y la imaginación; es aprender a usar ambos lados del cerebro. Este es un tema muy importante especialmente de las ciencias que se inician en el siglo XX, en que el concepto de la belleza pasa a formar parte fundamental de la ciencia. Hace casi seiscientos años Leonardo previó que estos dos importantísimos campos de la actividad y creatividad humana debían desarrollarse juntos. En el capítulo nueve veremos el tema de La Simetría, donde se explica sistemáticamente la importancia de la belleza y de la imaginación en la ciencia. (Gelb, Pag. 181-209) Corporalidad. Es el cultivo de la gracia, la ambidextraza, la coordinación de movimientos, del porte y de la imagen mental que tenemos de nosotros mismos. RESUMEN Estos conceptos que aparecen como aislados son en realidad parte Leonardo da Vinci fundamental de los sistemas de la vida, de la inteligencia y de la Sus principios son: ciencia. En el capítulo dos trataremos del Origen de la vida y de los • Curiosidad, es la actitud de perseres humanos, también llamados Homo sapiens o el hombre que cibir la naturaleza y la vida, con piensa y sabe. Sin un cuerpo que funcione no puede funcionar el una sed de conocimiento insaciable cerebro, que es el centro donde se realiza el pensamiento que pro• Demostración, consiste en poduce las ideas y conceptos que nos permiten desarrollar la ciencia. ner a prueba los conocimientos a (Gelb, Pag. 211-241) través de la experiencia Conexiones. Son el reconocimiento de las interconexiones de todos los elementos de los sistemas que conforman el Cosmos y nuestro planeta. Se trata de pensar en términos de sistemas y tratar de entender la complejidad del mundo moderno. El tema del pensamiento sistémico es parte fundamental del desarrollo de la ciencia moderna y lo tratamos en detalle en todos los capítulos del texto, pero especialmente en los capítulos once y doce. (Gelb, Pag. 243283) • Sensibilidad, es el continuo refinamiento de nuestros sentidos • Complejidad, consiste en la voluntad para reconocer y aceptar las paradojas, la ambigüedad y la incertidumbre • Arte/Ciencia, es el desarrollo del arte y la ciencia paralelamente, de lograr un cierto equilibrio entre la lógica y la imaginación • Corporalidad, el cultivo de la gracia, la ambidextraza, la coordinación de movimientos, del porte y de la imagen mental • Conexiones, son el reconocimiento de las interconexiones de todos los elementos de los sistemas que conforman el cosmos y nuestro planeta. Francis Bacon Francis Bacon nació el 22 de enero de 1561, el último hijo de Sir Nicholas Bacon, quien era el Lord guarda-sellos de la reina Isabel I. Ingresó en Cambridge a la edad de doce años, a los quince viajó a Francia como parte del séquito del Embajador inglés en ese país. Cuando regresó a los tres años por la muerte de su padre, continuó sus estudios de leyes y fue abogado de las cortes y luego miembro del Parlamento Inglés. “Desde muy pequeño Bacon se interesó por las ciencias, no tanto por la parte experimental, sino por la filosofía de la ciencia, es decir, la epistemología. Fue uno de los mayores promotores del desarrollo de la ciencia en su tiempo, al descartar los enfoques aristotélicos y escolásticos de la lógica deductiva por una nueva lógica experimental e inductiva. Fue el gran impulsador del método científico al decir que toda teoría tiene que someterse a los hechos, es decir, debe ser probada y verificada experimentalmente”. Decía Bacon que: “sobre la naturaleza sólo se triunfa obedeciéndola” y que “la experimentación, que convierte al hombre en el intérprete de la naturaleza, debe ser paciente y circunspecta”. Esta es una gran innovación y un salto cua- 23 Capítulo 1 litativo sobre las enseñanzas bíblicas que dicen que tenemos que dominar a la naturaleza. Bacon manifiesta que “debemos controlar nuestras experiencias, sensaciones y percepciones, ya que están sujetas a todo tipo de errores, prejuicios, ídolos, fantasmas, confusiones, terminologías y demás aberraciones que provienen de la tribu humana y de la tribu social” en la que habitamos, como encerrados en una caverna. En su libro The Advancement of Learning, Bacon aboga por “nuevos descubrimientos y sus aplicaciones a la vida diaria, no solamente con fines científicos”. Para lograr estos descubrimientos él propone organizar racionalmente la experimentación, “que debe sujetarse a un método que se fundamenta en la multiplicación de los experimentos y su examen por medio de tablas de presencia, de ausencia y de grados. Comprobando por medio de procedimientos adecuados si un fenómeno se relaciona o no con otros, estableciendo las causas y Figura No. 1 - 4- Francis Bacon. efectos en cada caso, pues la verdadera ciencia es la ciencia de Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Francis_Bacon.jpg las causas.” Luego de la experimentación realizada con precisión y firmeza “se obtendrá por inducción la ley general, no una simple inducción totalizadora que resume los datos obtenidos, sino una inducción amplificadora, que supera e interrelaciona lo alcanzado para lograr la formulación de teorías y leyes generales”. Bacon pide desarrollar el pensamiento crítico y sabio en todas las ocasiones, dice que “aquellos que no están dispuestos a aplicar nuevos remedios, deben esperar muchos problemas y dificultades”. Que hay que “sopesar las ventajas y desventajas y buscar lo que predomina y de esta manera tomar las mejores decisiones”. Su lema es investigar y discriminar. Afirma que “algunos libros son buenos para probarlos, otros hay que degustarlos y unos pocos deben ser masticados y digeridos”. Francis Bacon fue el gran impul- sador del desarrollo de la ciencia por medio de la experimentación, la observación y el pensamiento inductivo, creando una revolución contra la escolástica, las supersticiones y el aristotelismo medievales. Bacon es uno de los grandes impulsadores del método científico, que como veremos más adelante, es el pilar fundamental del desarrollo científico y tecnológico. (Bacon, Pag. 3-181) RESUMEN Galileo Galilei Dos grandes personalidades de la humanidad nacieron en 1564: Galileo en la ciudad italiana de Pisa y William Shakespeare en la ciudad inglesa de Stratford on Avon. Galileo era hijo de una familia culta florentina, estudió matemáticas y sus descubrimientos le hicieron famoso desde muy joven. Dice Bronowski que: “era un hombre pequeño, fornido, dinámico, pelirrojo y con bastantes más hijos de los que un soltero debe tener”. A los veinte y cinco años fue nombrado profesor de Bacon • Fue el gran impulsador del método científico • Decía que toda teoría tiene que someterse a los hechos • Que debe ser probada y verificada experimentalmente • Sobre la naturaleza sólo se triunfa obedeciéndola • Debemos controlar nuestras experiencias, sensaciones y percepciones matemáticas de la Universidad de Padua, probablemente por su enorme capacidad de innovación y su inventiva. (Bronowski, Pág. 198200) “Galileo consideró que para poder avanzar con el conocimiento científico era indispensable verificar las teorías experimentalmente y combinarlas con la lógica inductiva y el razonamiento deductivo matemático. Fue además el gran fundador de la dinámica, ciencia que estudia los cuerpos en movimiento.” En • Ya que éstas están sujetas a todo tipo de errores, prejuicios, ídolos, fantasmas, confusiones,terminologías y demás aberraciones que provienen de la tribu humana • Propone organizar racionalmente la experimentación, que debe sujetarse a un método. 1602 estableció las leyes de la caída de los cuerpos y del movimiento acelerado, usando un plano inclinado que le permitía medir el tiempo con mayor precisión, ya que los cuerpos caen más lentamente usando este instrumento. Veremos estos conceptos y las leyes del movimiento acelerado en 24 Las Nuevas Ciencias del Cosmos detalle en el capítulo tres sobre El Orden del universo. “Cuando Galileo vio una lámpara que colgaba de la bóveda de la Catedral de Pisa y notó que las oscilaciones tenían la misma duración, decidió aplicar el péndulo a los relojes para medir el tiempo. También inventó el termómetro y un compás militar, que en realidad es una especie de regla de cálculo.” En 1609 ciertos pulidores de lentes holandeses que habían desarrollado un catalejo primitivo de pocos aumentos, trataron de venderlo en Venecia, pero Galileo, que estaba al servicio de la República de Venecia y que era probablemente el mejor científico e inventor de este tiempo, lo desarrolló logrando convertirlo en un verdadero telescopio llegando hasta treinta aumentos. Con esto pudo observar claramente la superficie de la Luna, las lunas de Júpiter y los anillos de Saturno, las manchas en el Sol y en 1612 construyó el primer microscopio y publicó en Venecia su libro: Siderus Nuncios o el mensajero celeste sobre estos descubrimientos que causaron sensación en las cortes de Europa y entre los navegantes y comerciantes. Figura No. 1 - 5 Galileo Galilei. Fuente: http://www.thuisexperimenteren.nl/science/galileo/galileo.jpg “En 1638 descubrió que la trayectoria de los proyectiles sigue una curva de tipo parabólica e hizo el enunciado del principio de inercia y las leyes para el cálculo de las velocidades del movimiento uniforme y acelerado.” Veremos más sobre estos desarrollos en el capítulo tres sobre el Orden del universo. “Descubrió la ley de los vasos comunicantes, las relaciones de las frecuencias del sonido con las cuerdas vibrantes y la resonancia de las ondas estacionarias del sonido.” Fue tan extraordinaria la capacidad y el ingenio de Galileo que pronto había un numeroso grupo de envidiosos que lo denunciaron a la Inquisición por enseñar las doctrinas de Copérnico con relación al movimiento de la Tierra alrededor de su eje y alrededor del Sol. “Galileo era una persona muy ingenua en cuanto se refiere a los asuntos políticos, religiosos y a los prejuicios de esa época. En 1633 Galileo fue llevado a Roma para ser juzgado como hereje por la publicación de Diálogo sobre los dos Máximos Sistemas del Mundo, Tolomeico y Copernicano.” En este libro declaró que el sistema heliocéntrico no era simplemente una hipótesis, sino que era la verdad y afirmaba que: “Yo considero que en las discuciones sobre los problemas físicos deberíamos partir no de la autoridad de los pasajes bíblicos, sino de las experiencias de los sentidos y de las demostraciones necesarias...” Luego afirmó que “las fuerzas de los cielos son las mismas que las de la Tierra, con lo que los jueces de Roma declararon este sistema como absurdo al mismo tiempo que herético.” En veinte días Galileo fue obligado de rodillas Galileo RESUMEN • Para poder avanzar con el conocimiento científico, es indispensable verificar las teorías experimentalmente y combinarlo con la lógica inductiva y el razonamiento deductivo matemático • Aplicó el péndulo a los relojes, inventó el termómetro y el compás proporcional a abjurar de su obra y de la concepción copernicana y fue condenado a prisión en su casa de Arcetri, cerca de Florencia. El resultado fue el silencio de los católicos y la revolución científica se trasladó al norte de Europa. Galileo se dedicó a escribir su último libro Las Nuevas Ciencias que tratan sobre la mecánica y del cual este texto toma su título. Su hija María Celeste que era monja lo cuidó, pero murió a los dos años y Galileo murió un poco después en 1642, el mismo año en que nació Newton. “Galileo fue una de las mentes más brillantes de su época y el gran creador del método experimental en la ciencia, además de que hizo muchas contribuciones importantes que luego fueron aprovechadas especialmente por Newton.” • Estableció las leyes de la caída de los cuerpos y del movimiento acelerado • Descubrió la trayectoria parabólica de los proyectiles • El enunciado del principio de inercia y las leyes del movimiento uniforme y acelerado • Descubrió la ley de los vasos comunicantes, las relaciones de las frecuencias del sonido con las cuerdas vibrantes (Bronowski Pág. 200 - 218) Isaac Newton Isaac Newton nació en 1642, en Woolsthorpe, Inglaterra. Como vimos antes Galileo había muerto ese mismo año y Kepler doce años antes. Su padre Isaac, “un pequeño granjero salvaje, extra- • La resonancia con las ondas estacionarias del sonido y mejoró enormemente al telescopio. 25 Capítulo 1 vagante y débil,” como lo llamaba su abuela, murió antes de su nacimiento. Cuando Newton tenía tres años, su madre Hannah se volvió a casar y lo dejó al cuidado de su abuela. A la edad de diez años, su madre quedó viuda por segunda vez y volvieron a vivir juntos pero ya tenía tres hermanos. A los doce años, su madre decidió enviarlo a una escuela libre de gramática en Grantham; se llamaba así porque se enseñaba mayormente gramática latina, que era la lengua internacional de la cultura europea, con la cual Newton llegó a leer y asimilar las obras más importantes y escribir en latín con la misma facilidad que en inglés. El libro Los Misterios de la Naturaleza y del Arte de John Bate “le sirvió de inspiración y formó su capacidad científica. Al mismo tiempo mantenía un cuaderno con sus anotaciones del libro y hacía listas alfabéticas de palabras bajo distintos títulos.” Esta cuidadosa organización y clasificación de la información en muchos cuadernos fue la clave para el desarrollo de sus habilidades como pensador original y estudioso de las ciencias. Más tarde, en el verano de 1661, ingresó como becario en el Trinity College de la Universidad de Cambridge. “La educación oficial de Cambridge se basaba en la lógica, la ética y la retórica como base para el estudio de la filosofía aristotélica. Newton recibió su título de bachiller en 1665.” Figura No. 1 - 6 Isaac Newton. Fuente: http://www.crystalinks.com/newton.jpg Durante los años de 1665 y 1666 de la peste negra, se cerró la Universidad de Cambridge y Newton regresó a su casa en Woolsthorpe y se dedicó a investigar y al estudio e interpretación de los últimos avances en matemática y ciencias, que en ese entonces se llamaba Filosofía Natural. Newton se concentró especialmente las obras de Copérnico, Brahe, Kepler y Galileo, que consideraban a la naturaleza como un organismo con un mecanismo muy complejo. Casi inmediatamente “realizó descubrimientos fundamentales en matemáticas que le fueron de gran utilidad en su carrera científica, como las fluxiones que ahora conocemos como el cálculo diferencial e integral. Un método nuevo y poderoso que Newton mantuvo en secreto, que dio inicio a la matemática moderna y que le permitió concebir la teoría de la gravitación universal y calcular la órbita de la Luna alrededor de la Tierra.” En 1675 Leibniz llegó de forma independiente al mismo método de cálculo, al que llamó cálculo diferencial. Lo publicó antes que Newton, lo que hizo que Leibniz recibiera en exclusividad los elogios por el desarrollo de ese método. Recién en 1704 Newton publicó una exposición detallada del método de fluxiones, superando sus reticencias a divulgar sus investigaciones y descubrimientos por temor a ser criticado. “La óptica fue otra área por la que Newton demostró interés muy pronto y con ella probó su teoría de los colores, haciendo pasar un rayo de luz solar a través de un prisma, dividiendo así la luz en colores independientes que la constituyen.” Su teoría era que la luz blanca del Sol es una mezcla de rayos dife- rentes, cada uno de ellos con un color distinto. En 1672 Newton envió una breve exposición de su teoría de los colores a la Sociedad Real de Londres, pero su publicación provocó muchas críticas. Esto le causó un enorme disgusto y se retiró a la soledad de su estudio en Cambridge. “En 1704 publicó su obra Óptica o un Tratado sobre las Reflexiones, Inflexiones y colores de la Luz, en donde explicaba detalladamente su teoría.” En agosto de 1684 recibió la visita de Edmund Halley, un astrónomo y matemático con el que discutió el problema del movimiento de los cuerpos celestes y de las órbitas planetarias. Halley le pidió su opinión acerca de cuál sería la órbita de un planeta alrededor del Sol, suponiendo que la fuerza gravitatoria es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia al Sol. Newton le respondió que “necesariamente sería una elipse.” Halley se sorprendió y le preguntó “cómo lo sabía”, a lo que Newton respondió: “Porque lo he calculado”. Halley le pidió que le muestre los cálculos y Newton no los pudo encontrar, pero le prometió que los repetiría y los enviaría posteriormente. Como resultado de la visita de Halley, volvió a interesarse por estos temas y durante los tres años siguientes, “desarrolló la moderna ciencia de la Mecánica, formulando las tres leyes del movimiento. Aplicó 26 Las Nuevas Ciencias del Cosmos estas leyes a las de Kepler sobre el movimiento en orbitas elípticas y dedujo la ley de la gravitación universal,” (estas leyes serán explicadas en detalle en el capítulo tres bajo el título: El Nacimiento de la Mecánica.) En 1687 publicó su obra maestra: los Principios Matemáticos de la Filosofía Natural, obra que está estructurada como los Elementos de la Geometría de Euclides, con “definiciones, axiomas, proposiciones, lemas, corolarios y escolios y que fue la mayor revolución conceptual del sistema del mundo bajo un solo sistema de leyes.” (Bronowski, Pág. 233) En este libro establece entre otras cosas los conceptos de “masa, fuerza, movimiento y define espacio y tiempo como absolutos, esto significa que el espacio es plano e infinito, y que el tiempo es igual en todo lugar del Universo.” Ahora sabemos por medio de la relatividad de Einstein que estos conceptos están errados, sin embargo, esta obra está considerada como un ejemplo del poder de una de las mentes más brillantes de la humanidad. Según algunos críticos es lo mejor que se ha escrito en la historia de la ciencia. “Además de su interés por la ciencia, Newton también se sintió atraído por el estudio de la alquimia, el misticismo y la teología.” Muchas páginas de sus notas y escritos están dedicadas a estos temas. Sin embargo, los historiadores han encontrado poca relación entre estas inquietudes y sus trabajos científicos (Hawking, Newton Pag. 643-649). En el Libro Tercero de los Principia, Sobre el Sistema del Mundo, establece cuáles deben ser las reglas para filosofar del pensamiento racional: “Regla I. No deben admitirse más causas de las cosas naturales que aquellas que sean verdaderas y suficie tes para explicar estos fenómenos. Regla II. Por ello, en tanto que sea posible, hay que asignar las mismas causas a los efectos naturales del mismo género; este es el fundamento de la causalidad. Regla III. Han de considerarse cualidades universales de los cuerpos aquellas que no pueden aumentar o disminuir y que afectan a todos los cuerpos sobre los cuales es posible hacer experimentos. Regla IV. Las proposiciones obtenidas por inducción a partir de los fenómenos, pese a las hipótesis contrarias, han de ser tenidas en filosofía experimental por verdaderas y exactas, o si son aproximadas, se las tomará en cuenta hasta que aparezcan otros fenómenos que las hagan o más exactas o expuestas a excepciones.” (Hawking, Newton Pag. 915-917) Estas reglas son parte integral del Método Científico, como veremos más adelante en este capítulo. Newton define a la ciencia como: “La filosofía natural que consiste en descubrir la estructura y funcionamiento de la naturaleza y reducirlos, dentro de lo posible, a reglas generales; dichas reglas deben establecerse mediante observaciones y experimentos, y a partir de ellos inferir las causas y efectos de las cosas.” (Rankin, Pag. 21-148) Y termina sus Principios Matemáticos diciendo que: “Hasta aquí he expuesto los fenómenos de los cielos y de nuestro mar por la fuerza de la gravedad, pero todavía no he asignado causa a la gravedad”. Newton esperaba que sean las futuras generaciones las que des- cubran la verdadera naturaleza de la gravedad. Gottfried Wilhelm Leibniz Leibniz nació el 1 de julio de 1646 en la ciudad de Lepzig, en donde vivió hasta tener veinte años. Su padre fue profesor de moral en la universidad, abogado y un gran lector ya que tenía una muy buena biblioteca. Se preocupó mucho de la educación de su hijo, introduciéndole en el mundo de los libros; cuando Leibniz tenía seis años murió el padre y la biblioteca pasó a ser su propiedad. Su formación fue casi autodidacta y a los doce años ya había leído a Platón, Aristóteles, Virgilio y los demás clásicos latinos. A los trece años leyó a los escolásticos y a los quince a los modernos como Bacon, Kepler, Galileo, Descartes y otros. Estas y otras circunstancias fueron las principales motivaciones para que se convierta en una per- RESUMEN Newton Establece las reglas del pensamiento racional: • No debemos aceptar otras causas sino aquellas que son verdaderas y suficientes para explicar los fenómenos • A los mismos efectos debemos asignar las mismas causas • Las cualidades de los cuerpos de acuerdo a los experimentos son universales • Las proposiciones inferidas por inducción deben ser aceptadas si no hay otras hipótesis contradictorias. 27 Capítulo 1 sona enormemente original y creativa. “En la universidad, su leit-motiv fue unir el pensamiento antiguo y escolástico con la ciencia moderna; se propuso superar a Descartes al tratar de armonizar los postulados platónicos, aristotélicos y escolásticos con las más opuestas tendencias filosóficas modernas.” Después de obtener su doctorado, en sus viajes y en los ratos libres se dedicó a estudiar la alquimia y escribió un libro llamado Disertación sobre el arte combinatorio, en el que sentó las bases teóricas de la lógica simbólica, dando nueva vida a la lógica aristotélica y que nos permite ahora diseñar ordenadores, robots y calculadoras. Entró a trabajar en la corte del Duque de Hannover, lo que le permitió tener sus propios ingresos y empezó a relacionarse con los príncipes y nobles del centro de Europa y de esta manera viajó a París, donde mejoró notablemente su formación intelectual. En esta ciudad estudió los manuscritos de Descartes, Pascal y conoce a Huygens, quien se convierte en su profesor de matemáticas. También publica su Cálculo de Diferencias, que ahora llamamos cálculo diferencial y al respecto manifiesta que: “El cálculo no es otra cosa, de hecho, que una operación mediante símbolos, que tiene lugar no solo en el caso de las cantidades, sino también en cualquier otro razonamiento.” (Agazzi Pag. 78) Construye una máquina que hacía aritmética y que es precursora de los ordenadores. Al volver a Hannover se convierte en un hombre de corte, y se mantiene fiel a su señor el Duque, pero al mismo tiempo aceptó servir a otros personajes y nobles siempre que le paguen por sus servicios filosóficos, científicos, religiosos y políticos. En 1864 publica sus Meditaciones sobre el conocimiento, la verdad y las ideas, que es una recopilación de su sistema filosófico, después su Discurso de Metafísica, Investigaciones sobre el Análisis de las nociones, Monadología, Principios de Figura No. 1 - 7 Leibnizz la Naturaleza y de la Gracia fundados en la razón, y otras Fuente: http://www.unipv.it/deontica/Gallpics/classici/Leibniz.jpg obras más. (Echeverría Pág. 16-37) Leibniz fue un persona imbuída de una curiosidad universal, se interesaba por todos los temas de la filosofía y la ciencia conocidos en su tiempo, pero al mismo tiempo exploró y desarrolló temas en regiones todavía desconocidas con una rigurosidad muy grande. “Fue uno de los precursores de los conceptos de la lógica simbólica también llamada logística, desarrolló el concepto de la energía cinética, estudió la hidrodinámica y el magnetismo y aplicó estos conocimientos a obras de ingeniería. Construyó una de las primeras calculadoras, relojes, barómetros y estudió la resistencia de los materiales. Fue uno de los inventores del cálculo diferencial e integral, de la matemática binaria y de las probabilidades, estudió además aritmética, geometría, álgebra, análisis matemático, astronomía, teoría de la luz, óptica, acústica, astronomía.” Pero sus contribuciones más importantes fueron en los campos de la lógica simbólica, que pretendía desarrollar un lenguaje simbólico que por medio de íconos o símbolos, pudiera representar los conceptos y las leyes de la razón. Algo parecido a los símbolos de la química que permiten representar los elementos y sus distintas formas de combinarse por medio de un cálculo lógico, como le llamó Leibniz. Por ejemplo, la aseveración de que: “todas las manzanas son frutas, se puede representar por medio de todos los A son B”. La lógica simbólica fue desarrollada luego por Boole, Peirce, Frege, Peano, Russel y muchos otros más y permitió el desarrollo de los ordenadores y las calculadoras. Sus investigaciones matemáticas con el cálculo diferencial e integral se fundamentaron en que se dió cuenta de que la derivación es lo opuesto de la integración. Leibniz 28 Las Nuevas Ciencias del Cosmos introdujo el concepto de función y estableció las relaciones entre las funciones y la geometría analítica. Además, se diferencia del cálculo de Newton en la notación; actualmente usamos la notación de Leibniz y no la de Newton. Leibniz en su teoría de la lengua y los signos, establece los estudios linguísticos que habrían de desembocar en la semiología moderna. Leibniz consideraba que el lenguaje ordinario tiene una serie de deficiencias: “Las lenguas habladas, aunque sean en general útiles para el pensamiento discursivo, están, sin embargo, sujetas a innumerables ambiguedades de significado y no pueden ofrecer las ventajas del cálculo.” (Agazzi Pág. 81) Ya que no depende solo de la estructu- ra gramatical, sino de la capacidad para razonar y de representar la realidad por medio de las ideas, de modo que el lenguaje es sobre todo un elemento de la razón que nos permite llegar al conocimiento de la realidad. “Leibniz llegó a la conclusión de que vivimos en el mejor de los mundos posibles y que el espacio y el tiempo no existen, ya que no existe un marco de referencia absoluto y por tanto espacio y tiempo son meras suposiciones perniciosas.” En su libro Monadología, asevera que: “la mónada ...no es otra cosa que una substancia simple. Esas mónadas son los verdaderos átomos de la naturalez y en una palabra, los elementos de las cosas.” (Leibniz Pag. 69) Con lo que demuestra una enorme intuición científica para imaginarse de qué está hecho el Cosmos. Luego afirma que: “Presumo...que todo ser creado está sujeto al cambio y por consiguiente también lo está la mónada y que los cambios naturales de las mónadas provienen de un principio interno, puesto que una cosa externa no podría influir en su interior.” (Leibniz Pag. 70-71). Leibniz dice que: “Nuestros razonamientos se fundan en dos grandes principios: el de contradicción, en virtud del cual juzgamos falso lo que contiene una contradicción, y verdadero lo que es opuesto o contradictorio a lo falso. Y el de razón suficiente, en virtud del cual consideramos que ningún hecho puede ser verdadero o existente, sin que haya una razón suficiente para que sea de ese modo y no de otro.” (Leibniz Pag. 75-76). De esta manera probó sus aseveraciones mediante sus dos principios filosóficos. Leibniz estaba convencido de que las ciencias y la ampliación del conocimiento y de la educación en general, sería uno de los mejores caminos para el acercamiento universal de los seres humanos. Defitivamente fue un hombre del Renacimiento, una mente universal, una de las más brillantes de Europa, que aportó con numerosas ideas y descubrimientos matemáticos que han permanecido vigentes hasta nuestra RESUMEN época. (Echeverría Pág. 111-139) En la revista Scientific American de marzo del 2006 Leibniz (Pág 76-81) Gregory Chaitin expresa que combinando las ideas Precursor de la lógica simbólica, también llamada logística. de Leibniz sobre la complejidad y el azar de 1686, expresadas el concepto de energía en su Discurso de Metafísica, en donde afirma que: “una teoría Desarrolló cinética. tiene que ser más sencilla que los datos que trata de explicar, ya que de otra manera no se explica nada”. Con la moderna teoría algorítmica de la información, se puede ampliar el teorema de Goedel y probar que existen un número infinito de teoremas matemáticos verdaderos que no pueden ser probados a partir de un sistema de axiomas finitos. Dice Chaitin que: “Leibniz anticipó una serie de características de la teoría algorítmica de la información, hace más de 300 años atrás”. Estudió hidrodinámica, magnetismo y resistencia de materiales. Construyó una de las primeras calculadoras, relojes y barómetros Fue uno de los inventores del cálculo diferencial e integral, de la matemática binaria y de las probabilidades. Charles Darwin Charles Darwin nació en la ciudad de Shrewsbury, Inglaterra, el 9 de febrero de 1809. Sus padres fueron Robert Darwin y Susana Potter. Su padre fue un próspero médico de campo, hijo de Erasmus Darwin, médico y biólogo famoso por su pensamiento evolucionista en el siglo XVIII. Su madre fue hija de Josiah Potter, conocido por la 29 Capítulo 1 Sus contribuciones más importantes fueron en los campos de la teoría de la lengua y la simbología. producción de cerámica de la marca Wedgewood que existe todavía. Josiah Wedgewood, el abuelo materno de Darwin, logró dominar la técnica del cocido de la cerámica al determinar la temperatura correcta por medio del color de la llama en el horno y era muy amigo de su abuelo paterno, Erasmus. “Ambos eran miembros de la Lunar Society (Sociedad Lunar) de Birmingham, un club de personalidades científicas, industriales e intelectuales de la región central de Inglaterra que se reunía una vez por mes, en las noches de luna llena (que les permitía, mediante su luz, regresar a caballo hacia sus casas), para conversar de tecnología, ciencia y otros temas de interés como la química, agrimensura, geología, meteorología; se diseñaban planos para nuevos canales de agua, dispositivos para aprovechar la fuerza del viento y del vapor, entre otros.” La Sociedad Lunar fue el semillero intelectual de la revolución industrial en Inglaterra. Ahí se reunían entre otras personalidades, James Watt, quien mejoró la máqui- Figura No. 1 - 8- Charles Darwin. na de vapor con un condensador independiente, que pro- Fuente: http://javalab.cs.uni-bonn.de/research/darwin/images/darwin.jpg pulsó todas las manufacturas y unidades de producción y transporte de la era industrial que se iniciaba. Dice Miller que: “La curiosidad científica no es un talento humano innato. Se va formando y encauzando de acuerdo con las situaciones sociales, las instituciones y los intereses creados, que dan a ciertas investigaciones su inspiración e impulso característicos.” Y esto es precisamente lo que sucedió con Charles Darwin. Cuando le enviaron a la escuela, encontró que ésta no le permitía educarse debidamente, igual que Einstein. Sin embargo, desde un principio demostró un enorme interés por coleccionar minerales, insectos, huevos de pájaros, ratones, etc. Fue enviado luego a Edimburgo, en Escocia, conocida como la Atenas del Norte, que era el centro intelectual que produjo pensadores de la talla de Hume, Adam Smith, Maxwell y otros. El joven Darwin inició sus estudios de medicina pero no podía soportar las amputaciones sin anestesia y la mayoría de las clases le aburrían. Leía mucho, especialmente sobre las teorías evolucionistas como la de Lamarck y continuó con sus colecciones y estudios de historia natural. Sin embargo, “lo que más le impactó fue el libro Principios de Geología de Lyell y desde entonces vio a la Tierra como un sistema complejo de transformaciones, bajo las fuerzas telúricas de la geología.” Por gestiones de su profesor de la universidad, se embarcó en la nave Beagle, un barco de investigación que realizó un viaje de cinco años para cartografiar los puertos más importantes del mundo.“En cada playa que desembarcaban Darwin recogía gran cantidad de especímenes que luego disecaba, pero además, examinaba el paisaje geológico y confirmaba las ideas de Lyell.” Lo más importante del viaje es que le permitió ordenar sus pensamientos y observar la historia natural con la debida perspectiva. Con esto reordenó su mente hacia la teoría de la evolución por selección natural. Darwin encontró que en archipiélagos como Galápagos, cada isla tenía su flora y fauna propias, pero que eran variaciones de un mismo tipo original. Las tortugas y los pájaros pinzones tenían en cada isla características diferentes en lo referente a sus caparazones y picos. “En 1837 ya había descubierto que la vida evolucionaba como resultado de la descendencia con modificación y que los organismos simples podían dar origen a otros más complejos sin desaparecer en el proceso.” Basándose en Lamarck, llegó a la idea errada de que el ambiente tiene un efecto directo sobre los cambios biológicos que se producen en las especies. Aún no sabía qué motivaba y dirigía la evolución, pero poco a poco se dio cuenta que es la cría selectiva la que permite a los agricultores iniciar nuevas variedades de animales. “En la naturaleza no hay cría selectiva, sino competencia y selección natural que eliminan automáticamente lo inadecuado.” En la introducción de su obra dice Darwin: “When on board of the H.M.S. Beagle, as naturalist, I was struck with certain facts in the distribution of the organic beings inhabiting South America….These facts…seemed to throw some light in the origin of species - the mystery of mysteries…” Darwin consideraba que era muy importante entender cómo se producen las modificaciones y la co-adaptación de las 30 Las Nuevas Ciencias del Cosmos especies y para esto estudió los procesos que se utilizan con los animales y plantas domésticas. Él consideraba que: “la lucha por la existencia que se produce entre los seres vivos se desprende de las premisas que Malthus estableció para los humanos, y que dicen que aquellos individuos que están mejor preparados son los que por medio de la selección natural tendrán mayor probabilidad de sobrevivir.” (Darwin, Pag. 19-22) RESUMEN Darwin I was struck with certain facts in the distribution of the organic beings inhabiting South America….These facts…seemed to throw some light in the origin of species-the mystery of mysteries ..Whilst this planet has gone cycling on according to the fixed law of gravity, from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved. La selección natural es una consecuencia de los cambios geológicos de la Tierra a lo largo de miles de millones de años, en que la vida debía cambiar y adaptarse para poder sobrevivir. La naturaleza ofrece un número infinito de variaciones fortuitas y hereditarias, y la cantidad de seres vivos obliga a una lucha y competencia que producen las especies que mejor se adaptan para sobrevivir. Darwin sabía que las teorías científicas que no han sido inducidas y verificadas a partir de hechos y experimentos, se quedan sólo en hipótesis, y la evolución no se puede observar directamente, se necesitan millones de años para ver los cambios. Por esto recopiló miles de especies y objetos que prueben este proceso evolutivo, lo que ahora está plenamente reconocido como uno de los aciertos más importantes del pensamiento científico moderno. Darwin termina su obra maestra con el siguiente párrafo siendo la última palabra evolución, que usa muy pocas veces en el texto: “..whilst this planet has gone cycling on according to the fixed law of gravity, from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved”. Estos temas los tratamos más profundamente en el capí- Selección Natural • La selección natural es una consecuencia de los cambios geológicos de la Tierra • En que la vida debía cambiar y adaptarse para poder sobrevivir • La naturaleza ofrece un número infinito de variaciones fortuitas y hereditarias • La cantidad de seres vivos obliga a una lucha y competencia que produce las variaciones que mejor se adaptan para sobrevivir. tulo dos. (Darwin, Pag. 506) Albert Einstein Nace en la ciudad de Ulm, Alemania, el 14 de marzo de 1879, en una Europa convulsionada por los movimientos socialistas y comunistas. En esta época el capitalismo monopólico necesitaba urgentemente de nuevos mercados para poder seguir su proceso expansivo, por lo que comenzó la creación y expansión de los imperios europeos. Esta fue una era llena de conflictos, en 1870 se inicia la guerra franco-prusiana que termina con la anexión de Alsacia-Lorena a Alemania y el imperio Alemán recibe una indemnización de 5.000 millones de francos. En 1871 un grupo de obreros se toma el gobierno de París y forma la comuna de París durante tres meses, pero con la ayuda de la armada prusiana se los derrota y 30.000 comuneros son ejecutados por las autoridades francesas. En 1873 se produce la gran crisis financiera mundial, que causó grandes penurias para los pequeños empresarios como el padre de Einstein, que se vio muy afectado por todos estos acontecimientos y las continuas luchas de los obreros socialistas. Dice Einstein en sus Notas Autobiográficas: “Muy pronto tomé conciencia de la insignificancia de las aspiraciones e ilusiones que abruman sin descanso a la mayoría de los hombres....aunque mis padres eran judíos absolutamente descreídos, yo fui profundamente religioso hasta que...los libros de divulgación científica que leía me demostraron que los relatos bíblicos no podían ser ciertos...” Figura No. 1 - 9 Albert Einstein. Fuente: http://streams.gandhiserve.org/images/einstein.jpg El joven Einstein era un chico soñador que a los 9 años todavía hablaba de una manera lenta y vacilante. Su maestro de escuela le dijo a su padre que Einstein nunca haría algo de provecho, pero su madre le motivaba diciéndole que algún día sería un gran profesor. Einstein dice que: “la pérdida de aquel paraíso religioso de mi infancia fue mi primer intento de liberarme de las ataduras....de una vida domina- 31 Capítulo 1 da por sueños, anhelos y sentimientos primarios. Más allá....se extendía el gran mundo...enorme y eterno, pero comprensible. Al menos parcialmente, mediante la investigación y el pensamiento”. Para Einstein la comprensión del mundo externo y real pasó a ser la preocupación principal de su vida, siguiendo a los grandes pensadores y científicos que le inspiraron para descubrir las últimas verdades del universo, del espacio, del tiempo, de la materia y la energía. Dice Einstein que su intención principal era aprender conceptualmente las cosas: “El giro decisivo...se produce cuando la atención se separa progresivamente de lo momentáneo y de lo meramente personal y se centra en la pretensión de aprender conceptualmente las cosas”. Einstein se pregunta: “¿Qué es, en realidad, pensar?” y se da cuenta que las imágenes que emergen de la memoria y de las percepciones, ni sus encadenamientos son pensamientos, solamente cuando las ideas se asocian con los conceptos, se convierten en pensamientos: “Solamente cuando ciertas imágenes aparecen de manera recurrente y se convierten en elementos ordenadores que permiten la asociación con otras ideas y que dan la importancia a los conceptos, entonces se convierten en pensamientos, como un juego libre con conceptos cuya justificación radica en el grado de comprensión de nuestras experiencias sensoriales.” Dice Einstein que experimentó un gran asombro cuando su padre le enseñó una brújula y que esta experiencia le impresionó de manera profunda, ya que se dio cuenta de que “detrás de las cosas debía de haber algo tremendamente oculto”. A los doce años se asombró nuevamente al leer un libro sobre geometría plana, ya que vio maravillado cómo Euclides probaba los teoremas en base a los axiomas y descubrió de esta manera un nuevo mundo, el del espacio y de las matemáticas en donde “los conceptos y proposiciones solo cobran sentido o contenido a través de su relación con las experiencias de los sentidos”. (Einstein 2005 Pág. 43-47) A pesar de no tener un diploma de secundaria, Einstein se presenta a dar los exámenes de ingreso en el Politécnico de Zurich (ETH), pero no aprueba en francés, inglés, zoología y botánica; en cambio obtiene muy buenas notas en matemática y física, de modo que le permiten que se prepare para un nuevo examen. Einstein se gradúa en el internado de Aarau en Suiza y aprueba los exámenes de admisión al ETH. El departamento de física del ETH era en 1893 de los mejores del mundo, no sólo contaba con los mejores profesores y laboratorios sino con un edificio enorme, de modo que Einstein se pasaba haciendo experimentos en el laboratorio de física. De esta época Einstein comenta que: “deseaba apartarme de lo que no era esencial. Obviamente los exámenes constituían un obstáculo en mi camino; pero en Suiza sólo debía aprobarlos y salvo ese detalle, podía hacer lo que quería”. De modo que él no asistía a la mayor parte de las clases magistrales, solo estudiaba con los apuntes de su amigo Marcel. Einstein admiraba especialmente la electricidad y la electrodinámica de Faraday, Maxwell y Hertz. En 1895 Helmholzt había escrito las ecuaciones de Maxwell en su forma actual, su ayudante Hertz las había verificado experimentalmente y se buscaba afanosamente el éter. “Dos estadounidenses, Michelson y Morley habían hecho un experimento intentando descubrir el movimiento de la Tierra por el éter y no hallaron ningún efecto,” como veremos en detalle en el capítulo ocho sobre la Teoría de la Relatividad. Einstein hacía frecuentemente experimentos mentales y en uno de ellos se propuso imaginar cómo sería viajar a la velocidad de la luz, y comenzó a enfocar el problema del éter desde una nueva perspectiva. Él se imaginaba viajando a la velocidad de la luz con un espejo frente a su cara y se preguntaba si se podría mirar en el espejo; Einstein exploró con sus amigos de la ETH este enigma por más de 10 años y llegó a la conclusión de que sí era posible verse en el espejo, es decir, que no había ningún impedimento físico para esto. Dice Einstein que: “el libro de Mecánica de Ernst Mach, un famoso físico austriaco, causó un gran efecto en mi”. En este libro Mach dice que: “Nadie está calificado para hacer afirmaciones acerca del espacio absoluto y del movimiento absoluto; dichas afirmaciones son meras ideas, construcciones puramente mentales, que no pueden demostrarse mediante la experiencia”. Estas ideas le ayudaron a Einstein a desechar el concepto del éter y los absolutos establecidos por Newton del espacio y del tiempo, y se convenció de que la teoría de la relatividad era la solución a estos problemas imposibles. (Schwartz, Guinness Pag. 5-82) “1905 fue un año milagroso para Einstein, envió cuatro artículos a la revista Annalen der Physic, tres aparecieron juntos en el número 17, el primero era sobre los cuantos de luz y el efecto fotoeléctrico, que Einstein lo consideraba revolucionario. 32 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Este artículo fue decisivo para la formulación de la física cuántica. El segundo era sobre una nueva determinación de las dimensiones moleculares y el tercero sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidos en resposo, en que probaba que este movimiento era producido por los choques de las partículas con los átomos del líquido. El último artículo fue sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, conocida ahora como la Teoría Especial de la Relatividad” que se RESUMEN detalla en el capítulo ocho llamado Espacio-Tiempo. La obra maestra de Einstein es la Teoría General de la Relatividad que también veremos en el capítulo ocho en detalle. Cuando pensaba sobre el funcionamiento del universo, Einstein decía que: “Aquellos pensamientos no venían en una formulación verbal....Rara vez pienso en palabras. El pensamiento llega y solo después puedo intentar expresarlo en palabras.” • “La consecuencia fue mi fanatismo total y excesivo por el pensamiento libre, combinado con la impresión de que el Estado engañaba intencionalmente a la juventud diciéndole mentiras” Einstein • “Mediante la lectura de los libros científicos populares pronto llegué a la conclusión de que gran parte de lo que relataban las historias de la Biblia no podían ser ciertas” Einstein, desde antes de la Segunda Guerra Mundial, se estableció en Estados Unidos y hasta el fin de sus días en 1955 bus• “Esta actitud no me abandonó caba una teoría unificada de los campos que conectara a la gravinunca, pero después, cuando comprendí mejor las conexiones causatación con el electromagnetismo. Einstein logró modificar totalles, perdió su intensidad original”. mente la física del espacio, del tiempo, de la energía y la masa y nos permitió comprender los misterios más profundos de la cosmología del universo. “A lo largo de su vida trató de comprender la realidad con la mente más que con los sentidos, pero nunca logró unificar todos los campos del conocimiento científico”, como veremos en el capítulo nueve sobre la Simetría. (Hawking, Einstein Pag. 1021-1025) • “Fue una impresión abrumadora, a partir de dicha experiencia comencé a desconfiar de todo tipo de autoridad, se formó en mí una actitud escéptica respecto de las convicciones vigentes en todos los medios sociales” El pensamiento sistémico y complejo del siglo XXI Los sistemas complejos desafían la capacidad de la mente humana ya que no pueden ser exactamente definidos. Un conjunto de reglas sencillas puede producir sistemas extremadamente complejos, como en el caso del juego de ajedrez. No se puede, por ejemplo, determinar cuál es la mejor apertura, existen miles de variantes posibles lo que es demasiado complejo para la comprensión e inteligencia humana. Son sistemas que no pueden ser definidos ni modelados fácilmente. Para poder entender, aunque sea parcialmente, la complejidad de estos sistemas, tenemos que establecer las bases filosóficas que tienen que ver con lo que se conoce como pensamiento sistémico o pensamiento complejo. Los sistemas son conjuntos de elementos interdependientes, en un entorno con límites bien definidos, que generalmente denotan una gran complejidad al tratar de entender su funcionamiento. En el siglo XX se inició el pensamiento sistémico con los trabajos del biólogo austriaco Von Bertalanffy, quien emigró a Estados Unidos, y del profesor ruso Bogdanov además de otros pensadores en los años treinta. Bertalanffy escribió su obra maestra llamada la Teoría General de Sistemas, que permitió definir el ámbito general de lo que son los sistemas en toda su amplitud, especialmente los sistemas abiertos como los seres vivos, en que se realiza un intercambio de materia y energía entre el sistema y su entorno. Bogdanov escribió su obra denominada Tektología, es decir, la ciencia de las estructuras. Pero los jerarcas del partido comunista consideraron que esta obra no era del agrado de la ideología comunista y no le permitieron difundirla. Por ello, dicha obra pasó desapercibida, hasta que algunas copias pasaron a Occidente. “Lo que caracteriza a los sistemas complejos del universo es el imperativo de la interdependencia, es decir, el hecho de que las distintas variables que representan a los elementos del sistema se hallan interconectadas de manera no-lineal,” cada una con muchas otras, en relaciones muy complejas. Uno de los mejores ejemplos de un sistema en alto grado complejo es el cerebro humano, que está compuesto de cerca de cien billones de neuronas, que se hallan interconectadas cada una de ellas con otras mil o diez mil. Tratar de entender estas complejidades ha sido uno de los mayores retos para la humanidad. Por esto hemos recurrido a explicaciones de tipo espiritual-religioso, o a las simplificaciones 33 Capítulo 1 filosófico-científicas sugeridas después del Renacimiento por las mentes geniales de Leonardo, Galileo, Bacon, Newton, Descartes, Locke, Hume, Kant y otros notables pensadores. Para que las simplificaciones funcionen se requiere de un método adecuado, al principio se utilizó el método cartesiano, luego la técnica de los modelos dinámicos, más adelante la autoorganización sistémica desarrollada por Heins von Foerster y la cibernética de Norbert Wiener. Estas son las formulaciones más importantes del enfoque sistémico. Las revoluciones científicas y tecnológicas A partir de 1700 y en menos de 50 años se consolidó la tecnología. “El gran mecanismo de este dramático cambio de habilidades a la tecnología fue la Enciclopedia de Diderot y d’Alambert, publicada en 1751”. En esta obra famosa se recopiló, en forma organizada y sistemática, el conocimiento de todos los oficios, de modo tal que el aprendiz pudiera llegar a ser tecnólogo. La tesis de la enciclopedia era que en el mundo material los resultados útiles, herramientas, procesos y productos son obtenidos por aplicación sistemática e intencional del conocimiento. Fue este cambio en el significado del conocimiento lo que hizo inevitable la introducción del capitalismo moderno. “La Revolución Industrial trae una transición de una economía agrícola tradicional hacia una economía caracterizada por procesos de producción mecanizados para fabricar bienes a gran escala.” El proceso de capitalización se produce en distintas épocas dependiendo de cada país. Algunos autores para referirse al desarrollo capitalista en el último tercio del siglo XX, hablan de la segunda revolución industrial, con nuevas organizaciones empresariales, nuevas fuentes energéticas y nuevos sistemas de financiación, Cada desarrollo industrial tiene características distintas en función del país y la época. Al principio, la industria británica no tenía competidores; cuando se industrializaron otros países tuvieron que enfrentarse a la ventaja acumulada por Gran Bretaña, pero también pudieron aprovecharse de su experiencia. En cada caso el éxito del proceso dependía del desarrollo de nuevos métodos de producción, pero también de la modificación de las técnicas utilizadas para adaptarlas a las condiciones imperantes en cada país y de la propia legislación vigente, que a veces iba en desmedro de ciertos sectores sociales. “La Revolución Industrial produjo, al principio, una reducción del poder adquisitivo de los trabajadores y una pérdida de calidad en su nivel de vida. Más tarde, sin embargo, se tradujo en un aumento de la calidad de vida de toda la población del país industrializado.” El desarrollo de la informática, de las computadoras y de las redes de interconexión representa un segundo renacimiento. “Se puede afirmar que las revoluciones científicas nacen con la libertad de la imaginación y la creatividad humana, ya que solamente en aquellos lugares en que existía la libertad y la democracia, es decir, el respeto por el derecho de los individuos, se inventaron estas revoluciones.” La ciencia moderna Dice John Gribbin en su libro Introducción a la Ciencia: “que la forma científica de ver el primero, que todo este asunto se desarrolló en tan solo cuatrocientos años; y segundo, que todo esto lo puede comprender una mente humana. “La razón por la que mundo tiene dos características:” el universo es comprensible para las mentes humanas es que está gobernado por un pequeño conjunto de reglas sencillas.” La física, la más fundamental de todas las ciencias, investiga estas reglas sencillas que gobiernan el universo y a las partículas elementales que conforman la materia que hay en él. Además, el método científico proporciona los modelos utilizados en las otras ciencias para desarrollar sus propios conceptos del mundo. Dice Gribbin que para un físico, “un modelo es una combinación de una imagen mental del aspecto que puede tener un ente fundamental y de un conjunto de fórmulas matemáticas que describen su comportamiento”. Para buscar una nueva ley seguimos un proceso que tiene varias etapas: primero, se hace una suposición o hipótesis. Luego, se determinan las posibles consecuencias de dicha suposición, para determinar qué implican y si lo que hemos supuesto es correcto. A continuación, comparamos los resultados del cálculo con lo que se produce en la naturaleza, mediante un experimento, es decir, comparamos directamente las observaciones con los resultados previstos matemáticamente para ver si coinciden. Si no concuerda con el experimento, entonces es falsa la hipótesis. 34 Las Nuevas Ciencias del Cosmos “Esta metodología tan sencilla es la clave del método científico.” No importa lo maravilloso que nos parezca aquello que hemos supuesto. Tampoco importa lo ingeniosos que somos, ni quién realizó la suposición, ni cómo se llama el que la formuló. “Si no concuerda con el experimento, es falsa, y si no se pueden hacer pruebas experimentales, entonces no es ciencia, es filosofía.” RESUMEN El Mundo del Siglo XXI • En el mundo contemporáneo es indispensable enseñar a pensar críticamente • Hay que aprender a entender y encontrar los problemas verdadeEn la ciencia, todo consiste en modelos y predicciones, en hallar ros la manera de conseguir crear dentro de nuestras mentes una imagen de cómo funciona el universo y en encontrar el modo de efectuar cál• Hay que formular las preguntas adecuadas culos que predigan lo que sucederá en determinadas circunstancias. En el siglo VI antes de Cristo los griegos desarrollaron una idea • En un mundo de gran complejidad, incertidumbres y paradojas genial: que el cosmos se puede entender sin recurrir a la mitolohay que aplicar el pensamiento gía y a los dioses del Olimpo, porque presenta regularidades que sistémico. permiten revelar sus secretos. La naturaleza no es totalmente impredecible, hay reglas a las cuales tiene que obedecer necesariamente. Ervin Laszlo, en su libro La Gran Bifurcación, afirma que: “una especie inteligente no sólo puede reproducir y mejorar su medio ambiente, sino también degradarlo y amenazar su propia supervivencia. Nuestras alternativas en el mundo real no son extremas. No tenemos por qué elegir entre la catástrofe y la inmovilidad, sino entre diversas clases de evolución. Debemos cambiar la evolución de nuestras sociedades del modo reactivo al proactivo, es decir, prevenir lo que puede suceder y estar preparados, no solamente reaccionar a los incendios que se producen por nuestra inexperiencia de vivir en un mundo tan complejo.” ¿QUÉ ES LA CIENCIA? Para mí, la ciencia es primordialmente la investigación sobre nuestro lugar en el universo, el lugar que ocupan los seres humanos en un cosmos que se extiende desde las más diminutas partículas subatómicas hasta las extensiones más grandes en el espacio y el tiempo. Sin la inteligencia del cerebro humano no sería posible entender nada de lo que nos rodea. No existimos de manera aislada, por lo que la ciencia es una actividad que nos permite tratar de entender las interrelaciones con los otros seres vivos y con el cosmos. La ciencia se origina con la lógica y la preocupación por los asuntos de la vida diaria. La geometría se originó en la necesidad de medir y levantar planos de las propiedades, especialmente aquellas de los egipcios que quedaban a orillas del río Nilo. Como este río se inunda cada año los límites desaparecían con las inundaciones y los propietarios tenían la necesidad de medir inmediatamente sus tierras para establecer los linderos. La mecánica se originó en la necesidad de crear y construir máquinas para las construcciones y la guerra. Pero fue la necesidad de dar explicaciones a los distintos fenómenos de la naturaleza lo que dio origen al método científico. De modo que podemos afirmar que: “la ciencia es el proceso de adquirir conocimientos confiables, pero no infalibles del cosmos, incluyendo las explicaciones necesarias de los fenómenos de la naturaleza”. ¿Qué es el conocimiento? Se dice que conocimiento es aquello que se adquiere al conocer; conocer es tener cognición. La cognición es una condición de la conciencia, y conciencia es tener conocimiento de algo; de modo que volvemos al comienzo de nuestra definición. Esto se llama una tautología, es decir, explicar algo con lo mismo que se pretende definir. Mario Bunge, físico y filósofo argentino, caracteriza a la ciencia como “un campo del conocimiento, es decir, un sector de la actividad humana que pretende adquirir, difundir y utilizar el conocimiento de cientos de campos de la cultura moderna”. Bunge dice que: “hay dos grandes clases de conocimiento: aquel de las creencias y de aquellas cosas que no pueden ser observadas, como la religión y las ideas políticas. En la otra clase, se encuentran aquellos campos que tienen que ver con las investigaciones y observaciones del mundo real.” Él divide a la ciencia en dos tipos, la ciencia formal que trata sobre las ideas, y la ciencia fáctica que trata sobre los asuntos materiales. La formal no procura llegar al conocimien- 35 Capítulo 1 to objetivo, como es el caso de la lógica formal y las matemáticas puras. Este tipo de ciencia pretende descubrir relaciones racionales y verificables entre entes abstractos que son producto de la mente humana. La ciencia fáctica, en cambio, busca establecer relaciones objetivas de la realidad, de los fenómenos que se producen en la naturaleza y el universo. ¿Qué requisitos debe cumplir la ciencia? El requisito fundamental de la ciencia, es que todos los conocimientos científicos deben ser verificables, es decir, que deben ser contrastados con la experiencia, con experimentos controlados con los que se puede establecer la validez de los conocimientos. Además, la ciencia debe tener los siguientes requisitos para desarrollarse fuerte y sana, según Bunge: “Primero. La ciencia trata de asuntos materiales, es decir, se fundamenta en que todos los objetos del universo físico están hechos de materia y se ajustan a ciertas leyes vigentes en todo el cosmos. Segundo. La ciencia debe ser realista, es decir, asume que el mundo existe independientemente de las mentes que lo estudian. Esto significa que nuestra percepción de la realidad es sin duda limitada, pero esto no basta para que podamos, por distintos medios y procedimientos, llegar a conocer la realidad del Universo y sus componentes. Tercero. La ciencia es racional, es decir, considera que nuestras ideas tienen que ser internamente consistentes y coherentes entre ellas8 para que pueda haber buena ciencia. No pueden existir contradicciones y falsedades entre las distintas teorías y leyes científicas. Cuarto. La ciencia es empírica, esto significa que todas las proposiciones científicas deben ser falseables y verificables. Falseable significa que se puede establecer una predicción que se pueda probar que es falsa; es decir, que al verificar la falsedad por ende se prueba que la hipótesis es verdadera. En la realidad y por medio de experimentos debidamente preparados, hay que verificar todas las aseveraciones y predicciones de las leyes y teorías. Quinto. La ciencia es sistémica, esto significa que todas las proposiciones, hipótesis, teorías y datos de la ciencia deben constituir sistemas integrados”. No pueden estar desperdigados sin orden y coherencia. Todo el andamiaje de la ciencia está interconectado formando una trama de sistemas interdependientes. Este es uno de los conceptos más importantes y en este texto lo vamos a resaltar continuamente, estableciendo las relaciones y conexiones entre distintos tipos de teorías y conceptos científicos. Características de la ciencia Bunge establece quince características que deben cumplir todas las teorías y leyes científicas, que son las siguientes: Figura No. 1 - 10 Mario Bunge. Fuente: http://www.fcen.uba.ar/prensa/graficos/Mario_Bunge.jpg 1. “La ciencia es empírica, esto significa que trata sobre hechos reales, sin considerar asuntos de valor emocional, sentimental o de cualquier otro carácter no fáctico. La base de la ciencia es la experimentación, es decir, la prueba práctica y la determinación real y cuantificable de los resultados de las experiencias fácticas. Sin este mecanismo de verificación, la ciencia no podría haber llegado al grado de desarrollo que tiene actualmente. 2. El conocimiento científico es trascendental, esto quiere decir que no se limita solamente a los hechos observados, sino que va más allá de las apariencias, seleccionando solamente aquello que es relevante, al racionalizar las experiencias y no limitarse a describir los hechos. 3. La ciencia es analítica, es decir, que se descomponen los asuntos complejos para analizarlos, logrando de esta manera primero respuestas parciales. A medida que avanzan las investigaciones científicas, se logra llegar a generalizaciones cada vez mayores, que permiten examinar las interacciones entre las partes y luego entender el funcionamiento del todo. 36 Las Nuevas Ciencias del Cosmos 4. La ciencia es especializada, que es una consecuencia del enfoque analítico, ya que para entender cada rama de la ciencia se requiere de conocimientos especializados; esto no significa que en la ciencia no se requiera el pensamiento holístico e interdisciplinario, al contrario, se requiere de generalistas especializados que puedan realizar las conexiones entre distintas ramas del saber científico. 5. Los conocimientos científicos deben ser claros y precisos. Al formular los problemas de una manera clara y precisa y definir sus conceptos de manera implícita, la ciencia evoluciona y se mantiene como uno de los instrumentos más importantes de la cultura human. Por medio del uso de un lenguaje simbólico y matemático, procura medir exactamente y cuantificar los fenómenos naturales, lo que permite el desarrollo de la ciencia. 6. El conocimiento científico es comunicable, no es inefable. Cualquiera que tenga la formación necesaria puede entender las comunicaciones de la ciencia. Estas comunicaciones se realizan por medio de publicaciones, tesis, monografías, investigaciones, revistas e Internet. La comunicación es una condición indispensable para mantener la precisión y la verificación de los datos empíricos y de las leyes de la ciencia. 7. El conocimiento científico es verificable, esto significa que toda teoría o hipótesis debe ser puesta a prueba y si fracasan en la práctica son desechadas o modificadas. Esta es la esencia del método científico; de otra manera el conocimiento no puede ser objetivo y se podría caer en las seudociencias y las ideologías que tanto daño nos hacen. 8. La investigación científica es metódica, es decir tiene un plan que se fundamenta en conocimientos y experiencias anteriores. Este método no produce resultados infalibles, sino conclusiones que son mejorables en la mayor parte de los casos. El método científico es una herramienta muy versátil pero al mismo tiempo indispensable para que la estructura de la ciencia se mantenga y mejore con la investigación. 9. La ciencia es sistémica, es decir, está formada de ideas, principios, leyes, hipótesis y conceptos interconectados coherentemente entre sí. El carácter matemático del conocimiento científico es lo que lo hace ordenado, sistémico, interconectado y racional; es un conjunto orgánico que crece de manera racional en unión con los conocimientos anteriores, modificándolos y mejorándolos cuando es necesario. 10. El conocimiento científico es universal, pues permite establecer leyes que tienen una aplicación general y universal. Al buscar las cualidades esenciales y las relaciones constantes, se descubre la generalidad de los enunciados científicos. Esta generalidad y universalidad ha permitido a la humanidad salir de las fronteras de la Tierra y explorar el cosmos hasta el comienzo mismo del espacio y del tiemRESUMEN po. Requisitos de la ciencia: 11. El conocimiento científico es legal al formular leyes de la naturaleza y • La ciencia trata de asuntos de las sociedades. Estas leyes tienen una estructura jerárquica que permite materiales ordenar a todas las ramas de la ciencia, formando un edificio conceptual, no • La ciencia debe ser realista monolítico, sino perfectible. Este edificio crece a una velocidad realmente grande desde el siglo XX. Se afirma que los conocimientos científicos se • La ciencia es racional duplican cada diez o quince años. • La ciencia es empírica 12. La ciencia es explicativa, ya que intenta explicar los hechos y fenó• La ciencia es sistémica menos de la naturaleza y del cosmos; no son suficientes las descripciones, sino que deben ir acompañadas de explicaciones que aclaran el por qué ocurren las cosas, cuáles son las causas y los efectos de las mismas. Esta cualidad es la que la diferencia totalmente de las creencias y de las ideologías, en donde no hay otro mecanismo sino la fe y los dictados de ciertos grupos de poder. 13. La ciencia es predictiva, es decir, va más allá de la experiencia y permite explicar el pasado y visualizar el futuro. Estas predicciones son las que permiten poner a prueba las hipótesis, solamente cuando están fundamentadas en leyes anteriores y experiencias verificables. Esta capacidad es la que hace de la ciencia un instrumento increíblemente importante para el desarrollo de la humanidad y de las civilizaciones. 14. La ciencia es abierta, ya que no reconoce límites al desarrollo del conocimiento; esto significa que toda teoría puede y debe ser refutada por cualquier persona que tenga los conocimientos y pruebas necesarias, para de esta manera corregir errores. Esta apertura le da transparencia a la ciencia, deja de ser un conocimiento de unos pocos iniciados, y se demuestra como parte de nuestras adquisiciones cognitivas más importantes. 15. La ciencia es útil, ya que permite desarrollar una serie de instrumentos tecnológicos que sirven tanto para 37 Capítulo 1 RESUMEN Características de la Ciencia • La ciencia es empírica, trascendental, analítica, especializada, clara y precisa • Es comunicable, verificable, metódica, sistémica, general, legal • Es explicativa, predictiva, abierta, y útil. beneficiarnos, como para hacernos daño. Esta utilidad de la ciencia se desprende de su objetividad, de modo que podemos afirmar que en general, pero no siempre, la tecnología es ciencia aplicada. Hay muchos casos en que las técnicas se descubrieron antes de conocer los principios científicos en los que se fundamentaban. Hay otros casos en que los descubrimientos científicos se conocieron decenas o centenas de años antes de que se produzca alguna aplicación tecnológica útil”. A continuación vamos a ver qué es la técnica y la tecnología. (Bunge, Pag. 21-48, 2001) ¿Qué es la tecnología? Es muy difícil definir debidamente a la tecnología. Para Marx la tecnología era un mecanismo de expansión del capitalismo; para muchos marxistas no hay ninguna diferencia entre ciencia y tecnología. El conocido filósofo español Ortega y Gasset fue uno de los primeros en distinguir las diferencias entre ciencia y tecnología, al considerar que: “la tecnología es un estadio del conocimiento que utiliza los principios científicos para desarrollar instrumentos, artefactos y herramientas para usos prácticos y para todo tipo de procesos, tanto de investigación como de producción industrial.” Se puede decir que la tecnología se ocupa del diseño y construcción de todo tipo de herramientas, máquinas, operaciones y mantenimiento de todos estos artefactos. La tecnología se refiere a estos artefactos, pero también al entrenamiento, crianza y labranza de la tierra, cultivo de plantas, manejo y reproducción de animales, descubrimiento de nuevas drogas y medicinas, nuevas prácticas para diagnóstico y cura de enfermedades, manufactura y producción de todo tipo de construcciones, desde edificios y puentes, a los más sofisticados sistemas de armas y comunicaciones satelitales. El sistema de la técnica y la tecnología se caracteriza por una constante transferencia de conocimientos entre la ciencia y la tecnología y entre las diferentes tecnologías existentes, incluyendo a los sistemas económicos, sociales y naturales. La tecnología moderna tiene un desarrollo enorme que no se detiene, al contrario, cada vez hay más artefactos de todo tipo y uso, útiles o inútiles, que llenan los almacenes, casas, oficinas y sociedades de nuestro planeta. EL MÉTODO CIENTÍFICO Los elementos de observación, formulación de hipótesis, predicción, falsación y comprobación conforman el método científico. El método científico se puede ilustrar como un ciclo infinito de observaciones y medidas para obtener datos, identificar patrones y regularidades en estas observaciones y medidas, formular hipótesis, hacer falsaciones y predicciones. , El método científico se basa en los siguientes preceptos según Bunge: 1. “Plantear el problema correcto. Se inicia con el reconocimiento de los hechos, al observar, examinar, clasificar y ordenar los asuntos más importantes. Permite descubrir los vacíos o incoherencias en el saber que deben ser rectificados. Hay que formular el problema por medio de preguntas precisas y significativas. 2. Construcción de un modelo teórico. Para esto hay que primero seleccionar los elementos más significativos, los que son pertinentes al problema en cuestión. En esta estapa hay que elaborar las hipótesis principales y auxiliares y los nexos que deben existir entre ellas. Cuando sea posible hay que traducir las hipótesis en formulaciones mesurables, cuantificables y matemáticas. 3. Deducción de las consecuencias particulares. Parte de la búsqueda de fundamentos lógicos que permitan deducir ciertas conclusiones que puedan ser verificadas. También es necesario realizar predicciones que permitan obtener los soportes empíricos del modelo escogido. 4. Prueba de las hipótesis. Hay que planificar la forma en que se pueden poner a prueba las predicciones, se deben diseñar las observaciones y mediciones a realizarse. Por último ejecutar las pruebas y recolectar los datos, que deben ser clasificados y evaluados, para que puedan ser interpretados por medio del modelo teórico escogido. 38 Las Nuevas Ciencias del Cosmos 5. Elaboración de la teoría. Hay que comparar los resultados con las predicciones realizadas, para determinar si fueron confirmadas o no y con qué rango de error. Eventualmente será necesario hacer reajustes al modelo seleccionado y sugerencias sobre cómo realizar nuevos procedimientos empíricos para determinar las confirmaciones de la teoría propuesta”. El sociólogo norteamericano R. K. Merton, propuso la tesis de que la “investigación científica es diferente a todas las otras actividades humanas. Se caracteriza por la coherencia lógica que debe mantener todo el tiempo y depende de la confirmación y verificación empírica, pero además, tiene componentes de tipo institucional ya que es universal, compartida, desinteresada y escéptica” (Bunge 51-92, 2001). LAS SEUDO-CIENCIAS La seudociencia y la seudotecnología no son basuras reciclables, sino virus intelectuales que pueden atacar a cualquiera, lego o especialista, al punto de enfermar a una cultura íntegra. MARIO BUNGE Las seudociencias son creencias y formas de especulación muy peligrosas que pretenden tener un cierto carácter científico, pero en realidad son verdaderas enfermedades de la cultura, como lo describe muy bien Bunge en su libro Seudociencia e Ideología. Algunos ejemplos de estas seudociencias son: el creacionismo, la percepción extra-sensorial, los objetos voladores no identificados, la astrología, el poder del cristal, la reencarnación, y otra serie de creencias que podemos encontrar en la literatura, y que no las caracteriza el método científico que hemos descrito en los párrafos anteriores. Ninguno de estos fenómenos y especulaciones, que colectivamente se les denomina seudociencias, pueden ser probadas en el sentido científico que hasta ahora hemos utilizado. Bunge comenta que: “El hombre, supremo creador, es también el máximo falsificador. Puede falsificarlo casi todo, desde billetes de banco hasta la amistad….Incluso puede falsificar la ciencia y la tecnología”. Una de las falsificaciones más exitosas y refinadas desde el punto de vista económico y social son las seudociencias. La importancia práctica y económica de estos procesos es realmente enorme a nivel mundial, por ejemplo, es indispensable saber si la quiropráctica, la homeopatía y la psicoterapia freudiana pueden pasar los filtros de la ciencia o son simple charlatanería. Debemos saber si la parapsicología, la clarividencia, la telepatía, la psicoquinesia y la precognición son verdaderas ramas científicas o no. Hay que determinar si la biología creacionista, la psicología del alma, la curación por la fe y el milagrismo son verdades que se pueden probar científicamente. Hay que determinar si la politología, las ideologías políticas, la planeación social, las predicciones de la economía monetarista y la futurología realmente funcionan y son científicamente verificables en sus predicciones. (Bunge, Pag. 63-79, 1989) Seudociencias de la mente La investigación científica de los fenómenos mentales empieza a desarrollarse a fines del siglo XIX, pero recién a fines del siglo XX es que se logran hacer avances significativos en lo que se conoce como las neurociencias, o también las ciencias cognitivas. Las neurociencias han tenido un desarrollo muy lento debido a varias razones: Primero: el grado de dificultad que representa trabajar e investigar el funcionamiento del cerebro con sus billones de neuronas y trillones de interconexiones. Este estudio se veía muy complicado porque hay que entender procesos que se desarrollan dentro del cerebro y hasta hace poco no era posible observar detenidamente estos efectos sin abrir el cráneo. Segundo: estos procesos mentales, también conocidos como espirituales o del alma, eran el dominio de las religiones y de la teología, de modo que era muy peligroso aventurarse en estos campos sin que se produzcan represalias. Tercero: si a esto le sumamos que resulta muy difícil realizar conjeturas o hipótesis sobre fenómenos que nos atañen a nosotros mismos, entonces se puede entender las dificultades para investigar estos temas de una manera científica y adecuada. 39 Capítulo 1 RESUMEN EL MÉTODO CIENTÍFICO Mentalismo Entre las seudociencias mentales debemos mencionar en primer lugar al mentalismo, que es el intento de explicar las sensaciones, la percepción, la memoria y el aprendizaje por medio del espíritu o la mente y que no tienen nada que ver con el cerebro. El mentalismo afirma que el alma es una sustancia inmaterial y por tanto no tiene nada que ver con el cerebro y sus neuronas, de modo que la mente no puede ser estudiada por la ciencia. Esta es la idea propuesta por Descartes a mediados del siglo XVII, pero continuada en el siglo XX por K. Popper y J.C. Eccles. La otra variante del mentalismo dice que la mente no es una sustancia sino organización, estructura, información y el conjunto de programas como un software. La mente no tiene nada o muy poco que ver con el sustrato material del cerebro y todo el complejo sistema nervioso que tenemos todos los seres humanos. Los mentalistas más modernos consideran que la psicología no tiene nada que ver con la neurociencia y que los procesos mentales son las manifestaciones de estructuras mentales subyacentes. Las razones por las cuales el mentalismo es una seudociencia son: admite la existencia de fenómenos mentales que no tienen relación con la materia del cerebro; no se apoya para sus estudios en ninguna ciencia reconocida, ni pretende usar leyes generales que permitan aclarar estos fenómenos espirituales. El mentalismo está constituido mayormente por especulaciones, metáforas y dogmas sin ninguna base experimental de comprobación. • Los elementos de observación, formulación de hipótesis, predicción, y comprobación conforman el método científico • El método científico se puede ilustrar como un ciclo infinito de observaciones y medidas • Para obtener datos, identificar patrones y regularidades, medidas, formular hipótesis, hacer predicciones y verificar o modificar las hipótesis • Plantear el problema correcto. Esto se inicia con el reconocimiento de los hechos, al observar, examinar, clasificar y ordenar los asuntos más importantes • Construcción de un modelo teórico. Hay que primero seleccionar los elementos más significativos • Deducción de las consecuencias particulares. Esto parte de la búsqueda de fundamentos lógicos que permitan deducir ciertas conclusiones que puedan ser verificadas • Prueba de las hipótesis. Hay que planificar la forma en que se puede poner a prueba las predicciones, hay que diseñar las observaciones y mediciones que deben realizarse • Elaboración de la teoría. Hay que comparar los resultados con las predicciones realizadas, para determinar si fueron confirmadas o no y en que medida o con que rango de error. La Investigación Científica • R. K. Merton dice que la investigación científica es diferente a todas las otras actividades humanas • Se caracteriza por la coherencia lógica que debe mantener todo el tiempo Parapsicología Se refiere al estudio de las manifestaciones y actividades de espíritus desencarnados, tales como la telepatía o la transmisión del pensamiento. La clarividencia o la posibilidad de observar fenómenos que tienen lugar a mucha distancia de donde está el sujeto. La precognición o la habilidad que supuestamente tienen algunas personas de sentir o saber qué es lo que va a ocurrir en el futuro. La telequinesis, o la facultad que supuestamente tiene la mente de algunos iniciados para mover objetos a distancia sin tocarlos. La reencarnación es supuestamente la posibilidad de que los seres vivos puedan revivir en otra forma como otro ser vivo en el futuro; y por último, la comunicación con los muertos. Hay tres modalidades que se practican para realizar estas actividades: la primera es por medio de las sesiones de espiritismo, la segunda por medio de un médium, y la tercera por medio de la investigación parapsicológica. La parapsicología es la única que investiga, de modo que durante cierto tiempo tuvo algún respaldo científico. Dice Bunge que: “si se comprueba la forma en que se realizan estas actividades parapsicológi- • Tiene componentes de tipo institucional ya que es universal, compartida, desinteresada y escéptica. • Depende de la confirmación y verificación experimental. cas, llegamos a la conclusión de que solamente son seudociencias.” Las pruebas: trata con entes inmateriales como los espíritus, entes que jamás han podido verificarse. No se interesan en el órgano de la mente que es el cerebro y además, no reconocen las violaciones a las leyes científicas como al concepto de causalidad y antecedencia al afirmar que es posible sentir fenómenos que aún no suceden. Además, asumen que no es necesaria la percepción para adquirir conocimientos de la realidad, ni se basan en las ciencias para deducir sus enunciados y axiomas. 40 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Psicoanálisis Tuvo su auge a fines del siglo XIX y principios del siglo XX, y se consideraba que era uno de los avances más extraordinarios de la ciencia, similar a los realizados por Galileo, Newton o Darwin. Pero al realizar un estudio detenido de estas actividades, especialmente las realizadas por Sigmund Freud, se llega a la conclusión de que primero no fueron totalmente originales, por ejemplo, el concepto del subconsciente ya se había formulado mucho antes de Freud. Estas actividades “podemos clasificarlas como seudociencias ya que Freud y otros postularon que una serie de entes espirituales o imaginarios como el yo, el super yo y el ello, eran capaces de actuar sobre el cuerpo animándole y a veces enfermándole.” Este animismo dogmático e inge- LAS PSEUDOCIENCIAS “La seudociencia y la seudotecnología no son basuras reciclables sino virus intelectuales que pueden atacar a cualquier lego o especialista, al punto de enfermar a una cultura íntegra” RESUMEN MARIO BUNGE • “Las seudociencias son creencias y formas de especulación muy peligrosas, son verdaderas enfermedades de la cultura” nuo es incompatible con las ciencias, ya que no usa las estadísticas en la mayor parte de los casos y no se basa en los descubrimientos de las otras ciencias. “Ninguna de las conjeturas del psicoanálisis han sido confirmadas científicamente y en la mayor parte de las universidades importantes del mundo ya no es una • “Como el creacionismo, la percepción extra-sensorial, los objetos voladores no identificados, la astrología” • “El poder del cristal, la reencarnación, y otras series de creencias”. cátedra universitaria.” (Bunge, Pag. 80-96, 1989) Seudociencia económica Dice Bernard Guerrien, economista de la Sorbona que: “la ciencia de la economía está muy lejos de ser exacta, que el término ciencia económica se usa para designar una serie de teorías que coexisten por largo tiempo y que si bien tratan de los mismos fenómenos, producen resultados diametralmente opuestos.” Existen dos razones fundamentales para estas diver- RESUMEN Mentalismo gencias, la primera es que la economía trata de asuntos relacionados con los seres humanos, en que las interrelaciones varían constantemente y no se pueden reducir a unos pocos parámetros por la complejidad que tienen. La segunda razón es que los investigadores económicos no son agentes neutrales sino partes interesadas de las sociedades que estudian; siempre tienen una opinión y realizan predicciones de lo que creen que es importante y de lo que se debe hacer para mejorar las situaciones que analizan. “Las predicciones económicas se basan en identi- • Es la percepción, la memoria y el aprendizaje por medio del espíritu o la mente y que no tienen nada que ver con el cerebro • El mentalismo dice que la mente no es una sustancia sino organización, estructura e información sin cerebro • Es una seudociencia, ya que admite la existencia de fenómenos mentales que no tienen relación con la materia del cerebro. ficar y definir las variables relevantes al problema económico en consideración. Las variables son el elemento principal de las predicciones económicas y aquí es donde comienzan los problemas del método económico.” De las decenas o centenas de variables relevantes, hay que escoger unas pocas, dos o tres, y comenzar el análisis con estas pocas, asumiendo que el resto no tendrá mayor influencia. Esta enorme simplificación automáticamente le resta validez al proceso de RESUMEN predicción económica. Seudociencia Económica Se establecen supuestos, bajo los cuales la teoría se puede aplicar; una de las categorías principales de estos supuestos es • Una de las leyes fundamentales de la economía escolástica es la que en igualdad de las restantes condiciones (Ceteris de la oferta y la demanda, tamParibus), todo el resto permanece constante, excepto las bién llamada ley del mercado variables preseleccionadas. • Adam Smith indicó que solaEl problema del método económico se complica irremediamente funciona bien el mercado cuando existe total libertad de blemente al suponer que todo queda constante, es decir, en un comercio y todos tienen la misma equilibrio absoluto, excepto el par de variables seleccionadas información relevante para el análisis. • Al no tener en cuenta la realidad No hay ni siquiera una mención al hecho de que la mayor parte de los fenómenos complejos, la economía escolástica que aplican de los fenómenos y procesos de la realidad son no lineales, es la mayor parte de economicistas decir, que una causa produce muchos efectos, y que estos efectos es sin duda otra seudociencia. 41 Capítulo 1 se retroalimentan, modificando a la causa. En los complejos sistemas de la realidad en que vivimos, hay cientos de variables que cambian al mismo tiempo y se retroalimentan unas a otras, es decir, no existe ningún tipo de linealidad y por tanto no se puede predecir racionalmente. Una de las leyes fundamentales de la economía escolástica, como la llama Bunge por no tener en cuenta la realidad económica verdadera, es la de la oferta y la demanda también llamada ley del mercado. Esta ley fue establecida hace mucho tiempo por Adam Smith y dice: “When the quantity of any commodity, which is brought to market falls short of the effectual demand… A competition will immediately begin among them, and the market price will rise more or less above the natural price, according as either the greatness of the deficiency, or the wealth and wanton luxury of the competitors…” (Smith, Pag. 56-65) Figura No. 1 - 11La economía del hidrógeno. Fuente: http://content.answers.com/main/content/wp/en-commons/thumb/5/5f/400px-Hydrogen.economy.sys_integration_circle.jpg Smith tuvo la prolijidad de indicar que solamente funciona bien el mercado cuando existe total libertad de comercio y todos tienen la misma información relevante; cosa que no sucede en ningún contexto real. Se hacen supuestos acerca del comportamiento de los individuos al considerar que todos actúan racionalmente y que cada uno persigue sus propios intereses y toma decisiones en consecuencia; este es otro de los axiomas que no coinciden con la realidad de los procesos naturales. En los procesos naturales no son solamente unos pocos individuos los que toman las decisiones racionales, sino cientos de personas, instituciones, autoridades y gobiernos; de modo que los procesos producen resultados no previsibles. Como se observa en la mayor parte de los casos, las predicciones economicistas no tienen la menor posibilidad de coincidir con lo que sucede en la realidad, ya que el mundo complejo es caótico e impredecible. Al no tener en cuenta la realidad de los fenómenos complejos y mostrar un total desdén por las consecuencias sociales negativas que pueden tener las políticas y planes económicos, la economía escolástica que aplican la mayor parte de economicistas es sin duda otra seudociencia, pero una muy peligrosa para las sociedades de nuestro planeta. Ya que no investiga directamente la realidad, sino que se fundamenta en estadísticas gubernamentales que tienen fines políticos, administrativos y no científicos y construye modelos matemáticos basados en hipótesis totalmente simplificadas como se explicó antes, de modo que los resultados No. 1 - 12 Políticos incorruptibles nunca pueden ser totalmente váli- Figura Fuente: http://www.jornada.unam.mx/1999/06/07/cien-feggo.jpg dos. 42 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Ideologías Dice Bunge que: “no hay cultura sin ideologías. Algunas son totales, o sea, versan sobre todo lo pensable, mientras otras son parciales…se limitan al orden social. Casi todas son incompatibles con la ciencia.” En general, en RESUMEN Ideologías todas las sociedades modernas existen ideologías que provienen de • “Algunas son totales, o sea, versan la imposición estatal o de alguna institución tradicional o de la acepsobre todo lo pensable, mientras tación ciudadana. otras son parciales…se limitan al orden social” La esencia de las ideologías es la creencia o la fe, por esto se puede definir a las ideologías como sistemas de creencias, de decla• “Casi todas son incompatibles con la ciencia.” raciones de juicios de valor al versar sobre lo que se puede hacer y lo que no se puede y al establecer objetivos que en muchos casos son irrealizables. Bunge divide a las ideologías en tres categorías: total, religiosa y sociopolítica. Como el marxismo que tiene una cosmovisión global, es decir total. Las religiones en el mundo moderno han perdido mucho de su poder y visión totalitaria, dejando que los estados se encarguen de los asuntos mundanos. Las ideologías sociopolíticas como el liberalismo, el fascismo o el socialismo, no necesariamente rechazan a la ciencia. Las ideologías fundamentalistas son aquellas que no cambian, que se mantienen inalterables aferradas a sus visiones por muchos siglos, como por ejemplo ciertas sectas cristianas o islámicas que interpretan todo lo que dice la Biblia y el Corán. El liberalismo a ultranza, que tiene a Adam Smith como su profeta y el marxismo dogmático son también fundamentalismos sociopolíticos, que valoran más la letra muerta que a la gente viva. Estos fundamentalismos son incompatibles con la ciencia y la tecnología, por tanto caen entre las peores seudociencias. • Dice Bunge que: “no hay cultura sin ideologías. Estas pueden ser: total, religiosa y sociopolítica” Ciencia y religión La ciencia es diferente de la tecnología, del arte, de las humanidades pero no se contrapone con ellas, al contrario, es un complemento indispensable como ya lo dijo el mayor genio de la humanidad, Leonardo Da Vinci. Entre ciencia y religión hay una gran diferencia que excluye cualquier posibilidad de acuerdo, por ejemplo la ciencia dice que la vida se auto-organizó espontáneamente mientras que la religión mantiene que hubo un creador de toda la vida. Además los miembros de las iglesias comparten creencias y prácticas que no han sido probadas por la ciencia. Mientras que los miembros de las sociedades científicas mantienen actitudes críticas e investigadoras por medio de experiencias verificables. RESUMEN Ciencia y Religión • Entre ciencia y religión hay una gran diferencia que excluye cualquier posibilidad de acuerdo • Los conflictos entre ciencia y religión existen desde que nació el pensamiento racional y crítico • Estos conflictos continuarán mientras no se logre desmitificar una serie de creencias que no tienen ningún fundamento racional y real. “Los conflictos entre ciencia y religión existen desde que nació el pensamiento racional y crítico, Sócrates y Bruno fueron condenados porque se atrevieron a poner en duda ciertos dogmas religiosos.” Estos conflictos continuarán mientras no se logre desmitificar una serie de creencias que no tienen ningún fundamento racional y real. (Bunge, Pag. 137-144, 1989) A partir de los movimientos sociales y estudiantiles de 1968, se percibió a la ciencia y la tecnología como parte fundamental del orden constituido, y por esto le achacaron todos los males de la sociedad, causados por políticos y empresarios. En especial se acusó a la ciencia de ser la causante de la carrera armamentista, de las armas atómicas, de la degradación ambiental y de la explotación del tercer mundo, cosa que no es totalmente cierta.(Bunge, Pag. 151-183, 2001) Mapas conceptuales Es una técnica usada para la representación gráfica del conocimiento, como una red de conceptos y sus relaciones. Los mapas conceptuales fueron desarrollados por Joseph D. Novak de la Universidad de Cornell en los años 60, basándose en la teorías de David Ausubel del aprendizaje significativo. Según Ausubel "el factor más importante en el aprendizaje es lo que el sujeto ya conoce". Este aprendizaje significativo ocurre cuando una persona consciente y explícitamente vincula nuevos conceptos a otros que ya posee. (http://es.wikipedia.org/wiki/Mapa_conceptual ). Esta es 43 Capítulo 1 la técnica más adecuada para aprender sobre las ciencias, relacionar los conceptos, ideas, teorías y leyes entre si con otros conceptos e ideas de la tecbología y de la vida práctica. Figura No. 1 - 13 Mapas conceptuales Fuente: http://www.infovis.net/imagenes/T1_N141_A4_MapaConcept.png 44 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Bibliografía AGAZZI EVANDRO La Lógica Simbólica. Editorial Herder, Barcelona. 1986 ATKINS PETER. Galileo’s Finger. The Ten Great Ideas of Science. Oxford University Press. 2003 BACON FRANCIS. Essays, Civil and Moral and The New Atlantis. Harvard Classics P.F.Collier and Son Corporation. New York. 1937. BERTALANFFY LUDWIG VON, General Systems Theory: Foundation, Development, Applications. Middlesex, England: Penguin Books, 1968. BOGDANOV A. Essays in Tektology. Translated by George Gorelik. Seaside, CA: Intersystem Publications, 1980. BRONOWSKI JACOB. The ascent of man, Back Bay Books. Little Brown and Company. 1973. BUNGE MARIO. 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Explica la importancia, para las Ciencias, de los principales factores que incidieron en el surgimiento del Renacimiento. 2. Explica los aportes fundamentales de Descartes para el desarrollo de la ciencia. 3. Explica los aspectos principales de la contribución de Leonardo Da Vinci para el conocimiento científico. 4. ¿En qué consistían esencialmente los siguientes principios planteados por Da Vinci: curiosidad – demostración – sensibilidad? 5. Explica los aportes fundamentales de Francis Bacon para el desarrollo de la Ciencia. 6. Explica los aportes fundamentales de Galileo Galilei para el desarrollo de la Ciencia. 7. Explica los aportes fundamentales de Isaac Newton para el desarrollo de la Ciencia. 8. Explica los aportes fundamentales de Charles Darwin para el desarrollo de la Ciencia. 9. Explica cómo se desarrolló un criterio escéptico en Albert Einstein. 10. Explica la característica esencial de los sistemas complejos del universo. ¿Qué es la Ciencia? 11. ¿Cómo define Mario Bunge a la Ciencia? 12. Explica las siguientes características, planteadas por Mario Bunge, que deben cumplir las teorías y leyes científicas: empírica – trascendental – especializada. 13. Explica las siguientes características, planteadas por Mario Bunge, que debe cumplir el conocimiento científico: comunicable – verificable – sistemático. 14. Explica qué es tecnología. El Método Científico 15.Anota los pasos planteados en el texto, correspondientes al método científico 16. ¿Qué es la falsación? Las Pseudociencias 17. ¿En qué consiste la seudociencia denominada mentalismo? 18. ¿En qué consiste la seudociencia denominada parapsicología? 19. ¿En qué consiste la seudociencia denominada psicoanálisis? 20. ¿Por qué consideras que la Economía es una seudociencia? 45 Capítulo 1 PREGUNTAS DE REFLEXION 1. La ciencia en este último siglo ha avanzado a pasos gigantes. La biotecnología, por ejemplo, permite la clonación, producción de plantas o animales resistentes a enfermedades, etc. ¿Qué consecuencias podría traer el uso indiscriminado de estas técnicas en el futuro? 2. Las universidades muchas veces no ofrecen el nivel adecuado de estudios, especialmente en campos como la ciencia e ingeniería, por lo que constantemente nuestros países sufren una “exportación de mentes”. ¿Cómo nos afecta ésta al desarrollo tecnológico y científico y cómo se podría solucionar este dilema? 3. La investigación con células madre (células no especializadas que tienen la capacidad de formar cualquier otro tipo de célula del cuerpo) promete grandes avances para curar enfermedades como Parkinson, Alzheimer, lesiones espinales, y otras ¿Debemos continuar con este tipo de investigaciones, en las que cambiamos partes de la naturaleza humana? 4. Cuando se realiza investigación, especialmente en medicina, se usan comúnmente animales como sujetos experimentales. ¿Qué límites se debe imponer a la experimentación con animales y qué organizaciones deben controlar tales actividades? 5. El petróleo es la principal fuente de ingresos de varios países. Sin embargo, para su explotación, frecuentemente grandes extensiones de bosque tropical desaparecen y con ellas un altísimo número de especies de flora y fauna. ¿Cómo debe el gobierno actuar en este caso donde se opone la economía con los recursos naturales, la pobreza económica con la pobreza ecológica? 6. El intercambio de información es la base para el desarrollo del conocimiento. Sin embargo, el acceso a libros y artículos está limitado por su costo o distribución. Con herramientas como Internet, ¿cómo crees que esto puede cambiar? 7. En la actualidad contamos con un sinnúmero de herramientas y aparatos que nos permiten realizar experimentos y mediciones con facilidad. Sin embargo, en la antigüedad ésta era una de las limitaciones más importantes. ¿Cómo podía un científico en ese entonces medir la circunferencia de la tierra? 8. Usando lo aprendido en el capítulo 1, distingue entre los conceptos de ciencia y tecnología. 9. Al planificar o realizar un experimento para probar una hipótesis, ¿qué cosas debemos considerar? 10. Al considerar a las diferentes seudociencias, ¿qué nos permite distinguir entre ciencia y seudociencia? 46 Las Nuevas Ciencias del Cosmos LOS ORÍGENES La emergencia de la complejidad No se conoce una ciencia si no se conoce su historia 2 AUGUSTE COMTE INTRODUCCIÓN F recuentemente nos preguntamos ¿Cuál es el origen del universo? ¿Cuál es el origen del sistema solar? ¿Cuál es el origen de la vida?¿De dónde venimos? y ¿A dónde vamos? Nos admiramos de las maravillas del cielo, pero también nos hacemos preguntas sobre cómo debió ser antes de que todas estas maravillas estuvieran presentes; hemos buscado respuestas a estas preguntas desde hace muchísimo tiempo. Al admirar la naturaleza que nos rodea, también nos preguntamos: ¿Cuál es el origen de los seres humanos? ¿Por qué somos inteligentes? ¿Habrá otros mundos en donde también haya vida inteligente? Inmediatamente nos asaltan otras dudas y preguntas: ¿Somos los humanos un accidente de la evolución? o ¿Somos la creación final de un Dios todopoderoso? Hasta hace pocos cientos de años, las únicas respuestas a estas inquietudes provenían de las creencias, de la fe, de los mitos y en algunos casos de los astrólogos. Recientemente se han desarrollado una serie de ciencias multidiciplinarias como la astrofísica, la astroquímica, la astrobiología o exobiología, que han permitido la colaboración de muchos científicos que han descubierto posibles respuestas para todas estas preguntas sobre las cuales hablaremos a continuación. Suponemos que esta aventura del Cosmos se inició hace aproximadamente unos catorce mil millones de años, empezando con un Gran Pum o Big Bang, en que se produjeron billones de billones de grados de temperatura, una energía descomunal que fue la que inició todo el proceso de la conformación y organización del cosmos. ¿Cómo apareció toda esta descomunal cantidad de energía? Más adelante veremos en el capítulo cuarto sobre la termodinámica que la energía no puede simplemente aparecer en algún lugar de la nada, que tiene que transformarse de alguna otra forma de energía o de materia. En este caso, como veremos en el capítulo diez sobre cosmología, “lo más probable es que la cantidad neta de energía al principio era nula, ya que al mismo tiempo que había una enorme cantidad de energía térmica, también había la misma enorme cantidad de energía negativa gravitatoria.” Sabemos que descendemos de ciertas bacterias, las que después de billones de años evolucionaron hacia una especie de primates, siendo el punto final el más interesante de esta historia universal, con la aparición de vida inteligente en los últimos millones de años. Sin embargo, también somos descendientes de enormes estrellas, muchas veces más grandes que nuestro Sol, llamadas supernovas, que existieron desde hace diez billones de años y que son los hornos en los que se forman nuestros átomos y los del sistema solar en que habitamos. Al principio, creíamos que estábamos en el centro del cosmos, pero ahora gracias a Copérnico, Galileo y Kepler, sabemos que esto no es así, “nosotros moramos en un planeta muy ordinario en las afueras de una galaxia también bastante modesta”. Pensábamos que éramos el producto de la creación divina, mejores que todas todas las otras especies de seres vivos que nos rodean, pero Darwin y Wallace nos pusieron ante el modelo correcto, ante el árbol genealógico de la evolución animal. “Nuevamente debemos llenarnos de humildad y aceptar que somos apenas los productos recientes de un proceso de auto-organización universal.” A continuación haremos un breve recuento de los orígenes de los principales actores de este proceso, del universo, de la ciencia, de la vida y de los seres humanos. 47 Capítulo 2 EL ORIGEN DE LA CIENCIA El descubrimiento más importante hecho por los científicos, es la ciencia misma. J. BRONOWSKI El origen de la ciencia comienza hace muchos miles de años atrás, cuando los seres humanos empezaron a comunicarse utilizando palabras. Se dice que las primeras comunicaciones entre los homínidos fueron mediante gestos, sonidos abstractos y especialmente movimientos de las manos, además de otras expresiones corporales. Hace aproximadamente treinta y cinco mil años se evolucionó hacia la fase del lenguaje, es decir, los sonidos guturales y gritos dieron paso a sonidos articulados que desembocaron en lo que conocemos como lenguaje. Este fue un paso fundamental en el desarrollo de las civilizaciones y de la ciencia: cuando desarrollaron una palabra para cada cosa y actividad empezó el proceso de creación de conceptos e ideas. Pronto el ser humano se dio cuenta de que era indispensable contar: necesitaban contar sus cosechas, lo que pescaban, lo que necesitaban sembrar y lo que debían separar para los impuestos, en definitiva los números se convirtieron en piezas indispensables de la vida cotidiana. Para esto utilizaron los dedos de las manos y de aquí se obtiene la base diez del sistema numérico que tenemos ahora. Luego se desarrolló la aritmética, las operaciones de sumar y restar, que eran necesarias para todo tipo de actividades, especialmente para todas las transacciones mercantiles que se fueron desarrollando. Más tarde fue necesario multiplicar y dividir, para poder distribuir equitativamente las cantidades o para abreviar las sumas. Apareció después la geometría probablemente en Egipto, por la necesidad que tenían de establecer los linderos de los terrenos al retirarse las aguas del Nilo después de las inundaciones anuales. Según Heródoto, “los agrimensores fueron quienes desarrollaron los primeros elementos de geometría”. Otros ejemplos del dominio de la geometría lo podemos encontrar en las pirámides y sus complejos laberintos interiores. Los impuestos que cobraban los empleados de los faraones, se determinaban en función de la superficie del terreno, por lo que era necesario saber las fórmulas para determinar las superficies geométricas. También había que determinar los volúmenes de las cosechas de trigo, ya que se cobraban los impuestos en granos y éstos estaban apilados formando volúmenes cónicos como pequeñas pirámides. (Gangui Pag. 21) Para el diseño arquitectónico y la construcción de todo tipo de estructuras, pero especialmente de las grandes pirámides, era indispensable tener muy buenos conocimientos de la geometría, pero también era necesario tener en cuenta la resistencia de los materiales, las fuerzas necesarias para halar los grandes bloques de piedra y el uso del plano inclinado para reducir la fuerza y el rozamiento para subir semejantes bloques. Nada de esto hubiera sido posible sin la existencia de un sistema de escritura que permita asentar todos estos conceptos y fórmulas que se fueron descubriendo paulatinamente. “Cada una de las grandes civilizaciones de la antigüedad desarrolló una forma de escritura que les permitía comunicarse y describir lo que tenían que hacer y la forma de hacerlo.” Los egipcios tenían una relación muy especial RESUMEN EL ORIGEN DE LA CIENCIA Un paso fundamental en el desarrollo de la ciencia fue el lenguaje hablado y escrito. Luego aparecieron la aritmética, la geometría y la arquitectura. con los dioses que habitaban en el firmamento; estos dioses mitológicos fueron parte muy importante de estas sociedades y se les asignaba una serie de poderes y características que determinaban la forma en que interactuaban con las sociedades. Para todo esto se desarrolló una clase de culto y de servidores de los dioses, representados en la Tierra por sacerdotes. Además, “necesitaban realizar mediciones de ciertos cuerpos celestes para poder navegar y orientarse en los enormes desiertos o en el mar. Tenían también que elaborar calendarios para saber en qué épocas era necesario sembrar y cosechar;” con este fin tuvieron que Para medir el tiempo y determinar las estaciones debieron realizar mediciones celestes. Así se inicia la astrología que fue la base para la astronomía. establecer maneras de medir el tiempo: al día lo dividieron en 24 horas y al año en 12 meses, con años de 360 días aproximadamente. Así se originó la Astrología o estudio de los cuerpos celestes, que 48 Las Nuevas Ciencias del Cosmos luego se convirtió en la ciencia conocida como astronomía. “Para todos estos cálculos del movimiento de los planetas tuvieron que desarrollar la geometría de los círculos y descubrieron el número Pi, que relaciona la circunferencia con el diámetro del círculo.” Los pueblos babilónicos que habitaban las tierras regadas por el Tigris y el Éufrates, donde ahora es Irak, fueron los maestros de la abstracción y además llevaron registros de una serie de astros celestes durante miles de años. Estos pueblos desarrollaron conocimientos astronómicos de gran precisión que luego servirían a la naciente astronomía griega. (Gangui Pag. 25) “Tenían un sistema de numeración basado en el número sesenta que permitía hacer cálculos con números grandes; en consecuencia ahora definimos a la hora con sesenta minutos y el minuto con sesenta segundos, además, un ángulo de 360 grados forma un círculo. El sistema babilónico de cálculo fue superior al de los egipcios, pero fue necesario esperar la inventiva y creatividad de los griegos para lograr un sistema deductivo basado en pruebas y demostraciones.” (Rankin, Pag. 6-16) Con la aparición de las mentes brillantes de Tales, Pitágoras, Demócrito, Euclides, Heráclito, Aristóteles y otros, se hizo posible estructurar los conocimientos de una manera coherente para así dar inicio al camino de las ciencias. “Los grandes pensadores griegos fueron los primeros en darse cuenta que la verdad debía ser independiente de nuestro pensamiento, ya que de otra manera todo sería simplemente una ilusión.” Los RESUMEN LOS ORÍGENES Emergencia de la Complejidad Se dice que las únicas preguntas profundas son: ¿de dónde venimos? y ¿a dónde vamos? filósofos griegos jugaban un juego que consistía en determinar cuáles eran las condiciones o características que eran comunes a distintos fenómenos, por ejemplo, si se compara un mueble con un ser vivo, se preguntaban qué tienen ambos que es común a todos los seres vivos y a todos los muebles; la respuesta es los átomos. Nosotros tratamos de entender la naturaleza que nos rodea y nos preguntamos: ¿Por qué estamos vivos? ¿Por qué existe la Tierra y la vida? ¿Habrá otros mundos con vida inteligente? El pensamiento científico en Grecia Tales de Mileto Está reconocido como el primer científico y filósofo del mundo occidental. Nació en la ciudad de Mileto, a fines del s. VII a. C. Este personaje está considerado como el más ilustre de los siete sabios de Grecia; fue el primer filósofo monista, ya que proponía que el Cosmos debía estar hecho de un solo principio o substrato único, que era el agua. “El movimiento y el cambio eran para Tales los principios fundamentales de la vida y el Cosmos, y el agua representaba estos principios.” Aristóteles lo consideraba como el primer filósofo jónico, fue un gran matemático, astrónomo y físico. Viajó por Egipto donde debió aprender de los sacerdotes egipcios los fundamentos de la geometría. “Fue el primero en introducir la geometría en Grecia y en proponer que existe un principio universal que conformaba todo el Cosmos; el creyó que este principio era el agua, ya que ésta aparece en tres estados, como sólido en el hielo, como líquido en el agua corriente y como gas en el vapor.” Se dio cuenta de que todas las cosas cambian y se preguntó si existiría alguna cosa que sea constante en el tiempo. “Lo más interesante de Tales, y la razón por la cual se le considera un científico es que no aceptó las explicaciones mitológicas o religiosas, sino que se propuso buscar explicaciones racionales.” (Gangui Pag. 33-34) Su pensamiento dio un extraordinario salto cualitativo al asumir que “el Universo estaba ordenado, estructurado y organizado de tal manera que la mente humana sí estaba en capacidad de entenderlo.” De modo que la realidad del Cosmos debía tener un orden interno, que estaba ahí esperando ser descubierto por la mente humana. “Tales resolvió el problema de inscribir un Figura No. 2 - 1 Tales de Mileto. Fuente: http://sapiens.ya.com/webfilosofia/tales.jpg triángulo en un círculo y la determinación de la altura de un objeto por su sombra y realizó una aseveración realmente admirable al asumir que el mundo es ordenado y no caótico. Estableció la primera 49 Capítulo 2 cosmología y el comienzo de las ciencias de la naturaleza.” (Nueva Enciclopedia Larousse) Estos conceptos fundamentales fueron diseminados por toda la Grecia antigua y sirvieron de base para el desarrollo científico posterior de la cultura de occidente. Por esto podemos afirmar que la ciencia se desarrolló en pueblos que estuvieron bajo la influencia de los griegos, y además, sólo se desarrolló donde existía un alto grado No. 2 - 2 Segmento oval de libertad y democracia, es decir, respeto Figura Fuente: http://es.geocities.com/ccalvimontesr/304CARAC.jpg por los derechos de los ciudadanos y de sus organizaciones sociales. “La ciencia y la democracia son por tanto los legados más importante de Grecia y son la base para el desarrollo del mundo entero.” Por esto afirma Carl Sagan que la democracia y las ciencias coinciden en una serie de situaciones y conceptos fundamentales: “Ambas comienzan en Grecia en los siglos sexto y séptimo antes de Cristo. La ciencia y la democracia requieren del intercambio de ideas y conceptos. Ambas son la antítesis del ocultismo y los secretos. Ambas confieren poder al que se toma el trabajo de aprender. Ambas promueven los debates y la crítica constructiva. Ambas requieren de honestidad, de argumentos coherentes y válidos, y desenmascaran a aquellos que sólo pretenden saber.” Pitágoras Nació en Samos en el siglo VI a.C. Muy poco se sabe de su vida ya que no dejó nada escrito. Parece que emigró a Crotona, en las colonias griegas al sur de Italia huyendo de la tiranía de Polícrates. “ Fundó una especie de secta secreta con sus seguidores, que sirvió de modelo para otras que surgieron en estas regiones.” Se le atribuye la paternidad de la demostración del famoso teorema, del cuadrado de la hipotenusa igual a la suma de los cuadrados de los catetos en un triángulo rectángulo; parece que antes ya se conocía este teorema y que fueron sus discípulos quienes lo probaron. “Lo extraordinario de Pitágoras es que descubrió la música de las esferas, las relaciones que existen entre las armónicas de una cuerda de un instrumento musical y las fracciones matemáticas. En su filosofía de las matemáticas creía que el mundo organizado puede ser comprendido por medio de principios básicos y proporciones regulares” (Gangui Pag. 41), ya que todas las cosas son números y los números son cosas. Trató de explicar el mundo por medio de las matemáticas y ésta fue una de las contribuciones más importantes para el avance del pensamiento humano y la formación del racionalismo occidental. “Pocas ideas han tenido tanto impacto e importancia en el desarrollo del pensamiento humano como ésta de relacionar los fenómenos naturales con la racionalidad y las matemáticas.” Sus discípulos continuaron sus ideas y en el siglo IV a.C. descubrieron que la raíz cuadrada de dos no era un número que se podía expresar como una fracción, y esto les dio mucho temor, ya que supusieron que habían descubierto algo numérico pero que no era verdaderamente un número. (Nueva Enciclopedia Larousse) Figura No. 2 - 3 Pitágoras Fuente: http://www.cielosur.com/archivos/pitagoras-boceto.jpg 50 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Euclides Fue un matemático griego del siglo III a.C. En el año 300 a.C. en Alejandría, fundó la escuela más importante de la antigüedad donde se enseñaba matemática. “Compiló un tratado llamado Los Elementos con todos los axiomas, pruebas y teoremas de la geometría que eran conocidos en ese entonces, y que siguen vigentes hasta ahora. Al principio de esta obra maestra hay una serie de definiciones de lo que él llama las nociones comunes y luego va desarrollando los teoremas. La obra consta de trece libros, los cuatro primeros tratan de la geometría plana y describen las figuras poligonales y circulares.” “Los dos libros siguientes tratan las semejanzas y definen las razones y proporciones. Los libros siete, ocho y nueve tratan sobre los números enteros. El libro décimo considerado el mejor, trata de los números irracionales algebraicos más simples. Los últimos tres son sobre la geometría del espacio.” También escribió otro tratado RESUMEN Figura No. 2 - 4 Libro Elementos de Euclides. Fuente: http://www.lva.lib.va.us/whatwedo/archweek/2003/archweek_images/GMU/Euclid_large.jpg sobre matemática, llamado Los Cálculos que es un complemento de los elementos, pero más analítico. Hay otra obra de Euclides que se perdió, sólo hay referencias de ella, que trataba sobre las superficies planas de cilindros, conos y esferas. Por último escribió un libro llamado Óptica en que define que los rayos de luz se mueven en líneas rectas y describe algunas proposiciones fundamentales de esta ciencia. “El famoso postulado de la geometría plana que se conoce como Postulado de Euclides dice: Por un punto del plano no puede trazarse más que una recta paralela a una recta dada.” La La Ciencia y la Democracia • Dice Carl Sagan que la democracia y las ciencias coinciden en una serie de situaciones y conceptos • Ambas comienzan en Grecia en los siglos VII a.C • Ambas requieren del intercambio de ideas y conceptos obra de Euclides es sin duda el cimiento básico para el desarrollo de las matemáticas y por ende de las ciencias. (Nueva Enciclopedia Larousse) • Ambas son la antítesis del ocultismo y los secretos • Ambas confieren poder al que se toma el trabajo de aprender • Ambas promueven los debates y la crítica constructiva Demócrito Es otro de los prohombres de la ciencia; nació en la ciudad de Abdera en Tracia en el año 460 a.C. Se le conoce como el filósofo risueño y es el creador de la teoría atómica de la materia. “Demócrito • Ambas requieren de honestidad, de argumentos coherentes y válidos y desenmascaran a aquellos que sólo pretenden saber. estaba cautivado por el problema planteado por Tales de que debía existir algún principio universal en la materia: que debía existir un substrato único del Cosmos.” De modo que propuso una de las ideas más geniales del pensamiento universal: “Todas las cosas materiales están conformadas por un número finito de partículas diminutas a las que les llamó átomos, es decir, indivisibles.” Su interés enorme por los fenómenos naturales le motivaron a escribir una serie de textos, de los cuales sólo se conocen unos pocos como: “Pitágoras o el comportamiento del sabio, El gran sistema y el pequeño sistema del mundo, De la naturaleza del hombre, Problemas del cielo, del sol, del fuego” etc. Se Figura No. 2 - 5 Demócrito y el átomo Fuente: http://www.puc.br/pos/cesima/schenberg/cientistas/democrito2.jpg presume que escribió cerca de setenta libros, que desaparecieron o fueron destruidos, “su pensamiento filosófico se conoce por las exposiciones que hace de él Aristóteles.” Vivió varios años con los geómetras de Egipto y éstos influyeron nota- 51 Capítulo 2 blemente en su forma de pensar. Hay una leyenda sobre Demócrito que dice que cuando estaba pasando frente a una panadería en Abdera, el pan salía del horno y este olor tan agradable llegó a su olfato de alguna manera. Como no podía ver nada que llegaba, asumió que eran cosas tan pequeñas que no podría existir nunca un cuchillo tan filo que podría cortarlas y dividirlas y por esto les llamó átomos, que proviene de dos palabras griegas, a que significa no y tomo que significa dividir. “Él creía que el cosmos está hecho de átomos y vacío, los átomos eran partículas materiales invisibles, indivisibles e invariables.” Los átomos sólo se diferencian por sus formas y dimensiones, están perpetuamente en movimiento y por medio de sus combinaciones producen los otros elementos. “Demócrito creía que nuestros sentidos como el olfato, percibían los átomos que son emitidos por los distintos cuerpos y que todo conocimiento procede de las sensaciones, pero son procesadas luego por medio de la razón. Este pensador griego es el precursor de la teoría atómica.” (Nueva Enciclopedia Larousse) Epicuro Fue discípulo de Demócrito, nacido en la isla de Samos, o quizás en Atenas. “Para Epicuro, los caminos para llegar al conocimiento científico se basan en el lenguaje y en la felicidad, cree que cada palabra debe corresponder a una noción exacta.” El espíritu recibe los datos de las percepciones por medio de las imágenes. Sus descripciones de la materia se basan en los átomos de Demócrito, de modo que era un atomista y creía que los átomos se movían por el vacío en trayectorias que eran líneas rectas. Pero entonces se preguntaba “¿Cómo es posible que estos átomos choquen y se asocien con otros para formar los cuerpos compuestos como la tierra, el agua, el aire y el fuego?” Formuló el con- Figura No. 2 - 6 Epicuro cepto del “clinamen” que trataba de explicar el origen de Fuente: http://www.consciencia.org/imagens/epicuro.jpg las sustancias, de la siguiente manera: “Cuando los cuerpos están siendo transportados hacia abajo, por efectos de su propio peso, en línea recta a través del vacío, en ciertos tiempos y lugares indeterminados, se desvían un poco de su curso, sólo lo suficiente para que se pueda hablar de un cambio de dirección. Esta declinación de la recta es el arbitrium, la sustancia específica, la verdadera cualidad del átomo. Esta no es una cualidad sensible, es el alma del átomo.” Sin embargo, no se presentaba nin- guna explicación de cuál era el mecanismo para que se produzca este clinamen o declinación de los átomos que viajan en línea recta.(Nueva Enciclopedia Larousse) Platón Platón nació en Atenas el mismo año en que se desató una de las peores plagas que asotó la ciudad y sus entornos: 427 a.C. Perteneció a una de las familias más antiguas y aristocráticas de Atenas y fue educado por tutores en su casa, donde aprendió a leer y escribir; leyó los libros de Homero y aprendió a tocar musica. Luego pasó al gimnasio donde desarrollaban el cuerpo mediante ejercicios y deportes, preparando a los jóvenes para el servicio militar. En el caso de Platón, es indudable que en sus paseos por el Ágora, conoció a Sócrates y se convirtió en su ferviente discípulo hasta la muerte trágica de éste. “Sócrates fue uno de los pensadores más profundos y originales de la antigua Grecia, mas nunca escribió una sola palabra de filosofía, solo conocemos de sus pensamientos por los escritos de sus dos discípulos Platón y Jenofonte, ya que ambos se convirtieron en los Figura No. 2 - 7 Platon Fuente: http://www.africamaat.com/IMG/jpg/platon.jpg 52 Las Nuevas Ciencias del Cosmos acompañantes permanentes de Sócrates.” Como hemos mencionado antes, los pueblos se preguntan frecuentemente sobre el origen del cosmos y nuestro destino en él. En ese entonces muchos pensaban que las explicaciones a estas importantes preguntas tenían que venir necesariamente de la religión o la mitología y que eran los dioses los responsables. Mas en la Grecia antigua, empezaron a buscar otras explicaciones diferentes, fue así que los pensadores, también conocidos como los presocráticos, habían propuesto una serie de explicaciones alterRESUMEN nativas a las mitológicas. “En el año 339 a.C, un poeta y fanático religioso llamado Meleto y un orador llamado Licón denunciaron a Sócrates acusándolo de no reconocer a los dioses del Estado y de corromper a la juventud; en el juicio la mayoría decidió que Sócrates era culpable. Una costumbre de esa época era que los culpables podían pedir una sentencia diferente y Sócrates sorprendió a todos cuando propuso como sentencia alternativa que le den comida gratis por el resto de su vida, los jueces molestos por esto le confirmaron la pena de muerte.” Platón relata Platón • La vida del filósofo es la mejor si busca la verdad y la belleza. • El camino verdadero es el camino del conocimiento. • Nuestro conocimiento no se fundamenta en palabras, descripciones o imágenes. • La verdad consiste en el dominio intelectual de las formas ideales. los últimos momentos de su maestro en el Fedón y a la muerte de Sócrates, Platón se marcha de Atenas y va para Egipto y Cirene. A su regreso escribe la Apología, que es la defensa de Sócrates y los Diálogos en que se presentan las situaciones y las conversaciones que Sócrates puede haber tenido. “El objetivo de Platón al escribir estos diálogos es demostrar que la vida de que la filosofía es un modo de vida unido a la idea del camino verdadero, que es el camino del conocimiento. “Platón consideró que la verdad no proviene de los profesores o de los libros, ya que nuestro conocimiento de las cosas no se fundamenta en las palabras, descripciones o imágenes. Platón consideró que la verdad consiste en entender por medio de la mente.” Por ejemplo, si queremos entender qué es una esfera, debemos desarrollar un verdadero conocimiento de lo que realmente es una esfera, “no es suficiente con las palabras o las imágenes, se requiere un verdadero dominio intelectual de la verdadera naturaleza de la esfera y este conocimiento son las formas ideales, que forman los moldes perfectos y eternos de los objetos que nos rodean.” Sócrates como filósofo es la mejor forma de vida, si esta vida se fundamenta en la búsqueda de la verdad y la belleza.” Esta es la idea pitagórica fundamental, (Cavalier Pág. 17-55) “El cosmos platónico era muy pequeño, del tamaño del sistema solar y estaba centrado en la Tierra. El límite del cosmos era la esfera de las estrellas fijas y dentro de esta última esfera estaban contenidas una jerarquía de veintisiete esferas menores alrededor de la Tierra.” (Gangui Pag. 57) “Platón consideraba que el mundo de los cielos era finito y lo llamó kosmos, es decir bello y armonioso, en contraposición a lo terrenal que era imperfecto , ya que la realidad era ilusoria, por lo cual está en un plano inferior.” (Gangui Pag. 54) El cosmos de Aristóteles Aristóteles nació en el año 384 a.C. en la ciudad de Estagira en Tracia. Su padre fue el médico personal del rey de Macedonia, padre de Alejandro Magno. A los diecisiete años se estableció en Atenas para estudiar en la Academia de Platón. Aristóteles está considerado la persona más inteligente de todos los tiempos y el primer verdadero científico. El pensamiento de Aristóteles difiere notablemente del de Platón en muchos aspectos, de modo que es posible que existiera cierta rivalidad entre los dos, que finalmente causó un distancia- Figura No. 2 - 8 El universo de Aristóteles Fuente: http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/retrograde/aristotle.gif 53 Capítulo 2 miento cuando Aristóteles abandonó la Academia a la muerte de Platón. “Aristóteles estaba interesado en conocer la realidad última de lo que existe, la cualidad esencial que se llamó ontología, y los límites de nuestro conocimiento sobre lo que existe, que se le llamó epistemología. Aristóteles nos advirtió que sí existe un mundo y si deseamos comprenderlo, es necesario que tengamos pleno conocimiento de lo que es y cómo es, es decir, de lo que él llamó las sustancias. Esta visión fue el comienzo de lo que se conoce como empirismo, es decir, la necesidad de verificar los conocimientos en la realidad por medio de pruebas y experimentos. Este es el fundamento de la ciencia moderna.” (Woodfin y Groves, Pag. 35) Aristóteles escribió una serie de tratados que no sólo influyeron en su tiempo sino que se convirtieron en el fundamento de casi toda la ciencia hasta los tiempos de Newton, a lo largo de casi dos mil años. En su obra encontramos tratados de filosofía, lógica, astronomía, biología, física y metafísica. Demostró estar más dotado para la lógica y menos para la filosofía natural, o lo que llamamos ahora ciencia. En lo que se refiere a la ciencia, “Aristóteles pensaba que ésta podía trascender las categorías, que se debe buscar las cualidades comunes a todo tipo de objetos, lo que significa que la ciencia debía ser general y abstracta, pero que es importante clasificar las definiciones de sustancias en especies y géneros.” Las sustancias se caracterizan por una finalidad o propósito; como una planta cuya finalidad es dar semilla, y la finalidad de un pedazo de mármol es convertirse en una estatua para el escultor. “Aristóteles se oponía al reduccionismo, que pretendía encontrar las explicaciones de los cambios reduciendo las sustancias a sus componentes elementales. La concepción aristotélica consistía en encontrar las explicaciones en términos de fines y causas, lo que es el comienzo del concepto de causalidad científica moderna... Aristóteles consideraba que la naturaleza es un organismo racional y comprensible para todos aquellos que tengan la capacidad y la formación adecuada. ¿Por qué crece una planta? Había cuatro razones o causas para esto: la causa material, porque sus componentes materiales permiten el cambio. La causa formal, porque sus funciones fisiológicas determinan el crecimiento. La causa eficiente, porque condiciones externas, como los nutrientes de la tierra y la luz del sol promueven su crecimiento. La causa final, porque de acuerdo a su propósito final, la planta debe crecer RESUMEN y producir semillas en forma perfecta.” El pensamiento científico en Grecia Tales de Mileto propuso que el agua es el principio universal de la materia. Introdujo la geometría y creía que la mente humana si está en capacidad de entender al cosmos. Pitágoras descubrió la música de las esferas y las relaciones entre los fenómenos naturales con la razón y las matemáticas. Al vincular las matemáticas con la realidad hizo una de las contribuciones más extraordinarias a la cultura humana. Euclides compiló un tratado con todos los axiomas, pruebas y teoremas de la geometría aún en uso. Demócrito concibió que todas las cosas están conformadas por un número finito de partículas diminutas llamadas átomos. Epicuro tenía un dilema, el determinismo del cosmos. ¿Está éste regido por leyes que permiten determinar lo que puede suceder? El Cosmos de Aristóteles Aristóteles estaba interesado en conocer la realidad última, la cualidad esencial que le llamó ontología, estudio del ser. También estudió los límites de nuestro conocimiento de lo que existe, que se llamó epistemología. En su metafísica dice que si existe un mundo y nosotros deseamos comprenderlo, es necesario conocer las sustancias, es decir, la materia, los átomos. Dio comienzo al empirismo, la necesidad de verificar en la realidad con pruebas y experimentos. Sus obras de ciencia incluyen: La Física, Sobre el cielo, Sobre la generación y corrupción; Aspectos meteorológicos, Sobre el universo, La sensación y lo sensible; Sobre la juventud, la vejez, la vida y la muerte; Sobre la respiración, Movimiento en los animales, Evolución de los animales, Generación de los animales; Sobre los colores, Sobre las plantas, Sobre maravillas oídas, Mecánica, Las situaciones y los nombres de los vientos, Metafísica etc. La noción de que el pensamiento se divide en categorías o clases comienza con los antiguos griegos y continúa con Aristóteles, que al inventar la lógica, la separa en axiomas fundamentales e inferencias derivadas; igual que en Los Elementos de la geometría de Euclides. Decía Aristóteles “hay que comenzar con algo y en algún lugar, de modo que comenzamos con las verdades aceptadas, pero indemostrables,” a las que llamó “axiomas.” La lógica la fundamenta en lo que llamó un “silogismo, compuesto de dos axiomas que permitían deducir un tercero o conclusión. Al primer axioma lo llamó: el principio de no contradicción, que dice que no es posible que algo sea y no sea al mismo tiempo.” Por ejemplo, una mujer está en cinta o no lo está, pero no puede estar en ambas condiciones al mismo tiempo. “El segundo axioma es el principio del tercero excluido, que dice que por lo menos una de dos condiciones debe ser verdadera, por ejemplo, si se afirma que llueve y que no llueve, una de las dos debe ser verdadera.” El razonamiento de Aristóteles está basado en la lógica silogística; los silogismos están o pueden estar desvinculados de toda forma de experimentación y consisten en dos afirmaciones y una conclu- 54 Las Nuevas Ciencias del Cosmos sión, que en muchos casos está totalmente alejada de la verdad. Este paradigma de la lógica aristotélica es el que dominó el pensamiento occidental durante más de dos mil años. “Según Aristóteles, la esencia del hombre es su racionalidad, esto no significa que siempre somos racionales, sino que podemos serlo al usar la lógica, el lenguaje para descubrir lo inteligible e inmaterial de las cosas y de esta manera sistematizar los conocimientos. La lógica nos permite conocer las cosas por medio de las experiencias sensoriales. Decía que: no hay nada en la mente que no haya estado antes en los sentidos.” El método filosófico de Aristóteles se llamaba aporía y consistía en ubicar o identificar un problema y luego buscar su solución. El cosmos de Aristóteles es eterno e imposible de ser creado o tener un final: además es perfectamente regular y se halla descrito más que nada en su Metafísica, que muchos consideran su obra más importante. “Él se imaginaba al mundo tal y como aparece a nuestros sentidos, con las estrellas inamovibles en el firmamento a igual distancia del centro de la Tierra y los planetas vagando en órbitas circulares alrededor de la Tierra. Más allá de las estrellas no existía ni espacio ni tiempo, solo una cualidad sobrehumana que estaría a cargo de imprimirles el movimiento de rotación, también llamado el Primum Mobile o primer motor que impulsa al mundo. Dice Gangui que: “Para Aristóteles la substancia fundamental de la región supralunar era el elemento incorruptible, imponderable, cristalino y transparente del éter.” (Gangui Pag. 61) Para Aristóteles “la tarea fundamental de la física era explicar los principios y funciones de la complejidad en la naturaleza y cómo se producían los cambios y los movimientos. Él usó estos mismos principios para explicar la materia inanimada del cosmos, a la cual le llamó la parte inorgánica de la naturaleza. Había solamente tres tipos de cambios: los cambios cuantitativos, en que se incrementaba o disminuía una magnitud; los cambios cualitativos, en que se alteraban las características, y el cambio espacial, en que se producía un cambio de lugar o movimiento en el tiempo.” “Aristóteles fue botánico, biólogo y fisiólogo y su idea fundamental de la vida era que ésta era autopoiética, es decir, se auto-generaba, rechazando las concepciones atómicas y reduccionistas. Por esto podemos afirmar que Aristóteles tenía una visión muy moderna y holística de la naturaleza y de la vida. Para explicar la vida, la concibió como procesos de cambio en la naturaleza, o lo que ahora llamamos evolución. Rechazó la matematización de la vida, llamándola especulativa y no realista. La vida era un proceso de automovimiento y cambios con propósitos bien definidos.” “La vida significaba tener alma, en el sentido de una fuerza organizativa, o entelequia vital de la materia, que él creía que residía en el corazón. De modo que la autoorganización de la vida fue interpretada por Aristóteles como una función auto-gobernada, apuntando a ciertos atractores u objetivos, con propósitos específicos propios, llamada teleología, o la explicación de la finalidad y el propósito de los cambios, tanto naturales como artificiales.” Una de las visiones más increíbles de Aristóteles es que concibió la evolución de los seres vivos por el azar y espontáneamente, lo que posteriormente Darwin confirmaría dos mil años más tarde. (Darwin, Pag. 9) Otra visión similar, y de igual importancia, fue la que tiene que ver con la evolución de las organizaciones de la sociedad, de la política, la educación, el arte, la técnica y el gobierno compartido por el pueblo y una pequeña élite, es decir, el comienzo de la democracia. Con su enorme obra de investigación empírica y de recopilación de las adquisiciones científicas del mundo helénico, hizo enormes aportaciones a la física, la biología, las Hhumanidades, la lógica, la metafísica por lo que podemos afirmar que probablemente Aristóteles es la persona más inteligente de la cultura occidental, usando la razón y la observación, diferenciando las formas de la materia. Pero aun las personas muy inteligentes cometen tremendos errores, por eso “la mayoría de las explicaciones de Aristóteles contenidas en su Meteorología están erradas, siendo la mayor equivocación el asumir que la Tierra está en el centro del cosmos y que el Sol gira alrededor de la Tierra.” (Woodfin y Groves, Pag. 104 -105) Aristóteles estaba además convencido de que la rapidez de los cuerpos al caer era directamente proporcional a sus tamaños, es decir, a sus pesos. Todavía muchas personas creen esto, pero desde Galileo, con el método experimental sabemos que esto no es correcto. El tercer gran error fue creer que el Universo es inmutable, es decir, que nunca cambia, pero desde Hubble sabemos que esto tampoco es así, ya que se expande, evoluciona y está en constantes cambios. El cuarto gran error fue decir que los hombres son superiores a las mujeres en todo sentido, que éstas sólo aportan la materia en la reproducción sexual, mientras que los hombres aportan su sangre que se 55 Capítulo 2 convierte en el nuevo ser. Más adelante veremos otros errores que cometió Aristóteles. Arquímedes Nació en Siracusa, Sicilia, en el año 287 a. C; en ese entonces ésta era una colonia griega. Hijo del astrónomo Fidias, quien fue el que le enseñó matemáticas; luego viajó a Alejandría para estudiar con Canón de Samos y ahí conoció a Eratóstenes, el director de la gran biblioteca de Alejandría y además el astrónomo que había determinado la circunferencia de la Tierra con gran exactitud. (Ver figura 2 - 9) Se dice que Arquímedes fue el estratega que permitió a los griegos de Siracusa Figura No. 2 - 9 Determinación de la circunferencia de la Tierra por Eratóstenes. defenderse contra los Fuente:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Eratosthenes_%26_meaataques de los romanos. surement_of_the_Earth.png Inventó una serie de máquinas como la catapulta, un sistema de espejos y lentes que supuestamente permitieron incendiar varios barcos de la flota romana. Pero lo más importante de su trabajo fue en la hidrostática, al descubrir el principio de la fuerza boyante, que es la que permite que los cuerpos floten. Descubrió la balanza hidrostática, el tornillo que permite subir agua, la ley de la palanca y otros más. Figura No. 2 - 10 Arquímedes gritando eureka, Fue además uno de los grandes pensadores de las matemáticas, al al descubrir la balanza hidrostática. Fuente:http://divulgamat.ehu.es/weborriak/Cuen resolver el problema de tos/Irudiak/arquimedes.jpg la cuadratura del círculo y al determinar con enorme exactitud la relación entre el diámetro y la circunferencia del círcilo, descubriendo el número Pi, con gran exactitud. Fue uno de los precursores del cálculo integral al estudiar las superficies y los volúmenes de los sólidos cónicos y descubrió la fórmula para calcular el volumen de la esfera. Este fue otro de los grandes genios de la Grecia antigua. (Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Arquímedes ) EL ORIGEN DEL UNIVERSO La palabra origen tiene sentido solamente si la podemos poner en el contexto de un determinado tiempo, es decir, como el principio de algo. Para nosotros los humanos el origen de las cosas es muy Figura No. 2 - 11 Chiste sobre el Big Bang importante, tanto por razones lógicas como emoFuente: http://www.cartoonstock.com/lowres/sea0209l.jpg cionales. Para comprender el significado profundo o la esencia de las cosas debemos conocer sus orígenes, de dónde provienen, cómo comenzaron. Pero no hay nada tan importante e interesante como nuestro propio origen: tenemos esta tendencia antropocéntrica imbuída en nuestras personalidades por los procesos evolutivos. Podemos entender que existimos solamente desde el momento en que nacemos, pero sabemos que hay un tiempo antes de nuestro nacimiento y después de él. Debemos entender que cuando hablamos de los orígenes del universo, estamos implicando una teoría 56 Las Nuevas Ciencias del Cosmos sobre los orígenes de los orígenes, el comienzo del comienzo, es decir, algo realmente extraordinario y complejo, ya que no estuvimos presentes cuando se produjo ni tenemos relatos de lo que sucedió. Algo parecido sucedía con los antiguos cristianos que se preguntaban al principio del cristianismo ¿qué hacía Dios antes de haber creado el mundo? La respuesta jocosa era que estaba preparando el infierno para todos aquellos que hacían este tipo de preguntas. San Agustín sí entendió que no podía haber tiempo antes de la creación del mundo, de modo que respondió que la creación no fue solamente de la materia sino también del tiempo. En la antigua Grecia, entre los filósofos había una aversión total contra el vacío, contra la nada, pues consideraban que éstos eran estados imposibles, que nunca podía existir algo que fuera nada, que no contuviera alguna materia en ese estado y que si se retiran las cosas en el Cosmos, siempre quedarían las formas ideales, de modo que no podía existir la nada o el vacío. “Para Parménides el cosmos formaba una unidad que llenaba todo el espacio, de modo que el vacío era una situación imposible. El otro principio fundamental de la lógica de Parménides era que las cosas no pueden aparecer de la nada o desaparecer en la nada.” La tradición griega decía que debía existir siempre algo ori- ginalmente que permitió la formación del cosmos y del mundo, en cambio la tradición judeo-cristiana dice que existió originalmente un Creador que fue el arquitecto de todo el mundo y de lo que existe. Los que sí consideraron la posibilidad de que exista el vacío, fueron los atomistas, comenzando por Leucipo de Mileto y su alumno Demócrito. Se sabe que Leucipo fue alumno de Zenón y contemporáneo de Empédocles. Una de sus obras principales fue El gran orden del cosmos en que desarrolló los principios del atomismo. Como vimos antes, estos pensadores consideraban que toda la materia estaba conformada de unidades diminutas e indivisibles llamadas átomos, pero que estos átomos se movían en un espacio vacío. “Esta visión de los atomistas no pudo convencer a las generaciones que vinieron después y durante los dos mil años posteriores la visión que prevaleció fue la de Aristóteles, que rechazaba la posibilidad de que exista el vacío y que el cosmos era finito y estaba lleno de toda la materia, de modo que el espacio estaba definido por la materia que contenía.” RESUMEN Durante el medioevo se impuso la doctrina de San Agustín de la creación divina de todo lo que existe, desde la nada como un acto de fe; hablar del vacío o de la nada era una herejía. “Para San Agustín la nada era como el diablo, ya que representaba la contradicción con Dios y por tanto era un estado de pecado y la antítesis de la virtud.” Al mencionar el concepto de EL ORIGEN DEL UNIVERSO La palabra origen implica un tiempo determinado. Entendemos que existimos solamente desde que nacemos, pero sabemos que hay un tiempo antes de nuestro nacimiento y después de él. Con el Big Bang tratamos del origen primigenio y el comienzo de todo, que es algo trascendental. El Vacío: en la antigua Grecia había una aversión total contra el vacío y contra la nada. Aristóteles rechazaba el vacío y creía que el cosmos era finito y estaba lleno de materia Leucipo y Demócrito sí consideraron la posibilidad de que exista el vacío. Durante el medioevo se impuso San Agustín con la gestión divina, desde el acto de la creación. En los siglos XVI y XVII se consideraba que el cosmos era finito, rodeado de un vacío infinito. La Cosmología Recién en el siglo XX se inicia la cosmología basada en la teoría general de la relatividad. La cosmología es el estudio del cosmos en su totalidad, su origen, evolución, estructura y muerte. la nada, San Agustín entró en un terreno muy complejo, pues se implicaba que antes de la creación debía haber existido la nada, pero él se libró de este dilema al decir que cuando Dios creó el mundo, también creó el tiempo simultáneamente. “Durante los siglos XVI y XVII se recuperó la visión de los estoicos de que el cosmos era finito y estaba rodeado de un vacío infinito. Esta también era la visión que tenía Newton, del vacío infinito como una realidad y se preguntaba de qué estará hecho este vacío universal.” Ahora la ciencia nos prueba que sí hay un origen del universo y que éste es también el origen del tiempo. Sabemos también que este universo no es inmutable o eterno, como decía Aristóteles, sino que está en constante evolución y al mismo tiempo se auto-organiza y emergen estructuras, pero continuará enfriándose hasta llegar a lo que se denomina la muerte térmica, como veremos en el capítulo diez sobre cosmología. El Big Bang Recién en los años sesenta del siglo XX se inician seriamente los estudios e investigaciones cosmológicas, basadas en la Teoría General de la Relatividad, como veremos en el capítulo ocho y que trata sobre el dilema del espacio-tiempo. En 1917, dos años después de publicar El Sistema Solar Hace unos cinco mil millones de años se formaron el Sol y los planetas, a partir de una enorme masa de gases y polvo estelar que giraba lentamente. La Tierra era una bola ardiente de lava líquida. 57 Capítulo 2 esta teoría, Einstein escribió un artículo titulado Consideraciones Cosmológicas , en el que describía las aplicaciones de su teoría a todo el Universo. “La cosmología es el estudio del cosmos en su totalidad, su origen, evolución y muerte. La estructura del cosmos está determinada a gran escala por la fuerza de gravedad y ésta es la que determina la estructura de los sistemas planetarios, de las galaxias y de los grupos de galaxias o clusters. En un principio la cosmología era filosofía, ya que no era posible probar ninguna de las hipótesis y aseveraciones que se realizaban, pero con el tremendo desarrollo de la astronomía a partir de los años treinta del siglo XX y con la relatividad general que resultó ser muy precisa y confiable, se logró comprobar muchos de los postulados y convertirle a la cosmología en una ciencia. En el capítulo diez veremos en detalle los distintos aspectos de esta ciencia tan importante.” Hace cerca de catorce mil millones de años, nuestro universo estaba totalmente desorganizado, no había galaxias, ni moléculas ni átomos, era sólo una sopa de energía con temperaturas de billones de billones de grados; en estas condiciones y circunstancias, nuestros conocimientos y nociones de la ciencia no se aplican. De modo que el Big Bang es no solamente el origen del universo, sino también el límite de nuestros conocimientos actuales. Puede ser que en el futuro cercano podamos saber más acerca del comienzo de nuestro universo y aun de lo que pasó antes por medio de la teoría de las super-cuerdas, cuyos fundamentos veremos en el capítulo siete. “Al principio del tiempo, todo el espacio y toda la materia y energía estaban en un lugar del tamaño de la punta de un alfiler. Al principio solo existía una fuerza, todas las que conocemos ahora estaban unificadas en una sola debido a la casi infinita cantidad de energía de diez elevado a la treinta potencia de grados kelvin de calor. En estas condiciones extremas la estructura del espacio y el tiempo estaban tremendamente curvadas como una esponja.” A medida que el universo se enfriaba en el primer segundo, aparecieron las otras fuerzas como la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Estas fuerzas, pero especialmente la gravedad, fueron las que organizaron al cosmos y crearon el orden que nosotros podemos admirar en su extraordinario esplendor en una noche estrellada y por medio de los grandes telescopios y fotografías que con ellos se toman. La inflación El universo al mismo tiempo se infla y cada punto del espacio se aleja de los otros puntos a velocidades superiores a la de la luz, de modo que en menos de una millonésima de segundo el universo, es decir el espacio, alcanza un tamaño de diez elevado a la cincuenta potencia mayor que al principio. “Debido a la enorme temperatura inicial, los fotones convierten su energía en partículas de materia y antimateria, que se aniquilan unas a otras, produciendo nuevos fotones de energía. Por razones que no conocemos la materia gana la batalla contra la antimateria, si no fuera así, nuestro Universo estaría solamente compuesto de fotones de luz.” Cuando el universo se enfrió a unos cuantos miles de grados kelvin, después de unos trescientos mil años, los núcleos atómicos de hidrógeno, helio y litio pudieron captar unos electrones formando los primeros átomos. En este momento el universo se hizo transparente a la luz y estos fotones que vuelan por el espacio desde esa época podemos observarlos aún ahora como la llamada radiación de fondo. “El universo se auto-organiza con la sopa inicial de cuarks y leptones, que luego se transforman en protones, neutrones y electrones y de esta manera se van formando los átomos más livianos como el deuterio y el helio; todo esto en el primer segundo de vida del universo, que se convierte en una masa de partículas elementales.” Estos procesos se pueden probar por medio de los grandes aceleradores de partículas, que nos permiten experimentar con condiciones similares a aquellas que tuvieron lugar al final del primer segundo del Big Bang. “Durante el primer millón de años de expansión del universo, esta materia primigenia formada en su mayor parte por hidrógeno, se aglomeró debido a la gravedad en estrellas gigantes con masas diez o más veces mayores que nuestro Sol. Cuando estas super-estrellas agotaron el combustible hidrógeno, explotaron al final de sus vidas con tales presiones y temperaturas que formaron el resto de elementos del universo.” (Tyson pag 25- 27) La evolución del universo Como consecuencia de las enormes explosiones de estas super- estrellas llamadas supernovas, 58 Las Nuevas Ciencias del Cosmos se formaron todos los elementos que ahora conocemos en la naturaleza, pero especialmente los importantes como el carbono y el oxígeno que se formaron por la unión de átomos de helio, tres para el carbono y cuatro para el oxígeno. Hace siete u ocho billones de años, se formó nuestro Sol, una estrella común y corriente, relativamente pequeña, dentro de una galaxia conocida como la Vía Láctea. Hace unos cuatro mil quinientos millones de años se formó la Tierra en un lugar que ahora denominamos sistema solar. En un principio la Tierra era una bola ardiente de lava líquida, que ardía por el calor de la desintegración radioactiva y la energía calórica, resultado de los choques del gran bombardeo de la lluvia de cometas helados y meteoros carbonados que aumentaron la cantidad de agua y carbono del planeta, así como de la temperatura que ahora se concentra en el centro de la Tierra. Cuando se enfrió la parte exterior de la Tierra, el vapor de agua se condensó y llovió durante miles de años y se llenaron los océanos, estableciéndose las condiciones para el segundo proceso de auto-organización fundamental, la vida. El hidrógeno libre que quedó en la Tierra se combinó con carbono para formar metano. También se combinó con el oxígeno para formar agua. Al combinarse con el nitrógeno, formó amoníaco y con azufre, los sulfuros. Estos gases son los que formaron las macromoléculas de la vida. LA EVOLUCIÓN DE LA VIDA FiguraNo. 2 - 12 Evolución del cerebro humano Para poder entender la pregunta del origen de la Fuente: http://static.howstuffworks.com/gif/evolution-skull.jpg vida, debemos primero aclarar qué es la vida; esta pregunta no es nada fácil de contestar, ya que no existe una respuesta sencilla ni que sea generalmente aceptada. Cualquier característica de los seres vivos puede ser también descubierta en los seres no-vivos; los seres vivos se reproducen, lo mismo hace el fuego. La vida evoluciona y produce nuevas formas de vida, lo mismo sucede con los cristales que crecen en soluciones acuosas. Se puede entender la vida como los procesos que permiten que ciertos seres orgánicos se reproduzcan y evolucionen. La vida en el planeta Tierra se inicia con cuatro elementos, carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, que se les conoce como CHON, todos los otros elementos sólo conforman menos del uno por ciento de la materia de los seres vivos en la Tierra. ¿Cómo comenzó la vida en la Tierra? Esta pregunta aún no se puede responder con total seguridad ya que los seres vivos primitivos no dejaron huellas muy claras de su existencia. Las placas tectónicas están moviéndose y Figura No. 2 - 13 Experimento de Miller y Urey Fuente: http://www.sedin.org/picsevo/Miller01.gif 59 Capítulo 2 LA EVOLUCIÓN DE LA VIDA La vida se forma en un largo proceso de auto-organización y coevolución. Partiendo de macromoléculas, hasta la formación de aminoácidos y proteínas. Luego del ARN viene el ADN. RESUMEN Las Macro-moléculas Este proceso se inicia con las moléculas orgánicas basadas en el carbono. Estas moléculas existen en el universo. Algunas de estas se podían reproducir como el ARN. Sólo sobrevivieron las que se adaptaron a cambios ambientales, luego aparecieron las primeras células vivas, las procarióticas. chocando unas con otras desde hace miles de millones de años, de modo que los restos de los primeros seres vivos están cocinados en el interior de la Tierra. La ciencia que estudia el origen de la vida en la Tierra se llama paleobiología; ésta estudia los restos de seres vivos en rocas que tienen varios billones de años. Los restos más antiguos de seres vivos datan de hace 2.7 billones de años, de modo que se puede presumir indirectamente que existieron seres vivos antes de esas épocas. La vida en la Tierra debió aparecer hace más de tres billones de años, antes de que aparecieran cantidades significativas de oxígeno libre en la atmósfera. “Este oxígeno primitivo apareció como el desecho de los procesos de fotosíntesis de ciertas algas del mar llamadas cianobacterias. También algo de oxígeno libre aparece por efecto de los rayos ultravioletas que descomponen a las moléculas de agua de los mares primitivos, liberando oxígeno e hidrógeno a la atmósfera. El oxígeno oxidó las rocas de esa época, dándoles un color rojizo típico de la oxidación. Esta fue la mayor polución de nuestro planeta, ya que no solo oxidó las rocas sino también a las moléculas de los alimentos de los seres vivos de esa época, por lo que muchas formas de vida desaparecieron o debieron adaptarse al oxígeno.” ¿Qué es la vida? Oparin estableció los procesos fundamentales de la vida, especialmente la forma en que se producen las proteínas, que luego permiten la aparición de las moléculas básicas de las células primitivas. Las Bio-moléculas La capacidad de los átomos de carbono para formar anillos y largas cadenas es fundamental para la vida. Las bio moléculas más importantes de nuestro cuerpo son las proteínas. La célula es la característica básica de la vida. Cada célula tiene en sí todos los atributos para la vida, incluida la reproducción. Las Células Los órganos complejos de los seres vivos están compuestos por células. En el centro de la célula se encuentra el núcleo. Según Lyn Margulis las células modernas son los resultados de la simbiosis, y como resultado se obtienen células mucho más complejas. Las características de la vida Toda la vida biológica consiste de células. La vida es una propiedad de los planetas y de los ecosistemas más que de los individuos. Hay dos tipos de proteínas, las enzimas o catalizadores y las proteínas estructurales. Los procesos metabólicos forman una red de interconexiones químicas. (Tyson pag 233-237) La vida comenzó como un largo proceso de auto-organización y co-evolución que lo llamamos genéricamente evolución. Partiendhttp://www.sedin.org/picsevo/Miller01.gifo desde primitivas moléculas simples, hasta la formación de aminoácidos y luego del ácido ribo-nucleico o ARN y después del ácido nucleico o ADN que no contiene oxígeno. Con estos bloques constructivos estaba lista la evolución para producir las primeras proteínas que permitieron la formación de las células primitivas o procariotas, que no tenían un núcleo bien definido como en el caso de las bacterias. Todo este proceso se inicia con unas moléculas llamadas orgánicas, que están hechas de carbono y otros elementos en los mares y en la tierra primitiva. Estas moléculas existen virtualmente en todo el Universo; cuando se dieron las condiciones ambientales adecuadas, gracias a las macromoléculas se inició el proceso de auto-organización de la vida que duró muchos cientos de millones de años. Algunas de estas moléculas tenían una cualidad muy importante: se podían reproducir a sí mismas, como las de ARN. Como dijo Jacques Monod, “este proceso de la vida es completamente probable y totalmente necesario en la Tierra por las condiciones ambientales que existían en ese entonces.” Darwin y Wallace propusieron en el siglo XIX la idea fundamental de que “la vida se inicia en un proceso continuo de acumulación de cambios e información, que duró miles de millones de años, llamado evolución por selección natural,” como vimos antes. ¿Qué es la vida? Con esta pregunta comienza el libro del gran biólogo ruso Alexander Oparin publicado en Moscú en 1923. Lamentablemente este importante trabajo no fue conocido en occidente hasta el año 1967, cuando John D. Bernal publica su libro llamado The Origin of Life. “Oparin tiene el gran mérito de haber vinculado los procesos de la vida con los elementos químicos, completando de esta manera la teoría de la evolución de Darwin y Wallace y estableciendo científicamente las interrelaciones entre los seres vivos y el entorno que les rodea.” Oparin reconoció los procesos fundamentales para que emerja la vida, pero especialmente la forma en que se producen las proteínas que luego permiten la aparición de las moléculas básicas 60 Las Nuevas Ciencias del Cosmos de las células primitivas. Dice Oparin que: “El surgimiento de la vida es uno de los problemas más complejos y difíciles de las ciencias naturales.” En un principio hace un recuento de la forma en que se concebía la vida en la antigua Grecia y resalta especialmente el concepto aristotélico de la generación espontánea de la vida, “en que se conjugaban dos principios, el pasivo de la materia con el activo de la forma, siendo este último la entelequia del cuerpo, que es lo mismo que ahora llamamos el alma. De modo que la materia inanimada adquiere forma armónicamente y se organiza con la ayuda de la fuerza del alma que la mantiene viva.” (Oparin, Pag. 1-8) Oparin resalta las ideas de San Agustín, quién aseveraba que: “la generación espontánea de la vida era una manifestación de la voluntad del creador mediante un acto del espíritu vivificador”. Algo muy parecido dice Tomás de Aquino, uno de los teólogos más famosos de la Edad Media; más adelante señala que a fines del siglo XIX Darwin y otra serie de investigadores y científicos rusos asentaron un golpe demoledor a estas ideas al afirmar que nuestro planeta había estado poblado siempre por animales y plantas similares a las que existen ahora. (Oparin, Pag. 9-15) Oparin está en total desacuerdo con ciertos autores e investigadores de occidente que afirman que: “la vida se presenta de una forma puramente casual, gracias a una operante y feliz conjunción de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo”. Para Oparin el aparecimiento de vida es Figura No. 2 - 14 El árbol de la vida un proceso: “que duró muchísimo tiempo, ya que hasta los Fuente: seres vivos más primitivos poseen una enorme complejidad que http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/d/de/Tree_of_life_by_Haeckel.jpg/30 0px-Tree_of_life_by_Haeckel.jpg debe ser el resultado de mutaciones continuas y sumamente prolongadas de las sustancias que los integran, siguiendo los procesos evolutivos que permitieron el paso del mundo inorgánico al orgánico.” (Oparin, Pag. 16-21) Dice Oparin que: “para explicar el origen de la vida hay que explicar el origen de las sustancias orgánicas”, pero resulta que éstas son el resultado de las síntesis de los organismos vivos; “luego se pudo establecer que los hidrocarburos aparecieron en las atmósferas estelares por vía inorgánica. Las sustancias orgánicas sufrieron tres tipos de transformaciones o reacciones que son la condensación o alargamiento de las cadenas de átomos de carbono. La polimerización o combinación de dos moléculas orgánicas por medio de un puente o enlace de oxígeno o nitrógeno, y por último los procesos de oxidación-reducción. A todas estas reacciones se debe la complejidad y diversidad de las sustancias que forman los organismos vivos.” (Oparin, Pag. 26-51) “En 1953 Urey y Miller en un ya famoso experimento mezclaron metano, amoníaco, vapor de agua e hidrógeno y con unas descargas eléctricas como si fueran rayos, lograron producir una serie de aminoácidos, en condiciones muy similares a las que existieron en la Tierra primitiva.” (Ver Fig. 2 - 10) Mucho más difícil es lograr que los aminoácidos se interconecten y formen proteínas, pero bajo grandes presiones como las que existen en el fondo de los mares, sí se pueden unir y formar sustancias proteinoides. (Trefil y Hazen, Pag. 556) 61 Capítulo 2 Las Bio-moléculas La capacidad de los átomos de carbono para formar anillos y largas cadenas es una característica fundamental de las moléculas en las que se basa la vida en la Tierra. “Si se mezclan muchas de estas moléculas, el proceso de conformación de cadenas se repite una y otra vez. Al añadir a cada extremo de la cadena nuevos fragmentos de la sustancia correspondiente se formar un cordón muy largo que constituye la columna vertebral de las moléculas que guardan la información genética de la vida, llamadas Ácido Desoxiribo Nucleico o ADN.” Las bio moléculas más importantes de nuestro cuerpo son las proteínas. Todas las proteínas están formadas por una veintena de moléculas más simples conocidas como aminoácidos y todos estos aminoácidos contienen nitrógeno. Los aminoácidos tienen la misma estructura básica, con un grupo amina (NH2) que da su nombre a los aminoácidos. El segundo grupo es el ácido carboxílico (COOH) que hace que las moléculas sean ácidas. El tercero es siempre un átomo de hidrógeno aislado. El cuarto es un enlace del carbono que puede acoplarse a toda una variedad de distintos grupos químicos, dando a los diferentes aminoácidos sus características específicas. “El primer aminoácido que se identificó fue extraído del espárrago en 1806, por lo que se le dio el nombre de ácido aspártico. Otro aminoácido extraído de la gelatina en la década de 1820, resultó ser de sabor dulce y se denominó glicina de la palabra griega “dulce”. Todos los seres vivos tienen veintitrés aminoácidos importantes. Veinte de éstos se encuentran en todas las proteínas y otros dos aparecen indicando el comienzo y el final de la proteína.” La variedad de las proteínas que se pueden generar a partir de unos veinte aminoácidos es enorme. Las proteínas se presentan en dos variedades básicas: unas de estructuras largas y estrechas como el cabello, otras globulares en las que la cadena básica está enroscada formando una bola, como en los músculos. (Trefil y Hazen, Pag. 468-478) “La célula es la característica básica de la vida y cada célula tiene en sí todos los atributos de la vida, incluida la reproducción.” Todos los órganos complejos de los seres vivos, sea cual sea su fun- ción, están compuestos por células. En el centro de la célula, envuelto en una membrana, se encuentra el núcleo. El ADN está almacenado dentro del núcleo en unas estructuras conocidas como cromosomas. Cada cromosoma lleva gran cantidad de ADN y es asombrosa la perfección con la que la célula lo desenrolla y lo copia durante la mitosis. “Los cromosomas son una mezcla de ADN y proteína, pero contrariamente a lo que se había pensado inicialmente, es la proteína la que aporta el andamiaje en que se almacena el ADN. En la reproducción de las células humanas conocida como meiosis, los cuarenta y seis cromosomas primero se emparejan de tal forma que cada una de las veintitrés clases de cromosomas se sitúa al lado de su opuesto y cuando se divide la célula se obtienen dos células con 23 pares de cromosomas exactos. Cada proteína representa un gen, es decir, uno de los caracteres de la herencia. Se estima que en números redondos, existen cerca de 30.000 genes repartidos a lo largo de los veintitrés cromosomas humanos.” (Trefil y Hazen, Pag. 489-502) Las primeras células que aparecieron en la Tierra debieron ser estructuras muy sencillas, con el material genético distribuido por toda la célula; a éstas se les llama procariotas, que significa: antes del núcleo verdadero. Luego de algunos cientos de millones de años apareció un nuevo tipo de células mucho más complejas y maduras, las eucarióticas, es decir, con núcleo verdadero. Estas son células que tienen un núcleo y una serie de orgánulos internos. Según Lyn Margulis: “estas células son los resultados de procesos de simbiosis en que dos o más de estas células primitivas se unieron obteniéndo células mucho más complejas. Así aparecieron las primeras formas de vida que podían transformar la energía del sol por medio de la fotosíntesis. Éstas fueron las primeras plantas-bacterias que tuvieron su origen en, o cerca del mar”. “Hace unos quinientos millones de años se produce una verdadera explosión de especies en la Tierra.” Desde un principio la vida se favoreció con las asociaciones de células: los seres multicelulares fueron aumentando en complejidad y diversidad y aparecieron así los animales, seres que podían procesar oxígeno que ya era abundante en la atmósfera de esa época, para obtener grandes cantidades de energía por medio de la respiración. “En todos estos procesos, vemos que la complejidad aumenta, por medio de la auto-organización de compo- 62 Las Nuevas Ciencias del Cosmos nentes menores.” Es así como en un proceso que duró cerca de doscientos cincuenta millones de años, aparecieron los dinosaurios, que dominaron la Tierra por más de doscientos millones de años, hasta desaparecer hace aproximadamente sesenta y cinco millones de años. Se cree que la desaparición de los dinosaurios se debió al choque de un enorme meteorito con la Tierra, que produjo una hecatombe de tal naturaleza que los dinosaurios se quedaron sin alimento y perecieron. “La evolución prueba que existen inextricables conexiones entre todos los seres vivos de nuestro planeta, tanto de los que existen en la actualidad como de los organismos que nos precedieron.” Cuando contemplamos la vida en la Tierra, es fácil pensar que somos la especie dominante, por el poder de nuestra mente, de las organizaciones sociales y de nuestros descubrimientos científicos y tecnológicos, pero esto no es verdad. (Margulis y Sagan, Pag. 86-100) Las características de la vida dice Capra en su libro Las Conexiones Ocultas, de modo que el sistema vivo más simple es una célula. Pero la vida mantiene su estabilidad y continuidad cuando se forman los ecosistemas. Las nuevas investigaciones científicas se concentran más en enfocar el problema desde una perspectiva ecológica y de los sistemas químicos, de modo que la vida aparece como una propiedad de los planetas más que de individuos. Las células en sus procesos metabólicos involucran a las macromoléculas, especialmente al ADN y al ARN para formar proteínas con los aminoácidos. “Hay dos tipos de proteínas, las enzimas “Toda la vida biológica consiste de células”, que actúan como catalizadores, es decir, aceleran los procesos metabólicos de la célula enormemente y las proteínas estructurales que forman las estructuras de la célula.” En los animales superiores como los huma- nos también hay otras proteínas como aquellas del sistema inmunológico y las hormonas. El ADN está presente en todas las células y es el elemento fundamental para la replicación de las células, es decir, para su división, sin la cual no puede haber descendencia y variaciones para producir nuevas especies. De modo que una serie de autores consideran al ADN como la única característica definitoria de la vida. (Trefil y Hazen, Pag. 514-522) Para Lynn Margulis, “el metabolismo es la química incesante del automantenimiento, es una característica esencial de la vida. Los procesos metabólicos forman una red de interconexiones químicas … a través del flujo químico y energético, la vida se produce, se regenera y se perpetúa a sí misma continuamente”, de modo que donde hay vida hay redes metabólicas. Estas redes se crean y se regeneran permanentemen- Figura No. 2 - 15 El ciclo de vida de la malaria Fuente: http://www.cdc.gov/malaria/images/graphs/malaria_LifeCycle.gif 63 Capítulo 2 RESUMEN EL HOMO SAPIENS El origen del hombre se inicia con los primeros mamíferos de hace 200 millones de años. La evolución de los primates se orientó por la vista más que por el olfato. Nuestros ancestros los simios se convirtieron en primates hace 35 millones de años. La primera adaptación de éstos fue el andar bípedo para mirar sobre las hierbas altas y tener libres los brazos y las manos para usar herramientas y armas. Nuestro cerebro Se triplicó de volumen desde hace varios millones de años. La capacidad para fabricar herramientas y armas se relaciona con el tamaño y la complejidad del cerebro. El aumento del cerebro se produce debido a las complejas interrelaciones al vivir en comunidades. Las mujeres escogían hombres de cerebros grandes y los hombres mujeres de caderas anchas. te mediante las transformaciones químicas y metabólicas. “Esta dinámica de la autogénesis fue identificada como la clave de la vida por dos chilenos geniales, Maturana y Varela, quienes le dieron el nombre de Autopoiesis que significa autogeneración.” Evolución humana Comienza hace cerca de nueve millones de años. Unos simios africanos se diferenciaron en gorilas, chimpancés y humanos. La línea evolutiva comienza con los Australophitecus, los Homo habilis y los Homo erectus. El primero en salir de África hace más de un millón de años fue el Homo erectus, luego los Neanderthal llegaron a Europa. Los biólogos distinguen dos tipos de redes en las células, la red metabólica que procesa los alimentos que penetran por las membranas celulares produciendo metabolitos y la segunda, la red genética, que procesa los metabolitos para producir las macromoléculas del sistema genético; ambas redes constituyen lo que se denomina la red autopoiésica. Cuando una célula se reproduce no sólo pasa su material genético, sino también sus membranas, sus enzimas y sus orgánulos, es decir, toda la red celular. El estudio de los flujos de energía y materia a través de las células permitió descubrir las estructuras disipativas, como las denominó el premio Nobel Ilya Prigogine. Estas estructuras son sistemas abiertos que permanecen en un estado alejado del equilibrio, pero estable con un cambio continuo de sus componentes. Las estructuras dinámicas tienen como una de sus características que en determinadas condiciones producen nuevas formas espontáneamente, lo que se denomina emergencia espontánea. (Capra, Pag. 34-37) Estos fenómenos emergentes serán tratados detalladamente en el capítulo once en la sección Los procesos emergentes. “Los procesos emergentes nos dicen que no sólo se necesita una sopa química primordial que inicia la complejidad molecular, sino también que se requiere de unas membranas primitivas que formaron las primeras burbujas cerradas y que la vida se inició en el interior de estas burbujas.” (Capra, Antropocentrismo Las religiones judeocristianas ponen a los humanos como el centro y objetivo de la creación divina. El antropocentrismo es la idea de que toda la creación divina es para los humanos. El Homo sapiens no representa la cúspide del proceso evolutivo. La dominación de la naturaleza no puede continuar. Características humanas La comunicación mediante el lenguaje, el utilizar la voz para cantar, la construcción de herramientas, el fuego para protegerse del frío y de los animales; buscar cuevas, la lucha contra otros humanos; cocinar los alimentos, buscar plantas y hierbas para comer y como medicinas. Pag. 42-49) Una vez que se formaron las primeras células, el camino hacia la complejidad biológica estaba abierto con la entrada del nitrógeno indispensable para las reacciones catalíticas y para el almacenamiento de información. Dice Capra que: “Con estos elementos se dio inicio al despliegue global de la vida por medio de las mutaciones genéticas y la simbiosis o asociación de dos o más organismos vivos para producir uno mejor.” Se puede afirmar que: “la vida es la célula viva como una red metabólica delimitada por una membrana, autogenética y organizativamente cerrada, con diversos tipos de macromoléculas de gran complejidad: enzimas que actúan como catalizadores de procesos metabólicos; ARN, que actúa como mensajero en la transmisión de información genética; y ADN, que almacena información y es responsable de la autorreplicación celular.” (Capra, Pag. 58) Condiciones indispensables para la vida Para que la vida exista es indispensable un universo que ha evolucionado como el nuestro, se requiere una fuente de energía de una estrella como nuestro Sol y de un planeta como la Tierra que tiene los átomos necesarios que permiten que se formen las moléculas y estructuras complejas de la vida. Se requiere de un líquido que permita que las moléculas se combinen entre sí. Además que haya el tiempo necesario para todos los procesos de la vida y su evolución y estar a suficiente distancia del centro de la galaxia para que las radiaciones no destruyan la auto-generación de la vida. Hasta ahora conocemos solo una forma de vida planetaria, la de la Tierra. De ella sabemos que tiene un origen común, como vimos antes. Es posible que encontremos formas de vida en varios lugares de nues- Desarrollo humano Los cambios en las manos y los centros cerebrales fueron determinantes para la evolución. El cultivo de las variedades más resistentes producía mejores semillas. Domesticaron animales para tener rebaños de cabras, ovejas y otros animales de carga y para arar. Las viviendas eran cuevas o chozas de carrizo o madera. 64 Las Nuevas Ciencias del Cosmos tro sistema planetario, una posibilidad es en la luna Europa de Júpiter que tiene un tamaño similar a nuestra Luna. Europa tienen toda su superficie de hielo, que probablemente flota sobre un océano de agua líquida. Los astrobiólogos consideran que Europa puede ser un candidato para tener alguna forma de vida. (Tyson Pag. 265270) EL HOMO SAPIENS El origen del hombre se inicia con los mamíferos hace sesenta y cinco millones de años, después de la extinción de los dinosaurios en el gran continente llamado Pangea, que era la unión de varios de los continentes actuales. En esta época empiezan a aparecer las plantas con flores y frutos. “Los primeros primates y simios fueron los descendientes de unos mamíferos comedores de insectos, se parecían mucho a los lémures actuales, con los ojos muy grandes en la frente y una nariz muy pequeña. Es decir, la evolución se fue por el camino de la vista y no del olfato en el caso de los primates.” Figura No. 2 - 16 El fuego Fuente: http://www.serviguianet.com/Miscelaneas/curiosidades4.htm Estos fueron los primeros mamíferos en comer frutas, los otros continuaron alimentándose de insectos. Este cambio dio lugar a unas modificaciones muy importantes en la anatomía de nuestros ancestros. Por ejemplo, “el cuerpo de estos primates adquirió la clavícula, que no tenían los otros mamíferos de esa época. Esto les permitió abrazar mejor los troncos de los árboles y trepar más fácilmente. Las garras se transformaron en uñas y el pulgar se oponía al resto de dedos, de tal manera que podían manipular los palos, huesos o piedras que se convirtieron luego en herramientas y en armas.” Los simios Nuestros ancestros los simios se dividieron del resto de primates hace unos treinta y cinco millones de años cuando en el este de África cambió el clima y se produjo una tremenda sequía. Por esta razón desaparecieron paulatinamente los bosques tropicales de estas regiones y fueron reemplazados por las sabanas en donde tuvieron que adaptarse para sobrevivir. La primera adaptación fue el caminar bípedo para poder mirar sobre las hierbas altas lo que pasaba en los alrededores y no ser atacados por los leones, tigres y demás felinos. Al tener libres los brazos y las manos pudieron manipular objetos y elaborar armas y utensilios para defenderse o atacar. Pronto se dieron cuenta que podían defenderse mejor si formaban grupos y vivían juntos y de esta manera aparecieron los primeros clanes y tribus bien organizados en los que necesariamente debieron aprender a Figura No. 2 - 17 Características humanas comunicarse por medio de ruidos y movimien- Fuente: http://www.dkimages.com/discover/previews/942/664684.JPG tos de las manos. El ancestro común entre simios y humanos son los Australopitecos, que vivieron en el centro y sur de África hasta hace aproximadamente un millón de años. El andar bípedo produjo una serie de modificaciones en el 65 Capítulo 2 esqueleto y la parte inferior de la columna vertebral, la pelvis y las piernas, que se pueden observar en los fósiles descubiertos. El cerebro y la inteligencia “Nuestro Cerebro triplicó su volumen desde hace varios millones de años; este proceso se inicia probablemente con el andar bípedo. La capacidad humana para fabricar y utilizar herramientas y armas tiene una relación directa con el tamaño y la complejidad del cerebro, el volumen de la masa encefálica ha aumentado a lo largo del proceso de hominización, lo que puede relacionarse con los cambios en la conducta de los homínidos.” A lo largo de los años, las herramientas se incrementaron poco a poco en número y complejidad. Es probable que el aumento del tamaño del cerebro humano se haya producido como una respuesta evolutiva a las complejas interrelaciones que se dieron al vivir en comunidades y tener que fabricar utensilios, herramientas y armas cada vez más sofisticados y complejos. Pero lo más importante en este proceso fue sin duda la necesidad de desarrollar una serie de estrategias para poder sobrevivir durante las glaciaciones: como vivir en comunidades o clanes, mantener el fuego, habitar en las cavernas y demás lugares para protegerse del frío y cazar en grupos a los grandes animales. En este proceso evolutivo del Homo sapiens, el desarrollo del cerebro, la mente y la inteligencia juegan un papel preponderante. Dice Lyn Margulis que: “El crecimiento del cerebro: ...se reforzó con las ideas de la fertilidad, es decir, mujeres de caderas y nalgas anchas, que suponían un canal cervical más ancho para engendrar individuos con un cerebro mayor. Las mujeres escogían hombres de cerebro grande, y los hombres de cerebro grande escogían mujeres de caderas anchas iniciándose así un sistema de auto refuerzo…” Se cree que el predominio de la mano derecha proviene de la época en que las mujeres iban solas en busca de Figura No. 2 - 18 El hombre, la medida de todas las cosas. alimentos y llevaban a sus hijos sujetados con Fuente: http://www2.ubu.es/histgeo/photos/vitrubio.jpg la mano izquierda, de modo que sólo podían utilizar la mano derecha. Casi todos los mamíferos al terminar la lactancia pierden la capacidad de digerir la lactosa, la cual resulta perjudicial para la mayoría de los adultos. Pero ciertos grupos humanos, especialmente los indoeuropeos, uránicos y semíticos desarrollaron las condiciones para continuar bebiendo leche, gracias a una mutación que se produjo en Mesopotamia hace unos 8.000 años. Este cambio permitió el desarrollo de la ganadería, como una fuente de proteína animal que no requería matar al animal. Características humanas Lynn Margulis afirma que: “no es posible encontrar restos de la especie humana de más de unos cuantos cientos de miles de años, sin que se pierdan de vista los caracteres que consideramos propios de los humanos: la comunicación mediante el lenguaje, el utilizar la voz para cantar, la construcción de herramientas, el aprovechamiento del fuego para protegerse del frío y de los animales salvajes, la construcción de viviendas y la lucha contra otros grupos de humanos”. 66 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Lo más significativo en la evolución del comportamiento humano es sin duda el desarrollo de la capacidad para hablar, comunicar ideas y conceptos abstractos y la confección de armas y herramientas. La habilidad para usar herramientas también se observa en otras especies; existen buitres que usan las piedras para romper huevos de avestruz al lanzarlos desde las alturas, y las nutrias de mar usan piedras que las ponen sobre su pecho cuando nadan de espaldas, para abrir almejas u ostras. También se ha observado a los chimpancés salvajes usando ramitas de los árboles sin hojas para extraer las termitas de sus nidos. Los procesos para confeccionar herramientas produjeron individuos expertos en distintas actividades fundamentales para la supervivencia de la especie, como la caza, la pesca, crear trampas para atrapar animales, hacer fuego y cocinar los alimentos, detectar las plantas y hierbas que eran adecuadas para la alimentación y como medicinas; buscar cuevas y otros lugares habitables para evitar el frío y poder defenderse de las fieras. Antropocentrismo Como la rotación de la Tierra alrededor de su propio eje tiene una rapidez constante, no es posible sentir este movimiento ya que sólo se puede sentir el movimiento acelerado. Por esta razón parece que la Tierra está en reposo y que el Sol es el que gira alrededor de la Tierra todos los días. Desde que aparecieron las religiones judeocristianas en las cuales los humanos somos el centro y objetivo de la creación divina, aparece el antropocentrismo que es la idea de que toda la creación divina es para los humanos. Estas ideas se difunden con gran rapidez por todas las religiones, civilizaciones y culturas. Antes de Copérnico, se creía que la Tierra era el centro del universo y que, además, el ser humano, por ser la obra maestra del creador, tenía que ser biológicamente superior a todos los demás animales, ya que fuimos creados a su imagen y semejanza. Pero ahora sabemos que el Homo sapiens no representa la cúspide del proceso evolutivo. Aquellos que hablan en No. 2 - 19 El subdesarrollo humano. nombre del interés especial de la humani- Figura Fuete: http://www.mdp.edu.ar/rectorado/secretarias/investigacion/nexos/19/mujer1.jpgnte: Guayasamin. dad no aciertan a ver las interdependencias de la vida en la Tierra. La evolución no es simplemente una preparación para que llegue el ser humano a dominar y disfrutar de la naturaleza del planeta Tierra y del Universo. Necesariamente tenemos que apropiarnos de otros organismos y utilizarlos para poder sobrevivir, especialmente cuando la población humana alcanza ya cifras extraordinariamente grandes, más de seis mil millones de seres. “Es indudable que este enfoque de dominación sobre la naturaleza, como está siendo practicado desde hace algunos miles de años atrás, no puede continuar por mucho tiempo más. Tenemos que modificar esta serie de conceptos y visiones antropocéntricas para poder asegurar la sostenibilidad de las civilizaciones humanas,” como veremos en el capítulo doce. Nos hallamos en una etapa de dominación total del planeta Tierra, y tenemos que moderarnos, aprender a compartir y respetar a la naturaleza 67 Capítulo 2 y a los otros seres vivos “si queremos mantener nuestra presencia evolutiva y evitar el colapso ecológico.” Desarrollo humano Sabemos por medio del ADN mitocondrial, que hace unos cien mil años, desde África oriental salió un grupo humano de aproximadamente unas trescientas personas. Estos eran nuestros antepasados directos de toda la raza humana. Por medio del ADN mitocondrial hemos podido determinar que todos los seres humanos procedemos de este mismo grupo, muy pequeño. Todos provenimos de siete mujeres de este grupo, las siete Evas del Génesis. Los cambios en las destrezas de las manos y de los centros cerebrales fueron determinantes para los procesos de la evolución de los humanos. Hace 10.000 años se produce la primera revolución neolítica, una revolución agrícola en la que aparecen los primeros agricultores en varias regiones geográficas: Irak, Irán, Israel, Jordania, Siria y Turquía; en el sureste asiático, en la actual Tailandia; en África, a lo largo de río Nilo en Egipto; y en Europa, en las márgenes del río Danubio, en Macedonia, Tracia y Tesalia. También en el área del río Amarillo, en China; en el valle del río Indo, en India y Pakistán; y en el extenso valle de México. El agricultor empezó fijándose que ciertas plantas salvajes eran comestibles o útiles de algún modo y aprendiendo a recolectar semillas para replantarlas en terrenos despejados quemando los bosques; el cultivo durante un largo período de tiempo de las variedades más resistentes producía mejores semillas. Domesticaron animales salvajes para tener rebaños compuestos de animales domésticos como cabras, ovejas, caballos y otros. Aquellos que presentaban los caracteres más deseables, tales como cuernos pequeños y una elevada producción de leche, eran criados en forma selectiva. Las cosechas y el suministro propio de carne eran complementados por la pesca y la caza de aves, así como por la carne de animales salvajes. Las viviendas eran en su mayor parte cuevas pequeñas o chozas de adobe secado al sol, carrizo o madera. Formaron pequeñas aldeas o existían en viviendas aisladas rodeadas de campos, protegiendo a los animales domesticados. En el neolítico estas comunidades se auto-organizan y surgen las primeras ciudades como Jericó, en una zona muy adecuada para la producción agrícola. Luego aparece la rueda y con ésta los sistemas de transporte y con el procesamiento de los metales se aceleran las innovaciones en la agricultura y en la confección de todo tipo de utensilios y armas y se inician de esta manera las civilizaciones antiguas. El siguiente periodo histórico conocido a través de la información escrita y dibujada estuvo dedicado a mejorar las técnicas ya existentes. El perfeccionamiento de las herramientas y el equipamiento fue de especial importancia; las herramientas de metal eran más duraderas y eficaces y el cultivo se vio impulsado gracias a la ayuda de útiles como el arado tirado por bueyes equipado con una reja formando una palanca metálica. Los sistemas de irrigación usados en China, Egipto y Medio Oriente permitieron explotar una mayor superficie de tierra y mejorar notablemente la producción de alimentos. Los griegos fundaron con su vasta cosmo-visión un nuevo modelo de cultura. Grecia realiza una verdadera revolución de la arquitectura y la escultura, con las columnas y las edificaciones más espectaculares de la antigüedad, al combinar el cerebro y la mano para crear las ideas y conceptos más avanzados de la época, pero al mismo tiempo para crear el arte y la belleza más impresionante de su tiempo con sus diseños en metales, piedra y marmol. La evolución del hombre continúa con el desarrollo de la metalurgia, al lograr metales más duros que pudieron ser afilados como el bronce y posteriormente el hierro y el acero en Japón. La alquimia nació en el antiguo Egipto: los alquimistas creían que existía una afinidad entre el cuerpo humano y la naturaleza. Estos conocimientos fueron inicialmente secretos, pero luego esto cambia y son rápidamente divulgados y aceptados por las comunidades, más que nada en la medicina. De esta manera continúa el desarrollo de las civilizaciones y de la humanidad, pero con un alto costo para la naturaleza. Podemos estar casi seguros que dentro de aproximadamente un millón de años, nuestra especie será sustituida por una o dos 68 Las Nuevas Ciencias del Cosmos especies descendientes nuestras o por ninguna. Sabemos que las especies que están al borde de su extinción suelen reproducirse con gran profusión. Cuando sobrepasemos el reino físico del artefacto, o soporte biológico y lleguemos a los procesos de información o soporte lógico, los cambios en nuestra civilización serán aún más sorprendentes. Podemos detectar ya un enorme progreso de los sistemas de percepción y de recepción de información humana. Este panorama tan incierto es algo que debemos tratar de explorar y para esto es indispensable estudiar el futuro de la vida, de las civilizaciones y de la ciencia, temas que se tratan en los últimos capítulos. Figura No. 2 - 20 El método científico. Fuente: http://web.educastur.princast.es/proyectos/grupotecne/archivos/investiga/114esquem14.gif 69 Capítulo 2 Bibliografía BERTALANFFY LUDWIG. Teoría general de los Sistemas. Fondo de Cultura Económica. México. 1986. CAPRA FRITJOF. Las Conexiones Ocultas. Editorial Anagrama. Barcelona. 2003. CAVALIER ROBERT, LURIO ERIC. Platon, Era Naciente, Buenos Aires, 2000. DARWIN CHARLES. The Origin of Species. HARVARD CLASSICS P.F.Collier and Son Corporation. New York. 1937 GANGUI ALEJANDRO El Big Bang. La Génesis de nuestra Cosmología Actual. Editorial Universitaria, Buenos Aires, 2005 MARGULIS LYN, SAGAN DORION, Microcosmos, Barcelona, Planeta, 1998 MILLER JONATHAN, VAN LOON BORIN. Darwin. Era Naciente SRL . Buenos Aires. 2002 MATURANA HUMBERTO, VARELA FRANCISCO. El Árbol del Conocimiento: Las bases biológicas del conocimiento humano. Madrid: Editorial Debate, 1990 OPARIN ALEXANDR. El Origen de la Vida. Panamericana Editorial Ltda.. Bogotá. 2003 RANKIN WILLIAM. Newton. Era Naciente SRL. Buenos Aires. 1995. SAGAN CARL Y DRUYAN ANN. Sombras de Antepasados Olvidados. Editorial Planeta, Bogotá. 1993. TREFIL JAMES, HANZEN ROBERT M. The Sciences, An Integrated Approach, New York, John Wiley & Sons, Inc. 2001. TYSON DE GRASSE NEIL, GOLDSMITH DONALD. Origins, Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution. W.W. Norton, New York 2004. WOODFIN RUPERT Y GROVES JUDY. Aristóteles para principiantes. Era naciente, documentales ilustrados. Argentina. 2002. El origen de la Ciencia. 1. ¿Qué pensaba Tales de Mileto respecto al universo? 2. ¿Cuál es la contribución más importante de Pitágoras al pensamiento científico? 3. ¿Cuál es la contribución más importante de Euclides al pensamiento científico? 4. ¿Cuál es la contribución más importante de Demócrito al pensamiento científico? 5. ¿Qué idea tenía Demócrito sobre la materia? 6. Explica los principios de causalidad en la naturaleza, según Aristóteles. 7. ¿En qué consistía la aporía de Aristóteles? 8. Explica los principales errores de los planteamientos de Aristóteles. El origen del Universo. 9. ¿Cuál era la concepción de San Agustín respecto al universo? 10. ¿Cuáles son los planteamientos básicos sobre el Big Bang? La Evolución de la Vida. 11. ¿En qué consisten los planteamientos de Oparin sobre el origen de la vida en la Tierra? PREGUNTAS DE REPASO 12. ¿Qué son procariotas y eucariotas? 13. ¿En qué consiste el planteamiento de Maturana y Varela sobre el origen de la vida? El Homo sapiens. 14. ¿Cuáles fueron las ventajas al desarrollarse el desplazamiento bípedo en los primates? 15. ¿Qué relación existe entre el tamaño y complejidad del cerebro, por una parte, y la habilidad manual de los primates, por la otra? 16. ¿Solamente nuestros ancestros remotos tenían habilidad para elaborar y usar ciertas herramientas o la tienen también otros animales? 17. ¿En qué consiste el antropocentrismo? La idea del cosmos. 18. ¿Cómo serían las características esenciales de un Homo photosyntheticus? 19. ¿Qué consecuencias tiene el principio de autoorganización de la vida? PREGUNTAS DE REFLEXION 1. La ciencia nos dice que lo que hoy conocemos como universo se originó a partir del Big Bang. Explica si este evento significa una gran explosión o algo diferente. 2. Sabemos que toda la materia que ahora se encuentra en el universo proviene del Big Bang. Sin embargo, no todos los átomos de los que estamos compuestos existían ya en aquel momento. Explica con tus palabras cómo es esto posible. 3. Creemos que la geometría se inició con los egipcios que necesitaban medir terrenos para pagar sus impuestos y definir límites. Comenta acerca de los tipos de instrumentos de medición que se podría haber usado en esa época para realizar los cálculos necesarios. 4. En la antigüedad, genios como Aristóteles afirmaban que la Tierra se encontraba en el centro del cosmos. ¿Cómo se descubrió que la Tierra en realidad giraba alrededor del sol? 5. Da tu opinión acerca de por qué los antiguos creían que la rapidez de los cuerpos al caer era directamente proporcional a sus tamaños o pesos. 6. La cosmología es una ciencia que tardó muchos siglos en desarrollarse. ¿Qué inventos o descubrimientos crees que fueron claves para el desarrollo de esta ciencia? 7. Un concepto que puede resultar difícil de definir es la vida. Usa tus propias palabras para describir qué es la vida. 8. Se dice que un punto clave de la evolución de nuestros antepasados mamíferos sucedió hace aproximadamente 65 millones de años, cuando se extinguieron los dinosaurios que poblaban la Tierra. ¿Qué condiciones se dieron en esa época que favorecieron grandemente el desarrollo de mamíferos? 9. Desde tiempos ancestrales, los humanos hemos creído que somos seres superiores, cumbre de la evolución, con derecho de dominar el mundo y la naturaleza a nuestra conveniencia. ¿Cómo ha afectado esta visión antropocentrista el modo de vida que llevamos y cómo puede afectar al futuro de nuestra especie y del planeta? 10. En este capítulo vemos que el futuro y la supervivencia de la raza humana pueden depender de nuestra utilización de recursos como la ingeniería genética y la inteligencia artificial. ¿Cómo pueden estas herramientas ayudar en la conservación de nuestra especie? 70 Las Nuevas Ciencias del Cosmos EL ORDEN DEL UNIVERSO La emergencia del orden 3 ALBERT EINSTEIN Las reglas impiden el desarrollo del pensamiento creativo, precisamente porque siempre parecen correctas INTRODUCCIÓN E n Cuernavaca, México, no existen horarios para los buses en las paradas, como sucede en varios países europeos, sin embargo, se puede observar un extraño orden en los itinerarios de los buses. Petr Seba un físico de la Academia de Ciencias de la República Checa, descubrió en un estudio sobre los buses de Cuernavaca que “éstos se mueven de manera similar a las partículas subatómicas y que el desorden que se observa sirve muy bien a los usuarios de los buses.” Los choferes son los dueños de las unidades, lo cual implica que ellos compiten por los pasajeros, ajustándose al tráfico caótico de la ciudad y a la demanda momentánea de servicio. El movimiento resultante es muy similar al que describen las ecuaciones sobre el movimiento y la distribución de partículas subatómicas conocido como “caos cuántico”. Dice Petr que “los itinerarios de los autobuses funcionan porque el sistema se auto organiza. El sistema de buses de Cuernavaca es mucho más eficiente para los pasajeros que los buses en horarios fijos, que de todas maneras no podrían funcionar en un sistema de transporte con los complejos problemas de tránsito de esta ciudad.” Este es uno de los mejores ejemplos de auto-organización y nos demuestra cómo ésta es la fuente de orden en el universo. Carl Sagan, en su libro Cosmos, afirma que después de muchos miles de años de tratar, hemos descubierto una manera eficaz y elegante de comprender el Universo: un método llamado ciencia. Los descubrimientos de la ciencia de los últimos cien años nos han revelado un cosmos con una enorme organización y en expansión permanente. Es precisamente nuestra capacidad de asombrarnos la que nos motiva a tratar de percibir y comprender esta maravillosa organización. Algo interesante de este proceso llamado ciencia, es que hemos descubierto el alcance de nuestro intelecto y los límites que tenemos. También hemos logrado determinar que somos capaces de comprender esta organización tan grandiosa, pero que no todo lo podemos comprender. Con toda razón dijo el filósofo romano de origen ibérico, Séneca: “Nuestro universo sería una cosa muy limitada si no ofreciera a cada época algo que investigar…La naturaleza no revela sus misterios de una vez para siempre…Muchos son los descubrimientos reservados para las épocas futuras, cuando se haya borrado el recuerdo de nosotros” Lo maravilloso de todo este viaje por la ciencia, es que somos una especie que gracias a su enorme curiosidad ha desarrollado la capacidad de percibir y razonar sobre lo que nos rodea. Uno de los enigmas más grandes de la ciencia es el descubrimiento de que una creación humana, las matemáticas, mantiene una relación increíblemente estrecha y exacta con la realidad que percibimos de la naturaleza. Cualquier ciencia moderna necesita desarrollar modelos de la realidad para poder entender la enorme complejidad del cosmos y de la naturaleza. Solamente con los modelos cosmológicos que se han desarrollado desde la antigüedad ha sido posible entender poco a poco la enormidad de los cielos y del universo. En un principio estos modelos eran bastante simples, sin embargo explicaban razonablemente algu- RESUMEN EL ORDEN DEL UNIVERSO • Carl Sagan dice que: hemos descubierto una manera eficaz y elegante de comprender el universo: un método llamado ciencia • Gracias a nuestra curiosidad hemos desarrollado la capacidad de observar, percibir y razonar sobre lo que nos rodea • La ciencia necesita crear modelos de la realidad para entender la complejidad del cosmos. 71 Capítulo 3 nas peculiaridades como los movimientos extraños de los planetas. En ese entonces se consideraba que la Tierra era el centro del cosmos conocido, de modo que el Sol y el resto de planetas, así como las estrellas, giraban en torno a ella. EL DISEÑO DEL UNIVERSO El orden, la complejidad y la belleza del universo no son creaciones de una deidad, son el resultado de la evolución de un Universo complejo en el cual se acumularon cambios e información a través de procesos emergentes en largos períodos de tiempo. Estos procesos fueron posibles debido a la capacidad de auto-organización inherente a la materia y energía. Con el transcurso del tiempo, el Universo evoluciona formando una comunidad de galaxias, estrellas, planetas, cometas, agujeros negros y demás nubes estelares y cuerpos celestes perfectamente auto-organizados. Desde la época de los griegos, los filósofos han imaginado que el orden no puede ser producto de la casualidad; sin embargo casi dos mil años después el obispo anglicano William Paley promulgaba que el universo debe tener un diseñador. En su libro publicado en 1802 pretendía probar la existencia de Dios, de la siguiente manera: “Al cruzar un páramo, supongamos que me golpeo el pie contra una piedra y si me preguntara cómo llegó esa piedra a ese lugar, posiblemente, contestaría que siempre estuvo allí. No sería fácil demostrar lo absurdo de esta respuesta. Pero supongamos que encontrara un reloj en el suelo, y me preguntara cómo llegó a ese lugar, la primera respuesta no sería posible.” Mediante este contraste, el obispo pretende probar que las cosas complejas como un reloj no pueden ser producto de la naturaleza, y por lo tanto debe existir un creador que diseñó todo lo que conocemos en el cosmos. El argumento del diseño que asumen muchas personas, solamente puede probar que el universo tuvo un Figura No. 3 - 1 Diseño inteligente diseñador, no obstante nada dice acer- Fuente: http://www.astrosafor.net/Huygens/2004/51/BigBang.jpg ca de quién lo diseñó o cuáles eran las habilidades de ese diseñador. De igual forma, “el argumento del diseño no explica el propósito o la función de las creaciones. Si los humanos son el objetivo de la creación, Dios debió diseñar el mundo para que sea nuestra salvación, pero si este es el caso; por qué tanta desgracia, problemas y dificultades.” En esa misma línea de pensamiento, muchos escépticos han seña- lado que el dolor y la maldad prueban que no existe tal diseño y se dice que en caso de existir un diseñador, deberíamos poder contestar adecuadamente a los siguientes aspectos: • El universo debió haber sido diseñado de tal manera que la vida humana inteligente emerja lo antes posible. Pero no fue así, aparecimos sólo al final de casi catorce mil millones de años, y por una enorme coincidencia del azar que se produjo cuando un asteroide enorme chocó contra la Tierra hace sesenta y cinco millones de años y eliminó prácticamente a los dinosaurios que dominaban la Tierra. 72 Las Nuevas Ciencias del Cosmos • No debería existir una abundancia masiva de sistemas solares y galaxias en el Universo. Si el hombre es el objetivo de Dios, entonces es suficiente con nuestro planeta y un sistema solar, pero existen trillones de galaxias y cada una de estas con billones de estrellas. Se afirma que por cada grano de arena en la Tierra hay diez estrellas en el universo ¿para qué tanta abundancia? No debió dejarse a los caprichos de la evolución el surgimiento de la humanidad. Si el objetivo del creador era la humanidad, ¿por qué el surgimiento de nuestra especie se ve sujeto a procesos de cambios evolutivos que hacen que aparezcamos sólo en los últimos cien mil años cuando la Tierra tiene un período de formación de más de cuatro mil quinientos millones de años? El universo debería ser favorable a la persistencia de la especie humana, no sólo a su surgimiento. Sin embargo, es posible que en cualquier momento desaparezcamos como especie ya que un evento como el choque de un asteroide grande o un cometa contra la Tierra puede volver a suceder. RESUMEN EL DISEÑO DEL UNIVERSO • El orden, la complejidad y la belleza del universo son el resultado de la evolución hacia un universo complejo. • • El argumento del diseño no dice quién lo diseñó, las habilidades del diseñador, ni su propósito. • Las cosas complejas con un diseño aparente surgen de cosas simples que carecen de diseño. LA CAUSALIDAD • Hay muchas cosas maravillosas que podemos descubrir simplemente observando. • • La palabra cosmos proviene del griego y significa orden. Los argumentos de la creación y del diseño asumen que no existen otros mecanismos con los cuales el orden puede surgir espontáneamente del desorden. Hoy sabemos que esto no es verdad, existen explicaciones muy bien conocidas y demostradas científicamente de que sí hay otras maneras de explicar la aparición de la vida. Como vimos en el capítulo anterior, “las reacciones catalíticas permiten que una sustancia ayude para que se formen otros compuestos, la auto-organización, la auto-poiesis y la co-evolución son procesos,” que como veremos • La cosmología requiere de la astronomía, la relatividad, termodinámica, hidrodinámica, física atómica, física nuclear, física cuántica, astrofísica y teoría de cuerdas. Las reglas de la causalidad: Debemos aceptar sólo las verdades suficientes y a los mismos efectos debemos asignar las mismas causas. en detalle en los capítulos siguientes, permiten la emergencia de sistemas ordenados como la vida. La ciencia ha probado que en los cuerpos celestes como nuestro planeta, los materiales químicos pueden convertirse en sistemas biológicos en el lapso de unos cuantos cientos de millones de años, siempre que las condiciones sean favorables. Para esto, como vimos antes, se requiere de una serie de elementos como carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, además de la energía suficiente del Sol, para que se produzca la auto-generación de la vida. “Las cosas con un diseño aparente surgen de cosas que carecen de diseño. La gravedad es sin duda el mayor creador de orden en el Universo, ya que permite formar los cuerpos celestes y especialmente las estrellas que son la fuente de energía necesaria para la vida.” La energía y la materia poseen la capacidad de auto-organización, de modo que muchos sistemas físicos y químicos que no poseen vida, como las macromoléculas, tienen la capacidad de auto-organizarse y generar orden a partir del caos. La cosmología Hay muchas cosas maravillosas que podemos descubrir simplemente mirando el cielo en una noche despejada, alejados de las luces de las ciudades. Desde la antigüedad los astrólogos y astrónomos pasaban sus vidas mirando y tratando de interpretar lo que observaban en el cielo. Una de las maravillas del cielo despejado es la posibilidad de admirar a simple vista una pequeña parte de la Vía Láctea, nuestra galaxia; con todo el esplendor que brindan los billones de estrellas que la iluminan. Nuestros antepasados notaron que los 73 Capítulo 3 Figura No. 3 - 2 La Vía Lactea Fuente: http://www.diomedes.com/universo_1.htm RESUMEN Espacio y Tiempo • Newton “El espacio absoluto, por su propia naturaleza y sin relación con nada externo, persiste por siempre, inmutable e inmóvil…..” “El verdadero tiempo, absoluto y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin relación con nada externo” • Sagan: “El único lugar normal es el vacío vasto, frío y universal, la noche perpetua del espacio intergaláctico” cuerpos celestes y los planetas se mueven lentamente, debido a esto los antiguos griegos los llamaron planetas, palabra que se deriva del griego y significa caminantes o trashumantes. Cada cultura ha tenido razones profundas para observar el cielo y hacerse preguntas sobre su origen, significado, razón de ser, pasado y futuro. La palabra cosmos proviene del griego y significa orden. En la mitología griega existe una leyenda que afirma que “el caos se casó con la noche y a partir de esa unión nace el cosmos, el orden del cielo y los dioses del Olimpo.” Los intentos de los cosmólogos para tratar de entender el Universo dan lugar al desarrollo de una nueva ciencia que actualmente se conoce como cosmología y de la cual hablaremos en el capítulo diez. Los antiguos griegos Demócrito y Epicuro defendían la hipótesis de que e l Cosmos estaba formado de materia y vacío. Tenían razón, hoy sabemos que lo más abundante en el Universo es el vacío. Como dice Sagan: “El único lugar normal es el vacío vasto, frío y universal, la noche perpetua del espacio intergaláctico”. En esta inmensidad se hallan • Leibniz “Yo concibo el espacio como algo puramente relativo, como lo es el tiempo”. Espacio y tiempo esparcidas por doquier las galaxias que están compuestas de millones de estrellas, cada una de ellas puede tener a su alrededor varios planetas, de tal manera que existe una enorme posibilidad para el surgimiento de la vida en la inmensidad del Cosmos. Lo que es menos probable es que esas formas de vida hayan alcanzado un nivel de vida inteligente. En su obra maestra, Principia Mathematica, Newton describe al cosmos RESUMEN como: “El La Estructura del Cosmos • La ciencia se ocupó casi exclusivamente de las estructuras y no de su formación. Figura No. 3 - 3 Espacio-tiempo de Einstein Fuente: http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2005/images/gpb/vortex1_crop.jpg • Huxley: “Lo conocido es finito, lo desconocido infinito….Estamos en una pequeña isla en medio de un océano ilimitado de inexplicabilidad.” • Einstein: ¨la relatividad prueba que la aseveración de Leibniz es correcta, el espacio y el tiempo son relativos, no absolutos.¨ • El universo se compone de 5% de materia ordinaria, 25% de materia oscura y 70% de energía oscura. espacio absoluto, por su propia naturaleza y sin relación con nada externo, persiste por siempre, inmutable e inmóvil…El verdadero tiempo, absoluto y matemático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin relación con nada externo.” Con esto quería decir que el espacio era plano e infinito bajo cualquier condición y que el tiempo no varía y transcurre uniformemente en todo el universo. Estos conceptos fueron criticados desde un principio por Leibniz y hoy sabemos que tenía razón. Leibniz profetizó: “Yo concibo el espacio como algo puramente relativo, como lo es el tiempo.” Ahora podemos comprobar según la teoría de la relatividad de Einstein que lo que postulaba Leibniz era correcto. 74 Las Nuevas Ciencias del Cosmos La estructura del cosmos Durante mucho tiempo la ciencia se ocupó casi exclusivamente de la configuración de las estructuras y no de su formación. El interés en investigar esta última cuestión es reciente. Si no se quiere explicaciones que apelen a una fuerza sobrenatural o a actos divinos, es necesario que los científicos aclaren los procesos que dan lugar a su formación y generación autónoma, dicho de otro modo, su auto-organización. En el siglo XIX Thomas Huxley decía: “Lo conocido es finito, lo desconocido infinito….Estamos en una pequeña isla en medio de un océano ilimitado de inexplicabilidad. Nuestra tarea en cada generación es recuperar algo más de tierra”. Para la ciencia, el mundo de las cosas se convierte en el mundo de las estructuras y del orden sometido a leyes universales. No obstante las estructuras de los seres vivos son más que nada funcionales y caprichosas. Nos admiramos de los movimientos cíclicos y ordenados, como por ejemplo del movimiento de los astros, el trote de un caballo o la gracia de una danza de ballet. Sin embargo la sociedad se ordena conforme a condicioRESUMEN nantes diferentes, muchas veces incomprensibles para nosotros EL NACIMIENTO como son los avatares de los sistemas políticos, ideológicos y DE LA MECÁNICA sociales, que no son explicables mediante las ciencias clásicas. • La mecánica describe las leyes Para entender estas estructuras complejas exploraremos el del movimiento, las fuerzas, el equilibrio, la cantidad de movidesarrollo de las nuevas ciencias de la complejidad en el capímiento, la energía y la gravedad tulo once. • Aristóteles: La mecánica se iniCon la teoría de la relatividad, Albert Einstein probó que cia con el estudio de los moviel espacio y el tiempo son relativos, no absolutos como lo dijo mientos Newton. Además la relatividad predice que el universo debe • Galileo Galilei: al estudiar la expandirse o contraerse. Una década después y utilizando potencaída libre tenemos la capacidad de entender e interpretar los tes telescopios Hubble confirmó que la idea del universo en fenómenos como los movimienexpansión es una realidad. tos, las órbitas de los planetas y lunas. Las ecuaciones de la física cuántica indican que en el vacío debe existir algún tipo de energía que actúa en contra de la gravedad, permitiendo que el universo continúe expandiéndose cada vez más rápido; a esta energía se le llama energía oscura. El otro descubrimiento fundamental que se ha hecho recientemente es determinar que el universo es plano como lo imaginó Newton, no obstante se deforma como un embudo en los lugares donde existen grandes masas de materia como las estrellas o los planetas. “Según la relatividad, la curvatura del espacio está determinada por la cantidad de materia y de energía existentes.” La materia visible que se puede observar no es suficiente para que sea plano, de modo que el resto debe venir de otro tipo de materia que no podemos ver, esta otra materia se denomina materia oscura. EL NACIMIENTO DE LA MECÁNICA La mecánica es la parte de la física que describe los diferentes tipos y leyes del movimiento, las fuerzas y los estados de equilibrio entre los cuerpos, la cantidad de movimiento, la energía y la gravedad. Una bola que rueda, la trayectoria de las balas cuando surcan el aire, un barco flotando sobre las olas del mar, todos son asuntos que han sido estudiados intensamente por la mecánica. Aristóteles La mecánica se inicia con Aristóteles “y su estudio de los movimientos naturales, como los de los planetas y los movimientos llamados explosivos, que son causados por algún impulso o fuerza.” Aristóteles consideraba que: “Cada objeto se mueve de forma natural en línea recta, como cuando los objetos que están sobre la Tierra caen hacia abajo con una rapidez proporcional a su peso; de tal forma que los más pesados caen primero,” lo que sabemos que es incorrecto. Como veremos a continuación, Galileo demostró que: “la velocidad de caída es proporcional al tiempo en los movimientos acelerados.” Aristóteles creía que: “cada cuerpo busca el lugar que le 75 Capítulo 3 corresponde y se detiene una vez alcanzado este lugar. Los planetas supuestamente se movían con un complejo movimiento en epiciclos, formando círculos pequeños sobre círculos grandes,” que es lo que se observa si se miden los movimientos planetarios desde la Tierra. Aristóteles suponía que: “estos cuerpos celestes se movían dentro de un quinto elemento que él lo llamó éter, llamado también quintaesencia, un elemento especial tan tenue que permitía el movimiento en los cielos sin ofrecer RESUMEN ninguna resistencia y que al mismo tiempo era Las leyes del movimiento de tan denso que sostenía a los planetas y las Galileo • Rapidez: espacio sobre tiempo estrellas en los cielos.” En el siglo XIX se • Velocidad: rapidez más dirección • Aceleración: variación de la velocidad En un movimiento acelerado uniforme: El logro más grande de Galileo fueron sus trabajos experimentales sobre la mecánica del movimiento y los estudios acerca del comportamiento de los objetos en caída libre. En una serie de experimentos prácticos Galileo demostró que: “si no se manera probó que Aristóteles estaba equivocado. Para entender la forma en que los objetos se mueven en caída libre es necesario realizar mediciones muy precisas de dos variables independientes: el tiempo y la distancia. Las mediciones de distancias no representaban un problema muy difícil para Galileo y sus contemporáneos, sin embargo las medidas de tiempo sí, debido a que no contaban con cronómetros para medir los cortos instantes en que caían los cuerpos. Con esto en mente, Galileo construyó una serie de planos inclinados diseñados especialmente que disminuían la rapidez de la caída de los cuerpos y para medir el tiempo de caída se ingenió un aparato en que goteaba el agua durante el trayecto. Lo que realmente demostró Galileo es que: “con la ciencia tenemos la capacidad de entender e interpretar los fenómenos de la naturaleza y del universo. Entre estos fenómenos se encuentran los movimientos de los cuerpos, las órbitas de los planetas alrededor del Sol y de las lunas alrededor de los planetas.” • La velocidad es proporcional al tiempo transcurrido • La distancia recorrida es proporcional a la mitad de la aceleración por el cuadrado del tiempo • La velocidad por el tiempo es igual al doble del espacio recorrido. comprobó con los experimentos de dos científicos estadounidenses, Michelson y Morley que este éter no existe y no es necesario para nada. Galileo Galilei Figura No. 3 - 4 Galileo Galilei Fuente: http://html.rincondelvago.com/files/1/1/0/00019 1100.jpg producen diferencias por acción de la resistencia del aire, los objetos en caída libre caen con una aceleración constante, independientemente de su peso”, de esta En su libro Diálogos sobre dos nuevas ciencias, trata en la Jornada Primera sobre el movimiento uniforme y en la Segunda, sobre el movimiento acelerado. Primero define al movimiento acelerado diciendo que es “aquel Figura No. 3 - 5 Libro de mecánica de Galileo Fuente:http://paginas.fe.up.pt/demegi/imagens/galileo.gif que partiendo del reposo, adquiere, en tiempos iguales, iguales incrementos de rapidez”. Luego establece y demuestra el principio de que “los grados de velocidad alcanzados por un mismo móvil en planos diversamente inclinados, son iguales cuando las alturas de los mismos planos son también iguales”. (Hawking, 76 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Galileo Pag. 465-466) Luego en el Teorema II. Proposición II dice que: “Si un móvil cae, partiendo del reposo, con movimiento uniformemente acelerado, los espacios recorridos por él en cualquier tiempo que sea están entre sí como el cuadrado de la proporción entre los tiempos, o lo que es lo mismo, como los cuadrados de los tiempos”. La serie de teoremas y corolarios se pueden resumir en las siguientes tres leyes sobre el movimiento acelerado: 1. En un movimiento acelerado uniforme, como cuando caen los cuerpos sujetos a la aceleración gravitatoria, la velocidad de la caída es proporcional al tiempo transcurrido. 2. La distancia recorrida durante la caída libre en un campo gravitatorio, es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. 3. En el movimiento con aceleración constante, la velocidad por el tiempo es igual al doble del espacio recorrido. (Hawking, Galileo Pag. 460-517) Rapidez Para entender los resultados de Galileo, hay que entender la distinción entre los términos: rapidez, velocidad y aceleración. “Rapidez es la distancia que un objeto recorre dividido por el tiempo que le toma cubrir esa distancia”: La rapidez consta solamente de magnitud, un valor numérico y por esto se le llama un escalar. La rapidez promedio de un automóvil puede ser de cuarenta kilómetros cada hora, pero no se sabe en qué dirección se mueve. Velocidad “La velocidad es un vector por constar de magnitud y dirección. En caída libre la velocidad de un objeto es proporcional al tiempo que ha demorado en caer y apunta hacia el centro de la Tierra.” Un avión viaja con una rapi- dez determinada y también con una dirección específica, lo mismo ocurre con los barcos y otros sistemas de transporte. “La velocidad cambia cuando se altera su magnitud y/o su dirección”. Aceleración “Aceleración es la variación de la velocidad en un tiempo determinado. Cuando la velocidad cambia, se dice que un cuerpo está acelerando. Esta aceleración puede ser positiva cuando aumenta de velocidad, o negativa cuando disminuye o se frena.” En el momento en que un objeto cambia de rapidez o dirección, éste se acelera. Cuando se presiona el acelerador de un automóvil, éste se acelera, si se presiona el freno se desacelera. “Cuando un objeto tiene una trayectoria curva, dicho cuerpo está acelerando así la rapidez sea constante”. (Trefil y Hazen Pag. 36-37) LAS LEYES DE NEWTON Las leyes de Isaac Newton representan una de las mayores contribuciones a la ciencia realizadas por persona alguna. Newton logró unir lo que sucedía en la Tierra con los asuntos del Cielo, es decir unió lo terrestre con lo celeste; dedujo la ley de la gravitación universal, inventó el cálculo infinitesimal y realizó experimentos sobre óptica y la naturaleza de la luz y el color. En su ya famoso libro, Principios Matemáticos de la Filosofía Natural, comienza Newton con las definiciones de los conceptos de masa, fuerza y movimiento, por medio de lo que él llama las “definiciones, axiomas, proposiciones, lemas, corolarios y escolios.” Por ejemplo, en su Definición I dice: “La cantidad de materia es una medida de ella que surge de su densidad y volumen conjuntamente”. En la Definición II describe la cantidad de movimiento como: La cantidad de movimiento es la medida originada de la velocidad y de la cantidad de materia conjuntamente. En ese entonces, no se conocía el concepto de energía. La Definición III concibe el concepto de inercia como: La fuerza ínsita de la materia es la capacidad de resistir por lo que cualquier cuerpo, por cuanto de él depende, persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo. Lo que significa que la materia tiene implícita la cualidad de la inercia. La Definición IV de la fuerza dice: La fuerza impresa es la acción ejercida sobre un cuerpo para cambiar su estado de reposo o movimiento uniforme rectilíneo. La Definición V dice que la fuerza centrípeta es aquella por la cual los cuerpos son atraídos o impelidos 77 Capítulo 3 RESUMEN • La masa: la cantidad de materia es una medida de ella, que surge de su densidad y volumen conjuntamente. • La fuerza centrípeta es aquella por la cual los cuerpos son atraídos o impelidos hacia el punto central • La fuerza centrífuga es la que hace que el cuerpo se aleje del centro. LAS LEYES DE NEWTON hacia el punto central, y su opuesta es la fuerza centrífuga que es la que hace que el cuerpo se aleje del centro. Al comienzo de los Principia define los conceptos de espacio y tiempo como absolutos, un espacio infinito y plano y un tiempo constante e igual en todo el Universo. “Propone diferenciar entre los movimientos absolutos y relativos mediante la experiencia de un balde con agua que está girando sostenido en una cuerda retorcida. Se observa que la superficie del agua se curva elevándose en los bordes. Se concluye que si bien el agua se encuentra en reposo con relación al balde, la curvatura de la superficie indica que el agua rota con relación al espacio absoluto.” (Hawking, Newton Leyes del movimiento La Primera Ley: todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por las fuerzas aplicadas a él. La Segunda Ley: La aceleración producida en un objeto por una fuerza es proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa del objeto. Pag. 651-659) La primera ley En los Axiomas o Leyes del Movimiento de los Principia, Newton describe lo que ahora conocemos como sus leyes. La Ley I dice: “Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo , a no ser que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado”. Luego explica las La Tercera Ley: cuando una fuerza llamada acción es aplicada a un objeto, este objeto simultáneamente ejerce una fuerza igual y opuesta llamada reacción. La gravitación universal • Newton: vio que una manzana caía del árbol y que la Luna también era halada por la Tierra. • La gravitación: es una ley universal que se aplica a todos los cuerpos celestes. • Entre dos objetos cualesquiera del universo hay una fuerza atractiva (gravedad) que es proporcional a las masas de los objetos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Peso y gravedad El peso: es solamente la fuerza gravitatoria de un objeto localizado en un cierto punto de un campo gravitatorio.La gravedad: una fuerza entre un par de objetos en cualquier parte del universo, de modo que todos los objetos del universo ejercen fuerzas los unos sobre los otros. trayectorias de los pro- Figura No. 3 - 6 Tu nunca tuviste que aprender a relayectiles que están sujetos a jarte. la resistencia del aire y a la Fuente: http://www.cartoonstock.com/lowres/cza0289l.jpg gravedad. (Hawking. Newton Pag. 659) Como ya lo definió Galileo muchos años antes la tendencia de cualquier objeto para mantenerse en movimiento uniforme o en reposo se llama inercia. Un cuerpo en reposo tiende a mantenerse en ese estado a menos que una fuerza supere la inercia y lo ponga en movimiento. Antes de Newton se creía que al ser el círculo la figura geométrica más perfecta, los objetos se moverían en círculos hasta que algo interfiriese con su movimiento. Según esta idea los planetas darían vueltas sin necesidad de que alguna fuerza externa actúe sobre ellos. Por otro lado, la primera ley de Newton postula que si se deja un objeto en reposo, éste no cambiará su estado de movimiento, para cambiarlo hay que empujarlo o frenarlo, es decir se debe aplicar una fuerza. “Newton fundamentó sus argumentos en las observaciones y en el trabajo de sus predecesores cambiando varios conceptos. Un objeto se mueve en línea recta cuando recibe un impulso; si se quiere que el objeto se mueva en círculos, hay que aplicar una fuerza y al mismo tiempo sujetar el objeto.” Esto se puede lograr por medio de una piola o de la gravedad por ejemplo, lo que permite que el objeto se mantenga en movimiento circular mientras está sujeto. Si se suelta la piola, el objeto saldrá en una trayectoria recta tangencial al círculo en el que estaba girando. Esta simple observación llevó a Newton a reconocer dos diferentes tipos de movimiento: el movimiento uniforme, en línea recta y a velocidad constante y el movimiento acelerado. “La aceleración implica cambios de rapidez, cambios de dirección o ambos a la vez” (Trefil y Hazen, Pag. 39-40) 78 Las Nuevas Ciencias del Cosmos La segunda ley La Ley II dice: “El cambio de movimientos es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”. (Hawking, Newton Pag. 659) Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, se percibe su aceleración. Newton define a la fuerza como algo que produce un cambio en el estado de movimiento de un objeto. La formulación moderna de la segunda ley dice que: “La aceleración producida en un objeto por una fuerza es proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa del objeto”. Si la primera ley del movimiento de Newton indi- ca cuándo una fuerza actúa, la segunda ley revela la acción que produce la fuerza. Las leyes del movimiento de Newton se pueden comprobar todos los días: es más fácil empujar una bicicleta que un automóvil o levantar a un niño que a un adulto. Mientras más grande es la fuerza, mayor será la aceleración. Por otro lado, un objeto con mayor masa adquiere una aceleración menor que un objeto con masa inferior. Esta ley, vigente desde hace más de trescientos años, postula que si se conoce la fuerza que actúa sobre una masa conocida, podemos predecir su futuro movimiento, es decir su aceleración. Esta ley confirma nuestra intuición de que la aceleración de un objeto es un balance entre dos factoNo. 3 - 7 Fuerza , masa y aceleración. res: fuerza y masa. La fuerza causa la aceleración, Figura Fuente: http://www.profisica.cl/conceptos/Fuerza_2.jpg mientras más grande la fuerza, mayor será la aceleración. Mientras más impulso se da a una pelota, más rápido y más lejos llegará. La masa mide la cantidad de materia de cualquier objeto, de modo que mientras más grande es la masa de un objeto, mayor cantidad de materia se tiene que acelerar y por tanto menor efecto tendrá la fuerza. La segunda ley de Newton va más lejos al determinar exactamente la magnitud de la fuerza necesaria para causar una aceleración determinada en una masa específica. La segunda ley del movimiento no implica que toda fuerza actúe produciendo un movimiento. Un libro sobre una mesa experimenta la fuerza de gravedad sin que por esto se mueva, ya que la mesa ejerce otra fuerza igual pero en sentido contrario sobre el libro. De igual forma se puede empujar una pared sin moverla. En estas situaciones los átomos de la mesa o de la pared ejercen una fuerza contraria que equilibra a la fuerza que actúa sobre ellos. “Es solamente la fuerza neta positiva la que en realidad produce el aumento de rapidez (aceleración) o de la desaceleración (frenado).” (Trefil y Hazen, Pag. 40-41) La tercera ley La Ley III dice: “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas”. (Hawking. Newton Pag. 660) La tercera ley del movimiento de Newton expresa que cuando una fuerza llamada acción es aplicada a un objeto, este objeto simultáneamente ejerce una fuerza igual y opuesta llamada reacción. Cuando caminamos empujamos al piso en cada paso con nuestros zapatos y el piso nos empuja de igual manera pero en sentido inverso, lo que nos permite movernos hacia adelante. La tercera ley del movimiento es tal vez la menos intuitiva ya que no parece evidente la reacción. Tenemos la tendencia a pensar en términos de causas y efectos; cuando por ejemplo, un carro se estrella contra una pared. En términos de la tercera ley de Newton es igualmente válido pensar que la pared detiene al carro con una fuerza exactamente igual pero en sentido contrario. “Las fuerzas siempre actúan simultáneamente en pares. Cuando un libro está sobre una mesa, ejerce una fuerza igual al peso del libro sobre ella, no obstante la mesa ejerce una fuerza opuesta exactamente igual sobre el libro.” Todo movimiento en el Universo incluye la constante interacción de las tres leyes de 79 Capítulo 3 RESUMEN ¿QUÉ… ES LA REALIDAD? Esta es la pregunta ontológica fundamental Newton. Las leyes del movimiento nunca ocurren por separado. La interdependencia de las tres leyes del movimiento es constante. “Todo cohete, desde los fuegos artificiales, hasta las naves espaciales, funcionan debido a estas tres leyes del movimiento. Se produce la acción-reacción de los chorros de gases que salen por las toberas. Se produce una fuerza que mueve y acelera a la masa del cohete y para que se mueva hay que vencer la inercia de la masa del cohete. Por último, para que salga del campo gravitatorio de la Tierra se requiere una velocidad de más de once kilómetros por segundo.” Sin embargo, las explicaciones de Newton no dicen nada acer- Aristóteles consideraba que era indispensable usar los sentidos para llegar al conocimiento de lo que es la realidad del mundo físico. Aristóteles cree que la materia posee dentro de sí la entelequia que es el propósito o fin interior que le da el potencial para convertirse en algo La gravedad es la más evidente de las fuerzas en la naturaleza, nos mantiene pegados a la superficie del planeta Tierra. Es la que obliga a caer a aquellos cuerpos que no alcanzan la velocidad necesaria para escapar de la Tierra o permanecer en órbitas. Las características de lo que se llama gravedad fueron conocidas por Los taoístas dicen que si querelos antiguos griegos y sus propiedades ya fueron estudiadas por mos saber qué es la realidad tenemos que observar a la naturaleza. Aristóteles. Luego, como vimos antes, en el renacimiento, Galileo y sus contemporáneos estudiaron los efectos producidos por la atracción gravitatoria en los planos inclinados; sin embargo, fue Newton quien reveló su universalidad. Cuando Newton razonó que: “así como una manzana cae de un árbol, la Luna también cae hacia la Tierra”, entonces llegó a la conclusión de que la gravedad es una ley universal que se aplica a todos los cuerpos celestes. “Newton fue la primera persona en unir la gravedad terrestre, que funciona en El budismo considera a la realidad como el vacío o la vacuidad, es decir como una especie de realidad virtual, este es el mundo mental Para Platón lo verdadero y real eran las formas y las ideas, ya que vivimos en un mundo de apariencias y que lo que existe es la realidad del mundo matemático ca de la naturaleza de estas fuerzas. De hecho, mucho del progreso de la ciencia durante y después de la época de Newton, ha sido asociado con el descubrimiento y explicación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. (Trefil y Hazen, Pag. 42) La gravitación universal la Tierra y la gravedad celeste, que opera en los cielos.” La Proposición LXXI. Teorema XXXI dice: “Con los mismos supuestos, digo que un corpúsculo situado fuera de una superficie esférica es atraído hacia el centro de la esfera con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de su distancia al centro de la esfera”. (Hawking, Newton Pag. 778) Esta ley de la gravitación universal en su formulación moderna dice : “Entre dos objetos cualesquiera del Universo hay una fuerza atractiva (gravedad) que es proporcional a las masas de los objetos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas”. (Trefil y Hazen, Pag. 43-45) Peso y gravedad La ley de la gravitación universal nos dice que: “hay una fuerza entre cada par de objetos en cualquier parte del Universo, de modo que todos los objetos del Universo ejercen fuerzas los unos sobre los otros. Las fuerzas existentes entre objetos pequeños son usualmente insignificantes, pero las fuerzas gravitacionales entre objetos grandes dan forma a la estructura del Universo.” La formación de los sistemas solares, de las estrellas y de las galaxias son el resultado de las fuerzas gravitatorias. Esta misma fuerza ejercida en forma especial por la Luna sobre la Tierra da lugar a la formación de las mareas. “El peso es simplemente la fuerza gravitatoria de un objeto localizado en un cierto punto de un planeta, luna u objeto celeste. El peso depende de las masas de los cuerpos celestes en el que nos encontramos.” En la superficie de la Luna el peso de cualquier objeto es seis veces menor que en la Tierra. En lo alto de una montaña el peso es menor que a nivel del mar porque se está más lejos del centro de la Tierra. El concepto de peso contrasta con el de masa que es la cantidad de materia de un objeto y que es igual en cualquier lugar del Universo. (Trefil y Hazen, Pag. 46) 80 Las Nuevas Ciencias del Cosmos ¿QUÉ ES LA REALIDAD? Don Quijote no se desencanta por el mero hecho de vivir, sino por no acertar o distinguir con claridad las realidades que le rodean. R.MAEZTU RESUMEN Las Ciencias y la Realidad “Esta es la pregunta ontológica fundamental y que muchas culturas han tratado de responder, comenzando por las especulaciones de Platón y Aristóteles en Grecia, así como aquellas de los budistas y taoístas en el Oriente.” Sin • En la mecánica clásica se puede determinar sin ninguna dificultad la posición y el momento de un vehículo; el momento es igual a la velocidad por la masa embargo, las respuestas a la explicación de la realidad se encuentran más que nada en la física contemporánea, en las teorías de la mecánica cuántica, que tratan sobre la composición interna de la materia y en la relatividad que estudia el espacio- tiempo y la materia-energía y sus relaciones con el Universo. Es famosa la alegoría platónica de la caverna, en la cual los prisioneros se guían por sus sentidos y se convencen de que la realidad la conforman las sombras que ven moverse por las paredes. Platón, por lo tanto, “no estaba de acuerdo en confiar en los sentidos para percibir la realidad.” Por otro lado, “Aristóteles consideraba que era indispensable usar los sentidos para llegar al conocimiento de la realidad.” Se dice erróneamente que a través del sentido común podemos percibir y entender la realidad; esta es la base material y fenomenológica de todo lo que tiene que ver con la ciencia clásica, de modo que es de fundamental importancia entenderla. Para esto es necesario responder algunas preguntas como las siguientes: ¿Qué es la realidad? ¿Puede haber algo real pero que no exista? Como vimos antes, para Platón lo verdadero, lo real, eran las formas geométricas y las ideas, ya que vivimos en un mundo de apariencias en que sólo las formas tienen realidad fuera de nuestra mente. Leibniz le llamó idealismo a la filosofía de Platón ya que en ella sólo las ideas y las formas matemáticas son entes reales; la realidad no es lo que captamos a través de los sentidos y solamente la razón nos puede revelar las verdaderas formas. Con su alegoría de la caverna Platón pretende probar que no podemos confiar solamente en los sentidos y por lo tanto debemos usar la razón. Esto se hace patente con las demostraciones de la ciencia moderna, en que “hemos podido comprobar que las percepciones y el sentido común no son suficientes. Por esto se puede afirmar que existe una realidad platónica ideal y matemática que conforma un primer mundo matemático”, tal y como lo llama Penrose en su libro The • En la mecánica cuántica sólo podemos estimar estas cantidades pero nunca saber los valores exactos. Road to Reality. (Pág. 12 - 20) Para Aristóteles en cambio, “la realidad está compuesta de formas y de materia que existen como algo específico, de tal manera que la madera es solamente madera hasta que la mesitud que posee intrínsicamente, permite al artesano darle la forma que la convierte en mesa.” Aristóteles cree que “la materia posee dentro de sí la entelequia, que es el propósito o fin interior que le da el potencial para Figura No. 3 - 8 Principia mathemática Fuente:: http://www.biografiasyvidas.com/monografia/newton/fotos/newton_6.jpg convertirse en mesa o cualquier otro objeto.” Para Aristóteles el mundo platónico de formas ideales e inmateriales es una contradicción en sí mismo, por lo que sugiere enfocarse en el mundo que nos rodea y descubrir sus secretos mediante el estudio de sus variaciones y posibilidades. Para Aristóteles lo que existe es la realidad del segundo mundo físico. “El budismo considera a la realidad como el vacío o la vacuidad, como una especie de realidad virtual. Para los budistas la vida está caracterizada por los sufrimientos, que son consecuencia de los deseos, que a su vez son 81 Capítulo 3 RESUMEN La Realidad Relativa La realidad depende en gran medida del observador sólo ilusiones. Para los budistas las personas no iluminadas ven el mundo solamente a través de sus sentidos y creen que las cosas son como las ven.” Esta es El mundo que observamos es básicamente una construcción mental de nuestros cerebros una falsa realidad similar a la de los habitantes de la caverna de Platón. Desde el punto de vista budista las cosas que parecen tener formas, en realidad están vacías como los sentimientos, los impulsos, las percepciones, la conciencia y otras más. “Los taoístas, en cambio, dicen que si queremos saber qué es la realidad, tenemos que observar a la naturaleza, ya que ésta es suficientemente sabia como para saber que el Sol brilla de día y la Luna de noche. Todos los fenómenos naturales son cíclicos, de modo que existe una armonía entre las repeticiones del yin y el yang.” (Mitchell, Pag. 61-73) es decir, esto conforma lo que se La mente es capaz de cruzar todas las barreras del súper espacio y del tiempo, tanto del futuro como del pasado llama el tercer mundo mental. (Penrose, Pag.12-20) David Deutsch dice que: “la realidad es el súper-espacio de todas las posibilidades”, es decir “la realidad es todo lo que hubo, hay y habrá, de acuerdo a las posibilidades del ser y del existir.” En los diccionarios se defi• Sólo entonces podremos tener una percepción aunque sea muy ne lo real como “la cualidad o estado de ser algo verdadero”; algo real breve de la realidad tan compleja tiene que ser necesariamente algo que verdaderamente existe, que es que nos rodea. tangible y perceptible. También se dice de “una persona, evento o entidad que es actual y real”, no puede ser algo mítico, del pasado, que puede o no haber existido; lo real tiene que ser de hoy. Otra definición dice que: “la realidad es la totalidad de las cosas o seres que poseen la cualidad de existir o tener una esencia, es decir que son cosas materiales y no fantasmas. Se dice que la realidad es la suma de todo lo que es real, absoluto e incambiable o sea lo que tiene existencia”. Sin embar- • Podemos llegar a las regiones infinitesimales del espacio-tiempocuando tenemos el coraje para pasar a través del espejo de Alicia en el País de las Maravillas go, la ciencia nos indica que las cosas reales no necesariamente las podemos percibir, ya que pueden ser extremadamente pequeñas o lejanas y pueden cambiar y evolucionar. Las ciencias y la realidad “En la ciencia clásica del siglo XVII y XVIII, el Universo estaba formado por partículas sólidas, indivisibles e indestructibles, como las mónadas de Leibniz, en un espacio absoluto como lo llamaba Newton, es decir plano y rodeado de un vacío infinito.” El tiempo también Figura No. 3 - 8 Enfrentar la realidad Fuehttp://vesania.blogia.com/upload/realidad.JPGnte: era absoluto, lo que significaba que tenía un ritmo igual, tanto en el pasado como en el futuro y que era independiente del espacio. “En el siglo XX estas concepciones fueron cambiando radicalmente al descubrirse la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Con estas teorías aparecieron una serie de nuevos descubrimientos sobre la materia, la energía, el espacio y el tiempo en el Universo, que han revolucionado nuestra concepción del mundo y de la realidad.” Como veremos en el capítulo siete, con el descubrimiento de la mecánica cuántica se logró dar un salto cualitativo muy grande al entender la conformación de la materia, de las partículas dentro del átomo y de la energía, que como ahora sabemos aparece en paquetes y no como una cantidad continua. Pero al mismo tiempo se abrieron una enorme cantidad de interrogantes que antes no habían sido consideradas como por ejemplo la naturaleza de las partículas que a veces funcionaban como ondas y otras como partículas. Einstein dice que “el conjunto de la ciencia es tan solo un refinamiento del pensamiento de cada día”, que es a su vez el desarrollo del pensamiento crítico y que se basa en las observaciones sensoriales detalladas de las experiencias de la realidad. De esta manera nacen los conceptos del mundo externo real, que según Einstein se inicia con las percepciones sensoriales y con la formación de los conceptos de lo que son los objetos materiales. Estas percepciones se repiten y nos permiten 82 Las Nuevas Ciencias del Cosmos establecer las relaciones lógicas que se transforman en pensamientos que son ordenados formando los conceptos de la realidad externa y material que trata la ciencia. Para Kant “el gran misterio del mundo es su comprensibilidad de modo que el mundo externo real carecería de sentido si careciera de comprensibilidad”. Esta comprensibilidad se refiere al orden que se puede establecer con la creación de perceptos, conceptos, ideas, teorías y leyes naturales, que son probadas empíricamente y que su validez se determina por el éxito que tienen al explicar y aclarar los misterios del Universo y de la naturaleza. Estos conceptos solo pueden ser comprendidos intuitivamente y se convierten en leyes cuando pueden ser aplicadas a las experiencias sensoriales y nos permiten entender por medio de modelos mínimos la realidad del mundo externo real que nos rodea. (Einstein. 2005 Pág. 242-246) A principios del siglo veinte se desarrolla la extraordinaria teoría de la Relatividad General de Einstein, que veremos en el capítulo ocho y que nos da una nueva visión de la realidad del Universo, especialmente en lo que tiene que ver con el espacio, el tiempo, la energía y la materia. Además, permite refinar nuestra concepción de las posibles estructuras del Universo. Resulta que según la relatividad, el espacio y el tiempo están unidos en una forma muy especial que se conoce como el continuo espacio-tiempo. Es decir, que el espacio y el tiempo no son dos cosas separadas sino que forman un ensamblaje continuo y sin rupturas. De modo que, de acuerdo a la relatividad tanto el espacio como el tiempo no tienen nada de absolutos, son relativos el uno al otro. Por ejemplo en un lugar del espacio en que hay mucha gravedad, como cerca del Sol, el tiempo va más lento, de modo que distintos observadores en distintos medios de locomoción pueden tener tiempos diferentes, ya que mientras más rápido viaja una nave, más lento pasa el tiempo. También la materia y la energía forman una pareja estrechamente relacionada, la ecuación más famosa de la física dice que la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Esta relación nos proporciona una visión distinta de la realidad en la cual la materia es igual a la energía; en otras palabras la materia es como si fuera energía congelada. La realidad relativa Figura 3 - 9 Realidad y complejidad “Según Aristóteles la materia era eterna e indes- Fuente: http://www.scielo.br/img/revistas/asoc/v8n2/28603f1.gif tructible. Este concepto permitió a Lavoisier formular luego en el siglo XVIII la ley de la conservación de la materia, que él le llamó de la conservación de los elementos químicos.” Sin embargo, ahora sabemos que el espacio se halla íntimamente conectado con el tiempo, la materia es lo mismo que la energía y los electrones pueden actuar como ondas y como partículas. Entonces la pregunta que debemos hacernos es: ¿Qué rayos es en realidad, la realidad? Resulta que esta paradoja de la realidad depende en gran medida del observador, para unos puede parecer de una manera y para otros ubicados en otro lugar puede ser diferente, de modo que no existe una realidad absoluta, sino que depende de una serie de factores externos incluyendo al observador. Si nos imaginamos por un momento lo que sucede con un ciego que después de mucho tiempo puede ver por una operación en sus ojos, resulta que su cerebro no está preparado para interpretar las imágenes y relaciones espaciales, por lo tanto no puede ver. Para esta persona el espacio va a ser algo incomprensible ya que la construcción que hacemos de la realidad del mundo que podemos observar es tan compleja que nos ocupa la mitad del cerebro por lo menos, de modo que podemos afirmar que “la realidad del mundo que observamos con nuestros ojos es básicamente una construcción mental.” 83 Capítulo 3 Nuestra suerte es que la conciencia de la mente es capaz de cruzar todas las barreras del súper espacio y del tiempo, tanto del futuro como del pasado. En el siglo XX las teorías de la física cuántica, de la relatividad y de las cuerdas son las visiones más profundas para tratar de entender la realidad de los mundos complejos que habitamos y de los multiversos que podemos predecir deben existir. “Cuando usamos nuestra imaginación, podemos tener el coraje para pasar a través del espejo de Alicia en el País de las Maravillas y encontrarnos con las últimas partículas y cuerdas de energía en las regiones infinitesimales del espacio-tiempo. Sólo entonces podremos tener una percepción aunque sea muy breve de la realidad tan compleja que nos rodea.” En los siguientes capítulos veremos en más detalle los distintos aspectos de la realidad que hemos mencionado aquí. Figura No. 3 - 10 Planos de la realidad Fuente: http://librodenotas.com/almacen/imagenes/colaboraciones/ilustracion3.jpg 84 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Figura No. 3 - 11 Del cuerpo al cosmos. Arte precolombino. Fuente: http://www.barcelona2004.org/addon/img/1326d54cosmos03g.jpg 85 Capítulo 3 Bibliografía EINSTEIN ALBERT, EINSTEIN ALBERT, HAWKING STEPHEN. Obra Esencial. Editorial Crítica Barcelona. 2005 Mi Visión del Mundo, Barcelona, Ediciones Orbis S.A. 1985 Comentador. A Hombros de Gigantes. Las grandes obras de la física y la astronomía. Crítica, Barcelona. 2004 HUXLEY THOMAS HENRY. Science and Culture. Harvard Classics. Volume 28. P.F. Collier & Son Corporation. New York. PENROSE ROGER. The Road to Reality. A complete guide to the laws of the universe. Alfred A. Knopf. New York 2005. SAGAN CARL, Cosmos, Barcelona, Editorial Planeta, 1980 Autobuses que Funcionan en el Espacio-Tiempo, Revista Discover en Español, diciembre 2000. SEBA PETR, TREFIL JAMES, HAZEN ROBERT M. The Sciences. An Integrated Approach. Third edition. John Wiley & Sons, New York. 2001. PREGUNTAS DE REPASO El diseño del universo 1. ¿A qué se deben el orden, la complejidad y la belleza del universo? 2. Explica los argumentos para objetar la existencia de un diseño (o diseñador) del universo. 3. ¿Cuáles son los mecanismos que habrían permitido que el orden surja espontáneamente del desorden? 4. ¿Cuáles son los elementos que deben estar presentes para dar origen a sistemas biológicos básicos? 5. ¿Qué disciplinas han debido conjugarse para dar origen a la cosmología como una ciencia? 6. ¿Cuál es el argumento principal para pensar que podría existir vida en otros lugares del universo? 7. ¿Cuál sería la composición porcentual de materia y energía en el universo? El nacimiento de la mecánica. 8. Explica la concepción de Aristóteles sobre los movimientos. 9. Explica la concepción de Galileo sobre el movimiento. 10. Explica el concepto de rapidez. 11. Explica el concepto de velocidad. 12. Explica el concepto de aceleración. Las leyes de Newton 13. Explica el enunciado de la primera ley de Newton. 14. Explica el enunciado de la segunda ley de Newton. 15. Explica el enunciado de la tercera ley de Newton. 16. Explica el enunciado de la gravitación universal de Newton. 17. Explica los conceptos de peso y masa. ¿Qué es realidad? 18. ¿Cómo entendía Aristóteles la realidad? 19. ¿Cómo entendía Platón la realidad? 20. ¿En qué consiste el Principio de Incertidumbre de Heisenberg? 21. ¿Cómo se considera en la Teoría de la Relatividad el espacio y el tiempo? 22. ¿Cuáles son los tres mundos que constituyen la realidad según Penrose? PREGUNTAS DE REFLEXION 1. Se afirma que la vida humana es producto de una enorme coincidencia al chocar un asteroide contra la Tierra hace aproximadamente 65 millones de años. De no haber sucedido esto, ¿qué crees que hubiese pasado con la raza humana? 2. Da tu opinión bien argumentada acerca de los cuatro puntos que indicarían la existencia de un diseñador o ente creador del universo. 3. Da ejemplos de algunos eventos que demuestren la aplicación de las tres leyes del movimiento de Newton. 4. ¿Por qué se argumenta en el texto que la gravedad es sin duda el mayor creador de orden en el universo? 5. En este capítulo hablamos un poco acerca de relatividad. ¿Cuál es tu interpretación cuando se menciona que tanto el espacio como el tiempo no son absolutos sino que son relativos? Define los términos absoluto y relativo. 6. Se dice que las cosas complejas han evolucionado de las cosas simples. Describe algún ejemplo de este proceso. 7. La ciencia empezó observando detenidamente la naturaleza. ¿Crees tú que la ciencia es simplemente buenas observaciones? 8. La causalidad significa que a los mismos efectos debemos asignar las mismas causas. ¿Crees que siempre se aplica este principio en la naturaleza? 9. La ciencia antiguamente se ocupaba casi exclusivamente de las estructuras, mas no de su formación. ¿Qué entiendes tú por esto? 10. Se dice que existe materia oscura y energía oscura. ¿Qué significa esto? 11. Galileo debía ingeniárselas para medir el tiempo de la manera más precisa posible. Investiga qué tipos de artefactos se usaban en esa época para medir el tiempo. 12. Cuando se habla de gravitación nos referimos a ella como universal. ¿Por qué se usa ese término? 86 Las Nuevas Ciencias del Cosmos ENERGÍA La universalización de la contabilidad Infringir las reglas es estimulante, si logras aprender a infringir las reglas que te detienen, el universo será tuyo ALBERT EINSTEIN 4 INTRODUCCIÓN E l intento de entender los fenómenos de la naturaleza es tan antiguo como las civilizaciones que se originaron en la China, la India, en Asia Menor, en Europa y América. Todos estos pueblos trataron de analizar y describir los fenómenos naturales, para de esta manera entender las causas de los mismos. “La revolución de las ideas científicas permitió el surgimiento de la ciencia moderna en Europa y una de estas ideas fundamentales es el concepto de energía, palabra que viene del griego y significa literalmente en trabajo.” Tanto la estructura del Universo como la vida que abunda en la biósfera terrestre y toda la actividad molecular que crea orden en la Tierra, se originan con la energía. El uso de este término en la ciencia se remonta a fines del siglo XVII, 88888888 Leibniz comprendió que “la energía del movimiento es igual al producto de la masa por el cuadrado de la velocidad y que la energía sólo se transforma, pero no puede crearse ni desaparecer,” lo que ahora se conoce como la Ley de Conservación de la Energía. Luego, en 1807 el profesor inglés de Filosofía Natural, Thomas Young, se apropió del término energía para la ciencia cuando dijo: “the term energy may be applied, with great propriety, to the product of the mass or weight of a body into the square of the number expressing its velocity,” lo que significa que la energía es igual a la multiplicación de la masa por el cuadrado de la velocidad. Ahora sabemos que es solamente la mitad de la masa la que hay que multiplicar por el cuadrado de la velocidad para obtener la energía cinética o del movimiento. (Atkins, Pag. 84) La energía es el recurso maestro del universo, que comienza con una enorme cantidad de energía en forma calor y a partir de ésta se forman las fuerzas y partículas fundamentales, los átomos y las estrellas. Sin energía no puede haber un universo, ni la vida, tampoco ecosistemas y comunidades, menos aún las sociedades humanas que se han desarrollado en el siglo XX, que basan su desarrollo y bienestar en el uso intensivo de diferentes formas de energía. En este capítulo vamos a explicar el significado e importancia que tiene la energía para la ciencia y para nuestras sociedades, así como lo crucial que es aprender a transformar y conservar la energía. Para poder entender la naturaleza de la energía debemos primero comprender dos conceptos: el primero tiene que ver con el movimiento y el segundo con RESUMEN el calor. Como vimos antes, las descripciones del movimiento de los ENERGÍA cuerpos las realizaron inicialmente Aristóteles y luego Galileo y La universalización Newton, en los siglos XVI y XVII, en cambio la naturaleza del calor de la contabilidad sólo se descubrió a mediados del siglo XIX. Introducción • Tanto la vida que abunda en la biósfera terrestre como toda la actividad molecular que crea orden en la Tierra se originan con la energía que recibimos del Sol DEL CALOR A LA ENERGÍA El Sol es una estrella Dice John Gribbin que “el Sol es una estrella de las más corrientes, ni especialmente grande, ni especialmente pequeña, ni especialmente brillante, ni especialmente apagada y que se encuentra aproximadamente en la mitad de su ciclo vital. La única razón por la que parece diferente de otras estrellas del cielo es porque estamos muy cerca de ella”. La Tierra describe una órbita alre- • La energía es el recurso maestro del Universo; comienza con una enorme cantidad de calor que es una forma de transmitir la energía y a partir de ésta se forman las fuerzas y partículas fundamentales, los átomos y las estrellas. 87 Capítulo 4 dedor del Sol a una distancia de 150 millones de kilómetros y tarda un año en realizar el viaje completo. Sólo hace cerca de 400 años se supo que el Sol era una estrella. Antes los egipcios, mayas, aztecas e incas adoraban al Sol como la divinidad más importante de sus mitologías. En los últimos cien años se han hecho muchas investigaciones detalladas del Sol, de modo que ahora sabemos más del Sol que de la Tierra. “El Sol es una estrella que está en constante excitación, a veces lanza llamaradas que son casi tan grandes como el radio del Sol y tiene una actividad que se manifiesta por las manchas solares y las explosiones monumentales de su corona o superficie exterior.” La luz que viene del Sol tarda ocho minutos y veinte segundos en llegar a la Tierra, a una velocidad de 300 mil kilómetros por segundo. Debido a lo lejano que está el Sol de nosotros es difícil imaginarse lo enorme que es, ya que en su diámetro caben 109 diámetros de la Tierra. Ahora sabemos que “el Sol es una estrella ordinaria de un tamaño mediano conocida como una enana amarilla. El sistema planetario se halla muy alejado del centro de la galaxia espiral llamada la Vía Láctea, en uno de los brazos conocido como Orión. La siguiente estrella más cercana al Sol es Alfa Centauro que está a 4,4 años-luz de distancia, es decir, la luz se tarda 4,4 años en llegar a nosotros.” Es muy peligroso mirar al Sol: solo unos pocos segundos producen daños en la retina y si se mira unos minutos se produce ceguera; peor aún si se lo mira con telescopios que concentran la luz en el ojo. Los griegos creían que el Sol era un astro con una forma circular perfecta y esto se convirtió en un dogma durante toda la Edad Media. En algunas ocasiones ciertas perso- Figura No. 4 - 1 Energía, trabajo y calor. http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/uclv/infoLab/infoquim/complementos/termoquiminas observando el Sol en el ocaso notaron Fuente: ca/image009.gif que tenía unas manchas negras, pero creyeron que eran nubes que impedían el paso de la luz. En el año 1600 Galileo notó, al observar el Sol con su telescopio, que en realidad había manchas y dibujó estas manchas que aparecían en parejas y se movían, por lo que dedujo que el Sol está girando sobre su eje. Pero Galileo tenía mucho recelo de publicar estos descubrimientos y otros observadoRESUMEN res lo hicieron antes que él. DEL CALOR A LA ENERGÍA • El Sol es una estrella de las más corrientes, ni especialmente grande, ni pequeña, ni brillante, ni apagada y que se encuentra aproximadamente en la mitad de su ciclo vital • La única razón por la que parece diferente de otras estrellas del cielo, es porque estamos muy cerca de él Las racciones nucleares dentro del Sol Con el tiempo se han hecho muchísimas observaciones, estudios e investigaciones acerca del Sol, de modo que ahora sabemos que: “El Sol es una estrella que funciona como un reactor de fusión nuclear cuando la temperatura de su núcleo se eleva a unos quince millones de grados debido al efecto de la increíble fuerza de gravedad que se produce por la enorme masa que tiene. El Sol representa el 98% de la masa del sistema planetario. La gravedad enorme que hay en el centro del Sol, hace que los átomos de hidrógeno choquen unos con otros produciendo temperaturas de quince millones de grados. A estas temperaturas se inician las reacciones de fusión nuclear que producen enormes cantidades de energía que primero equilibra a la gravedad en el centro y luego le permite irradiar enormes cantidades de energía a todo el sistema solar.” • La Tierra describe una órbita alrededor del Sol a una distancia de 150 millones de kilómetros y tarda un año en realizar el viaje completo • El calor es una forma de transmitir energía similar a las olas. Hace cinco mil millones de años, en el núcleo del Sol se iniciaron las reacciones nucleares que lo encendieron debido a la conversión de la masa de los núcleos de deuterio en helio, liberando energía en forma de radiaciones electromagnéticas. “Se ha calculado que 88 Las Nuevas Ciencias del Cosmos cada segundo, cerca de setecientos millones de toneladas de hidrógeno se convierten en seiscientos noventa y cinco millones de toneladas de helio, de modo que cinco millones de toneladas de hidrógeno se pierden y se convierten en energía de acuerdo a la fórmula de Einstein.” Según esta fórmula, esta masa RESUMEN El Sol es una estrella que se pierde de cinco millones de toneladas por segundo, se multiplica por la velocidad de la luz al cuadrado y es igual a la energía que el Sol transforma cada segundo. • Sabemos que el Sol es una estrella ordinaria de tamaño mediano conocida como un enana amarilla El sistema planetario se halla muy alejado del centro de la galaxia espiral llamada la Vía Láctea • Hace miles de millones de años, debido a la gravedad, se iniciaron las reacciones nucleares que encendieron a las estrellas Radiaciones solares Estas reacciones que produce la transformación de hidrógeno en helio y liberan energía, son las mismas que se producen en las bombas de hidrógeno y son, además, el proceso inverso del Big Bang, en donde de la energía se formó la materia. “La energía que emite el Sol sale de la corona solar en forma de radiaciones electromagnéticas, que viajan por el espacio vacío en todas las direcciones; de modo que sólo una minúscula parte de esta energía llega a la Tierra.” Estas radia- • Al convertir la masa de los núcleos de deuterio en helio, liberando energía en forma de radiaciones electromagnéticas. Figura No. 4 - 2 Energía solar Fuente: http://www.windows.ucar.edu/earth/climate/images/energycycle_sm.sp.jpg ciones al llegar al campo magnético de la Tierra y a los cinturones de iones que protegen a la Tierra son detenidas en su mayor parte. Otras son detenidas por la capa de ozono de la atmósfera; una buena parte es reflejada al espacio por las nubes y los polos de la Tierra. La parte que pasa a través de la atmósfera y llega a la superficie de la Tierra es absorbida por las algas del mar y las plantas, que transforman la energía solar por medio de RESUMEN la fotosíntesis y produLa energía del Sol cen grandes cantidades • Calienta la atmósfera y los océade glucosa, celulosa y nos generando las corrientes marinas, los vientos y los huracaoxígeno. “La energía electromagnética del Sol es transformada en energía potencial química en las nes • Poco sabemos de lo que sucede en el interior de la Tierra, en el centro hay un núcleo sólido de hierro, niquel y otros metales a cinco mil grados kelvin plantas.” (Gribbin, Pag. 169-189) La energía del Sol “El Sol calienta la atmósfera y los océanos generando las corrientes marinas, los vientos y los huracanes; éstos toman parte de su energía del calor de los mares tropicales y la convierten en energía cinética al mover enormes masas de aire y nubes a grandes velocidades.” Cuando el aire se calienta sube hacia • La energía es fundamental para la vida y para las civilizaciones, las leyes de la física que tienen que ver con la energía son de las más importantes de la ciencia. las capas superiores de la atmósfera. Mientras el aire sube, en estos lugares se produce una baja de presión atmosférica que es compensada al llenarse con los vientos que acuden a estos lugares, transformándose la energía térmica en energía cinética del viento. En los océanos, el agua que se calienta sube y empieza a moverse en las enormes corrientes marinas superficiales y cuando se enfría baja y forma las corrientes submarinas. Estos son los principales sistemas de distribución del calor que llega del Sol. La energía nos rodea por todas partes, está en todos los seres vivos, en la atmósfera, en los océanos y en el interior de la Tierra. “Poco sabemos de lo que sucede en las capas interiores de la Tierra; conocemos que en el centro hay un núcleo de hierro sólido cuya temperatura llega a cerca de cinco mil grados kelvin, similar a la temperatura de la corona del Sol. Esta energía proviene en su mayor parte del calor genera- 89 Capítulo 4 do por la radioactividad de las rocas y por la energía cinética que se convirtió en calor durante el gran bombardeo,” mien- tras se estaba formando la Tierra y caían una enorme cantidad de meteoros, rocas y cometas, convirtiendo su energía cinética en calor. La energía es fundamental para la vida y para el funcionamiento de las civilizaciones. En este capítulo vamos a estudiar las leyes de la física que tienen que ver con la energía. La energía está íntimamente relacionada con las fuerzas que vimos en los capítulos anteriores; cuando una fuerza actúa es porque hay energía que se transforma. A continuación veremos qué es la energía, los diferentes tipos de energía que existen y las leyes que rigen el mundo de la energía. FiguraNo. 4 - 3 Conversiones de energía Fuente: http://html.rincondelvago.com/files/6/2/1/000016210.jpg ¿QUÉ ES LA ENERGÍA? RESUMEN • Es a mediados del siglo XIX que se comienza a investigar qué es la energía y a formular sus definiciones, conceptos y leyes • La introducción del concepto de energía marca el inicio del pensamiento abstracto en la física ¿QUÉ… ES LA ENERGÍA? • Este fue el comienzo de la extraordinaria iluminación que se extendió por todo el mundo Newton nunca usó el término energía, de modo que su formulación de las leyes de la mecánica que vimos en el capítulo anterior, era esencialmente la definición del mundo del movimiento, sin comprender cómo se manifestaban las fuerzas. Él dejó para las siguientes generaciones la aclaración de cómo y por qué actúan las fuerzas. Antes vimos que el concepto de energía se inicia con Leibniz y con Young, pero es a mediados del siglo XIX que se comienza a investigar en profundidad qué es la energía y a formular sus definiciones, conceptos y leyes. Dice Atkins que: “la introducción del concepto de energía marca el inicio del pensamiento abstracto en la física y que fue el comienzo de la extraordinaria iluminación que se extendió por todo el mundo de la ciencia”. A principios del siglo XIX la energía era todavía un tér- • Se define la energía como la condición o capacidad de un sistema para modificar su entorno • Es decir, para realizar un trabajo determinado • En un sistema se realiza un trabajo, cuando se aplica una fuerza durante una distancia determinada • Entonces decimos que se ha producido una variación en la energía de este sistema mino literario, pero a mediados de ese siglo ya había pasado a ser uno de los conceptos más importantes de la física. En 1846 Kelvin decía que “el mundo de la física eran las fuerzas,” pero posteriormente en 1851 decía que “la energía era el principio fundamental. Este cambio se dio en dos etapas, la primera fue el estudio de los cuerpos en movimiento y la segunda fue el estudio de las acciones que produce un conjunto de partículas, como es el caso del vapor en lo que ahora llamamos las máquinas térmicas.” • La cantidad de energía en un sistema es una medida de cuánto trabajo se puede realizar dentro del mismo. En 1920 los físicos se dieron cuenta de que la definición de energía de Leibniz y Young: energía igual al producto de la masa por la velocidad al cuadrado, era errónea. Al combinar los conceptos de trabajo y la ley de la fuerza de Newton para deducir la energía del movimiento, se descubrió que hay que modificar esta expresión usando sólo la mitad de la masa. De modo que ahora sabemos que: La energía cinética = a la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado. “Se define a la energía como la condición o capacidad de un sistema para modificar su entorno, es decir, para realizar un trabajo determinado.” Si en un sistema se realiza un trabajo, se aplica una fuerza durante una distancia determinada, entonces decimos que se ha producido una variación en la energía de este sistema. La cantidad de energía en un sistema es una medida de cuánto trabajo se puede realizar dentro del mismo; más adelante veremos que el trabajo también es una forma de 90 Las Nuevas Ciencias del Cosmos transmitir energía. Un sistema cerrado o aislado es aquel en que no entra energía del exterior, como es el caso en nuestro sistema planetario. La energía interna de un sistema cerrado se conserva, es decir, se mantiene constante. “Podemos expresar esto al decir que la suma de todas las energías del sistema es constante en un sistema cerrado; esta es una consecuencia de la primera ley de la termodinámica”, que veremos a continua- RESUMEN El mundo de la energía ción. • Cuando ponemos gasolina o diesel en los vehículos, cargamos energía para poder mover al automóvil cuando encendemos el motor • Cuando caminamos por las calles o subimos gradas, o simplemente para vivir, todos los seres vivos usamos energía El mundo de la energía C u a n d o ponemos gasolina o diesel en el tanque de los vehículos estamos cargando energía química para poder mover al automóvil cuando encendemos el motor. Cuando se enciende la mezcla de combustible y aire en la cabeza de los cilindros, esta energía química contenida en las moléculas del combustible se convierte en calor que expande violentamente a los gases y empuja con gran fuerza a los pistones de los motores de combustión interna. El aumento del volumen de los gases de una manera violenta determina que los pistones reciban en cada explosión un enorme impulso, transformándose la energía química en energía cinética del movimiento. Cuando caminamos por las calles o subimos gradas, o simplemente para vivir, todos los seres Figura No. 4 - 4 Biomasa Fuente: http://html.rincondelvago.com/files/3/8/8/000593880.png vivos usamos energía. Los billones de células que tenemos en el cuerpo transforman la energía química de los alimentos dentro de unos orgánulos llamados mitocondrias. La glucosa, que son cadenas de seis átomos de carbono con hidrógeno y oxígeno (C6H12O6) llega a las RESUMEN mitocondrias y luego de un complicado proceso de reacciones quíEl concepto de energía micas, se divide en dos grupos de tres carbonos cada uno. Estos tríos de carbono se unen a la adenina y forman los ácidos orgá• Recién a principios del siglo XIX se sabía que un cuerpo pesado nicos llamados adenosin-trifosfato o ATP, que son las baterías de que se mueve rápidamente tiene energía de las células y que nos dan la fuerza para funcionar cada más energía que un cuerpo liviano que se mueve lentamente segundo de la vida. • Los billones de células que tenemos en el cuerpo transforman la energía de los alimentos en unos orgánulos llamados mitocondrias. El concepto de energía Como vimos antes, Leibniz fue el primero en utilizar este concepto pero no se conocía el verdadero significado de lo que es la energía. Recién a principios del siglo XIX se llegó a probar que un cuerpo pesado que se mueve rápidamente tiene más energía que un cuerpo liviano que se mueve lentamente. El concepto de trabajo es fundamental para entender lo que es la energía, “el concepto científico de trabajo es muy diferente de aquel que tenemos en la vida diaria. En el mundo de la ciencia se dice que se hace un trabajo cuando se mueve un cuerpo en contra de una fuerza opuesta,” como cuando levantamos un objeto pesado • El concepto de trabajo es fundamental para entender lo que es la energía • El concepto científico de trabajo es muy diferente de aquel que tenemos en la vida diaria • Se dice que se hace un trabajo cuando se mueve un cuerpo en contra de una fuerza opuesta • Como cuando levantamos un objeto pesado del suelo y tenemos que vencer la fuerza de la gravedad. 91 Capítulo 4 RESUMEN TIPOS DE ENERGÍA • La energía puede ser potencial, cinética o de la masa • La potencial puede ser gravitatoria, química, elástica, y electromagnética • La cinética puede ser del movimiento, térmica que es el movimiento de los átomos y de las ondas del suelo y tenemos que vencer la fuerza de la gravedad que atrae a todos los cuerpos hacia abajo. Mientras mayor es la distancia de este movimiento, mayor es el trabajo realizado, de igual manera, mientras mayor es la fuerza que hay que vencer, mayor es el trabajo, por tanto definimos al trabajo como: Trabajo = fuerza por distancia recorrida Si levantamos un cuerpo pesado en la Tierra, hacemos un trabajo al ven• La de la masa es la energía nuclear y la radioactividad. cer la fuerza gravitatoria y alzarlo a una altura determinada. Si levantamos el mismo cuerpo en la Luna a la misma altura, realizamos un trabajo seis veces menor ya que la gravedad de la Luna es seis veces más pequeña que en la Tierra. De modo que podemos definir científicamente que “la energía es la capacidad para hacer un trabajo determinado.” En el caso de un cuerpo en movimiento, si duplicamos la velocidad a la que se mueve, podemos realizar cuatro veces mayor trabajo, ya que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad. (Trefil y Hazen, Pag. 55) Figura No. 4 - 5 Trabajo Ahora veamos qué pasa con un objeto que hemos levantado a Fuente: http://www.cnea.gov.ar/xxi/divulgacion/energia/fi una determinada altura venciendo la fuerza de la gravedad; si lo cha1_dib2.gif soltamos, el objeto adquiere una aceleración determinada por la gravedad y al mismo tiempo una energía cinética que es igual, como sabemos, a la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado. De modo que “el objeto en la posición elevada tiene otro tipo de energía que se llama potencial, y que se transforma en energía cinética cuando cae, debido a la gravedad.” La energía potencial es una energía que está guardada o en potencia y lista para realizar un trabajo determinado, debido a su posición, condición o contexto químico. El término energía potencial fue adoptado por el ingeniero escocés William Rankine en 1853. RESUMEN Trabajo • Es cuando se aplica una fuerza y ésta mueve a un objeto de una masa determinada en contra de una fuerza como la gravedad o el rozamiento. En la dirección opuesta a esta fuerza que se opone, durante una distancia determinada. Tipos de trabajo • Si empujamos a una pared de concreto y la pared no se mueve, no hemos hecho ningún trabajo • No importa cuánto nos cansamos tratando de empujar la pared. TIPOS DE ENERGÍA La energía potencial Se llama así porque, de hecho, tiene el potencial para convertirse en otro tipo de energía como la cinética. Por ejemplo, un cuerpo sostenido en lo alto por una cuerda tiene energía potencial gravitatoria; si cortamos la cuerda el cuerpo cae y se acelera debido a la gravedad, pero la energía potencial disminuye a medida que cae y la cinética aumenta proporcionalmente. De modo que al llegar al suelo la energía potencial es cero y la cinética es la misma energía potencial que tenía al estar colgado de la cuerda. Esto nos prueba que “la suma de las energías potencial y cinética es constante y de esta manera llegamos a comprobar la ley de la conservación de la energía.” • Pero sí hemos usado mucha energía del cuerpo para tratar de mover la pared • Esta energía se ha transformado en calor, sudamos mucho, pero no realizamos ningún trabajo. La energía puede ser potencial, cinética o de la masa como vemos en el cuadro siguiente. La potencial puede ser gravitatoria, química, elástica, y electromagnética. La cinética puede ser debida al movimiento, al calor que es la energía cinética del movimiento de los átomos y al movimiento de las ondas como las olas del mar o el sonido. Por último tenemos la energía de la masa que es 92 Las Nuevas Ciencias del Cosmos energía potencial nuclear o de la radioactividad, que permite el funcionamiento de las estrellas como el Sol y de los reactores nucleares en las centrales de energía nuclear. La energía potencial gravitatoria es aquella que se obtiene cuando se realiza un trabajo en contra de la fuerza de gravedad, como por ejemplo cuando el calor calienta el aire que sube y se forman las nubes con las gotitas de agua que contiene el aire y que se condensa formando las gotas de lluvia. Las nubes tienen energía potencial gravitatoria que podemos aprovechar cuando llueve sobre las montañas y forman ríos que pueden ser represados para generar energía hidroeléctrica. La energía potencial elástica se obtiene al hacer un trabajo en contra de las fuerzas de un resorte o elástico. La potencial química es energía que está en las uniones de ciertos átomos dentro de las moléculas, como por ejemplo en las moléculas de ATP que Figura No. 4 - 6 Energía lumínica comentamos antes. “La potencial electromagnética es energía que se Fuente: http://img.alibaba.com/photo/50938173/2U_Energy_Savi ng_Lamps.jpg almacena en los campos eléctrico y magnético y puede luego convertirse en una corriente eléctrica. La energía de la masa es la energía potencial de la materia.” RESUMEN La energía cinética Se presenta en varias formas, como cuando un objeto se mueve, o cuando se mueven los átomos y chocan unos contra otros produciendo energía térmica o cuando una onda se desplaza transportando energía con su movimiento ondulatorio. “La energía potencial de la masa se libera cuando se rompen las estructuras nucleares y se libera la energía potencial de la fuerza nuclear fuerte o la débil.” La fuerte es la que mantiene al núcleo Potencia • La potencia nos indica la cantidad de trabajo o energía utilizada en un período de tiempo determinado • La potencia es la tasa de cambio de la energía o el trabajo, es decir, la variación de la energía dividida por el tiempo • Watt calculó que un caballo en buen estado de salud podía en promedio mover una carga de 550 libras, una distancia de un pie en un segundo de tiempo. unido, esta es la fuerza más grande de todas las conocidas del universo y por esto es que una pequeña cantidad de materia puede liberar inmensas cantidades de energía. La débil es la que produce el rompimiento de ciertos núcleos atómicos liberando radioactividad. Trabajo “En la ciencia se habla de trabajo cuando se aplica una fuerza y ésta mueve un objeto que tiene una masa determinada, en contra de una fuerza como la gravedad, en la dirección opuesta a la gravedad y durante una distancia determinada.” Cuando levantamos un objeto cualquiera, nuestros músculos tienen que usar energía para hacer un trabajo que permita vencer a la fuerza de gravedad, que es igual al peso del objeto. Esta definición de trabajo, es diferente de la que aparece en el diccionario, que dice: “trabajo es la acción de trabajar, realizar una obra, la operación de una máquina, la dificultad para realizar algo y hasta significa la penalidad por realizar ciertos trabajos forzados”. Desde el punto de vista científico, trabajo siempre significa la multiplicación de una fuerza por la distancia del desplazamiento del objeto. De modo que “si empujamos a una pared de concreto y la pared no se mueve, no hemos hecho ningún trabajo. No importa cuánto nos cansamos tratando de empujar la pared. Sin embargo, hemos usado mucha energía del cuerpo para tratar de mover la pared; esta energía se ha transformado en calor, sudamos mucho, pero no realizamos ningún trabajo.” RESUMEN Energía de las ondas • Cuando observamos las olas romper en la playa, sabemos que las olas tienen energía • En este caso se trata de energía cinética, pero otros tipos de ondas tienen también energía Potencia “La potencia nos indica la cantidad de trabajo realizada en un período de tiempo determinado. Por tanto es la energía que se gasta por unidad de tiempo.” • También hay ondas de tipo electromagnético, como la luz y la energía del Sol • Estas son ondas de energía radiante que se propagan por el espacio vacío, almacenan su energía en los campos eléctricos y magnéticos. Si subimos unas escaleras a la carrera requerimos más potencia que si subimos las mismas escaleras a paso lento. Pero la cantidad de trabajo o energía que hemos utilizado en ambos casos es la misma. 93 Capítulo 4 RESUMEN La energía de la masa • El descubrimiento de la radioactividad indicaba que había átomos de radio, uranio y otros que liberaban energía a medida que se desintegraban Nuestros músculos consumen más energía cuando subimos a la carrera las gradas, que cuando subimos a paso lento. La potencia es la tasa de cambio de la energía o el trabajo, es decir, la variación de la energía dividida por el tiempo en que se realiza esta variación. Potencia = Energía / tiempo (1736-1818) Fue el gran ingeniero e inventor escocés que logró perfeccionar y mejorar significativamente el funcionamiento y rendimiento de los motores a vapor en la Inglaterra del siglo XVII y XIX, mediante la aplicación de condensadores que permitían recoger • Al dividirse la cantidad de energía el vapor que salía del motor y se lo condensaba para devolverlo conproducida por la cantidad de masa que había desaparecido, Einstein tinuamente al obtuvo una cifra igual al cuadrado de la velocidad de la luz. tanque de la caldera. Además, con la ayuda de James Clerk Maxwell, introdujo los reguladores de velocidad para estos motores que de otra manera podían desbaratarse. Con estos inventos y mejoras estos motores fueron y son muy confiables y seguros y se usaron en los motores de automóvil hasta la década de 1930. Para poder comercializar este motor, Watt encontró que el lugar ideal para hacerlo era en las minas, en donde se usaban caballos y acémilas para jalar pequeños vagones de carga que salían de las profundidades de la tierra cargados de minerales tirados por estas bestias. “Watt calculó que un caballo en buen estado de salud podía, en promedio, mover una carga de 550 libras, una distancia de un pie en un segundo de tiemFigura No. 4 - 7 James Watt y su motor de vapor po.” De esta manera Watt midió la potencia que Fuente: http://www.nls.uk/scientists/images/results/watt.gif • Cuando se cuantificaron los procesos de desintegración radiactiva, se pudo comprobar que se producía una cantidad de energía determinada, pero que al mismo tiempo se perdía una determinada cantidad de masa James Watt puede realizar un caballo normal y así definió esta unidad de potencia como caballo de fuerza o con su abreviatura inglesa horse power (HP). (Trefil y Hazen, Pag. 56-57) Hoy se usan los kilovatios, que equivalen a mil vatios, para medir la potencia y la equivalencia es de 1 HP igual a 750 vatios aproximadamente. Cuando se paga la cuenta del consumo de electricidad en las casas, se paga el valor de la energía consumida, por tanto se multiplica la potencia en kW por el tiempo de una hora y se obtiene el kilovatio-hora (kWh) que vale unos cuantos centavos de dólar. Energía de las ondas “Cuando observamos a las olas romper en la playa, sabemos que la energía del movimiento de las olas se ha convertido en energía cinética. Todos los tipos de ondas transmiten energía. Por ejemplo, las ondas sonoras, que transmiten los sonidos, son vibraciones de distintas frecuencias que producen un movimiento oscilatorio en el aire y este movimiento transmite los sonidos a nuestros tímpanos, que los comunican en forma de impulsos eléctricos al cerebro.” También hay ondas de tipo electromagnético, que son las que transportan la luz y la energía del sol; éstas son ondas de energía radiante o radiaciones que se propagan por el espacio vacío. Estas radiaciones almacenan su energía en los campos eléctricos y magnéticos que acompañan a estas ondas. (Trefil y Hazen, Pag. 62) FIGURA NO. 4 - 3 Planta Hidroeléctrica Fuente: http://www.conae.gob.mx/wb/distribuidor.jsp?seccion=2046 94 Las Nuevas Ciencias del Cosmos La energía de la masa “El descubrimiento de la radioactividad a principios del siglo XX, al comprobar que había átomos de radio, uranio y otras substancias, que liberaban energía a medida que se desintegraban radioactivamente, llevó a los científicos a comprender que la masa era también una forma de energía.” Cuando se RESUMEN Transformaciones de energía • Las plantas reciben energía de alta calidad del Sol, radiaciones electromagnéticas cuantificaron los procesos de desintegración radiactiva, se pudo comprobar que se producía una cantidad de energía determinada, pero que al mismo tiempo se perdía una determinada cantidad de masa. “Al dividirse la cantidad de energía producida por la cantidad de masa que había desaparecido, se obtuvo una cifra igual al cuadrado de la velocidad de la luz. Esta es la famosa ecuación de Einstein, la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.” (Trefil y Hazen, Pag. 63) • Un uno por ciento la transforman en energía química • Cuando nos alimentamos con vegetales alrededor de un diez por ciento se transforma nuevamente • Energía de alta calidad se puede transformar con alta eficiencia Transformaciones de energía • Pero energía de baja calidad como el calor, con poca eficiencia. Las plantas reciben energía de alta calidad del sol, en la forma de radiaciones electromagnéticas. “Una pequeña parte de esta energía, alrededor del uno por ciento, la transforman en energía potencial química, que se almacena en las uniones de las moléculas, en las células de las plantas.” Cuando nos alimentamos con tejidos vegetales en las ensaladas, una pequeña parte, alrededor de un diez por ciento de esta energía potencial química, se transforma nuevamente en energía química en nuestro cuerpo. “De modo que la energía se va transformando en otras formas de energía todo el tiempo. Pero en cada proceso de transformación sólo una pequeña parte se transforma, es decir que se pierde gran cantidad de energía en los procesos de transformación.” Por esto pode- mos afirmar que las transformaciones energéticas son muy ineficientes. En general, cuando transformamos energía de alta calidad, como la electromagnética en energías de menor Figura 4 - 8 Transformaciones de energía Fuente: http://www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/science/ima- calidad como la térmica, se puede transformar con altos porges/EnergyTransformations.gif centajes de eficiencia. Pero al revés, cuando pasamos de energía de baja calidad a aquellas de alta calidad como la eléctrica, entonces la eficiencia es relativamente baja, alrededor del 30% en los mejores casos. Las plantas hidroeléctricas transforman energía potencial graviRESUMEN tatoria del agua almacenada en los grandes diques y represas en enerPRIMERA LEY gía electromagnética. El agua llega a las partes al DE LA TERMODINÁMICA s desde las nubes, debido a la energía del sol que evapora el agua • La energía sólo puede ser camdel mar y sube como gotitas muy pequeñas a las nubes, desde donde biada a otra forma de energía, no se crea ni se destruye, sólo se caen como lluvia a los ríos que llegan a las represas. Al caer el agua transforma de la represa por largas tuberías que llegan a las turbinas de las • La comida contiene energía salas de máquinas, se convierte en energía cinética que luego potencial química, la cual es utilimueve a los generadores que convierten el movimiento circular zada por nuestro cuerpo lo que nos permite vivir y mantener el en energía electromagnética. metabolismo del cuerpo De modo que: “toda la energía en sus diferentes formas es transformable en otras formas de energía, pero en ciertos procesos se obtiene mayor eficiencia que en otros.” Cuando se salta desde un lugar alto, como un puente, atado a los elásticos llamados bungee, las personas utilizan energía química de los alimentos para llegar al lugar del salto, adquiriendo energía potencial gravitatoria al subir a los puentes de donde saltan. Cuando se arrojan la energía cinética se transforma en ener- • La temperatura corporal, el cerebro y el sistema nervioso son los que más energía consumen, además, de la energía para realizar los movimientos con los músculos. 95 Capítulo 4 RESUMEN La conservación de la energía • La primera ley dice que la cantidad total de energía se conserva en un sistema aislado • La energía puede cambiar, pero no se puede crear energía de la nada y tampoco la energía puede desaparecer • La primera ley nos dice que no se puede construir una máquina que funcione permanentemente sin un flujo constante de nueva energía. gía potencial elástica, que se almacena en las cuerdas bungee. Parte de la energía cinética también se convierte en calor debido a la fricción en los diferentes lugares, que se disipa y se pierde en el ambiente. (Trefil y Hazen, Pag. 64-65) PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Es importante recordar que la energía sólo puede ser cambiada a otra forma de energía, no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Por ejemplo, la energía química de una batería dentro de una linterna se transforma en luz cuando se la prende en la noche. La comida contiene energía potencial química, la cual es utilizada por nuestro cuerpo para mantener el metabolismo y la temperatura corporal. En nuestro cuerpo son el cerebro y el sistema nervioso los que más energía consumen, además, se necesita energía para realizar todos los movimientos con los músculos, como al caminar. RESUMEN La dieta alimenticia y las calorías • La energía de los alimentos se mide en calorías La conservación de la energía “El recurso maestro de nuestro universo, la energía, no varía en su contenido total, por esto se dice que se conserva y se le llama a ésta una ley de la conservación.” En los capítulos iniciales ya se describieron los conceptos • Una caloría es la energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un litro de agua • A esta unidad también se le conoce como kilocaloría • Una persona necesitan cerca de 15 calorías por cada libra de peso al día • Una persona que pesa 180 lb necesita de 2700 cal por día. de sistemas, tanto de aquellos cerrados, como de los abiertos. Si un sistema intercambia energía con el entorno que le rodea, se dice que es un sistema abierto. Si no hay intercambio es un sistema cerrado o aislado. La Primera Ley dice que: La cantidad total de energía se conserva en un sistema aislado Esta ley expresa que la energía puede cambiar, pero no se puede crear energía de la nada y tampoco la energía puede desaparecer. La energía es parecida al dinero de un país, cambia de manos, se puede guardar, invertir, gastar, pero la cantidad total de dinero no cambia, a menos que se mande a quemar billetes viejos o se impriman billetes nuevos y se acuñen monedas. “También significa esta primera ley que no se puede construir una máquina que funcione permanentemente sin un flujo constante de nueva energía, es decir, no puede haber un móvil perpetuo de ninguna especie.” Como veremos en el capítulo nueve, “estas leyes de la conservación son una consecuencia de la simetría del espacio en el universo, esto significa que el espacio es plano en su mayor parte y no tiene ondulaciones por todo lado.” Cuando se viaja por el espacio cósmico, éste es plano e igual en todo sitio, excep- to cerca de las grandes masas como las estrellas o los planetas donde se curva debido a la cantidad de materia en esos lugares. “De la segunda ley de Newton se pueden deducir las leyes de la conservación de la energía y del momento de inercia, debido a que el tiempo y el espacio son continuos en el universo.” Cuando existe una simetría, tam- bién hay un principio de conservación. Hasta principios del siglo XIX se creía que Dios había creado la energía y que por eso era constante en el mundo, independiente por tanto de la intervención humana. (Trefil y Hazen, Pag. 68) La dieta alimenticia y las calorías La primera ley también se aplica a los alimentos y a nuestro cuerpo. “La energía de los alimentos se mide en Calorías, que es la energía térmica necesaria para elevar un grado la temperatura de un litro de agua, esta unidad también se le conoce como kilocaloría.” Si nos alimentamos con más comida de la necesaria para nuestras actividades diarias, el exceso de energía se acumula en forma de grasa en el cuerpo y cuando no tenemos suficiente alimento para realizar una tarea determinada, usamos esta grasa almacenada en el cuerpo. (Trefil y Hazen, Pag. 69) 96 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Los ciclistas que participan en pruebas muy difíciles, como la Vuelta a Francia por ejemplo, necesitan alimentarse con cerca de diez mil calorías por día, es decir, cuatro veces más de lo normal. “Se estima que se necesitan 15 calorías por cada libra de peso corporal, es decir, que una persona que pesa 180 libras o 81 kilos, necesita 2.700 calorías por día.” Si se quiere perder una libra de grasa en una semana RESUMEN El calor • El calor siempre fue considerado un fenómeno misterioso • No se entendía cuál es la naturaleza del calor, parecía que estaba fuera del alcance de la física de ese entonces hay que reducir en 500 calorías la cantidad diaria de alimento. También se puede hacer ejercicio para consumir éstas 500 calorías, lo que significa por ejemplo montar una hora en bicicleta a muy buen ritmo, por eso es más fácil disminuir la ingesta de alimentos. • Al calor se lo había considerado como un fluido y por esto se le llamaba caloricum • Joule demostró que el trabajo mecánico aumenta la temperatura del agua cuando se la agita • Actualmente se le llama joule a la unidad de energía • Sabemos que el calor es una forma para transportar energía. El calor En 1867 se publica un tratado magistral de Thomson y Tait llamado Treatise on natural philosophy, en el “que se analiza el comportamiento de las partículas en términos de la energía cinética, potencial y de la conservación de la energía. Ésta siempre se convierte de una forma más útil a una forma menos útil a medida que se transforma.” Pero había un con- cepto que no se podía entender debidamente y era el del calor; el calor siempre fue considerado un fenómeno misterioso, pero con el desarrollo de los motores de vapor pasó a ocupar un lugar muy especial y atrajo la atención de la comunidad científica. “El problema era que no se entendía cuál es la naturaleza del calor, este concepto parecía que estaba fuera del alcance de la física de ese entonces; al calor se lo había considerado como un fluido y por esto se le llamaba caloricum,” un fluido imponderable, sin peso ni masa, pero al mismo tiempo capaz de penetrar en cualquier lugar; aun hoy día se dice que el calor fluye del cuerpo caliente al frío. “El concepto del fluido fue eliminado de la ciencia por el científico, inventor, político, soldado, benefactor, estadista, espía y reformador Benjamin Thompson, conde de Rumford, nacido en Massachussets, quien se escapó a Inglaterra en 1776. Estableció la Sociedad Real de la Ciencia en 1799 y luego viajó a Baviera en donde le nombraron Ministro de Guerra, Jefe de la policía, Consejero de la Corte y Conde del Sacro Imperio Romano. Este caballero de tantos oficios fue el que descubrió que el calor se produce por el movimiento de los átomos al chocar unos con otros, de modo que el calor se podía producir continuamente y por tanto era el resultado del movimiento de las partículas que conforman la materia.” Figura No. 4 - 9 Transferencia de calor. Fuente: http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/Image2312.gif En 1875 James Joule un científico inglés realizó un experimento célebre en el cual, por medio de una pesa movía unas paletas ubicadas dentro de un cubo con agua y comprobó el aumento de la temperatura del agua a medida que la pesa bajaba moviendo las paletas. De esta manera demostró que el trabajo realizado por la pesa era equivalente al aumento del calor del agua, medible por el cambio de temperatura. “Actualmente se le llama joule a la unidad de energía, que es 97 Capítulo 4 RESUMEN Convección, cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se produce un movimiento del fluido que conduce la energía Radiación, cuando una persona se acerca a la chimenea encendida, siente la energía que llega a su cuerpo por medio de las radiaciones infrarojas. Conducción, cuando tocamos una sartén que está sobre una hornilla, sentimos la energía que se transfiere por conducción Transferencia de energía aproximadamente la energía que requiere un latido del corazón. Los trabajos y experimentos de Joule probaron sin lugar a dudas que el calor era una forma de transferir energía.” Aun cuando el calor y el trabajo aparecen como dos formas de energía, hay ciertas diferencias que tuvieron que ser ventiladas cuando se entendió la naturaleza atómica de la materia. “Entonces se comprendió que el calor y el trabajo no son formas de energía, sino formas de transferir la energía de un lugar a otro. De esta manera podemos afirmar que el calor es energía en tránsito entre dos lugares con una diferencia de temperatura. El trabajo también es el instrumento que transfiere la energía, pero no es energía.” (Atkins, Pág. 98-105) “La transferencia de energía en forma de calor es la que estimula los movimientos de los átomos, de modo que no existe calor como una forma de energía, sino lo que existe es energía cinética o energía potencial.” Lo que lla- mamos energía térmica o calor no es energía, de modo que al tratar de mantener una casa caliente durante un frío invierno, se requiere transferir calor de alguna fuente como la chimenea o la calefacción. Al prender la calefacción la casa se calienta, cuando se apaga la calefacción el calor residual se escapa gradualmente y la casa se enfría. La única manera de mantener las cosas calientes es transferir más calor de alguna fuente adecuada, como el caso de nuestros cuerpos que requieren transformar la energía de los alimentos para mantener la temperatura corporal de cerca de 37ºC. Transferencia de energía “La energía se transfiere por tres mecanismos básicos: conducción, convección, y radiación, cada uno de estos procesos es importante en diferentes aspectos de la naturaleza.” Conducción Cuando tocamos una sartén que ha estado calenNo. 4 - 10 Radiación tándose sobre una hornilla, sentimos en el mango la Figura Fuente: http://energyaudit-scg.sempra.com/ temperatura que aumenta por medio de la transferencia de energía por conducción. “Se define a la conducción como la transferencia de energía a través de las colisiones atómicas en un material que se está calentando.” La conducción funciona a través de la acción individual de átomos o moléculas que están unidas por enlaces químicos. Cuando un tubo de metal es calentado por un lado, los átomos de ese lado comienzan a moverse más rápidamente. Estos vibran y chocan con átomos que están alejados de la fuente de calor y transfieren un poco de su energía, “por tanto la conducción es el resultado de las colisiones entre átomos o moléculas que vibran.” (Trefil y Hazen, Pag. 80) Convección Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se produce un movimiento del fluido que conduce la energía. Este movimiento transfiere energía de la parte caliente del fluido a la parte más fría por un proceso que se denomina convección. “Si se calienta un líquido o un gas, su densidad disminuye, de modo que asciende mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento se denomina convección natural.” Cuando calentamos una cace- rola llena de agua en la estufa, el líquido más próximo al fondo se calienta por la energía que se ha transferido por conducción a través de la cacerola. “Al expandirse la densidad del agua disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del agua fría más densa baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación que se llama convección.” Algo similar sucede con el aire que se calienta durante el día y asciende en los valles cre- 98 Las Nuevas Ciencias del Cosmos ando corrientes de convección, mientras que el aire más frío desciende por los lados de las montañas. En la noche se produce un movimiento de circulación inverso, de modo que “la convección determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre produciendo el movimiento de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el núcleo del Sol hasta la corona.” (Trefil y Hazen, Pag. 81-83 Radiación “Cuando una persona se acerca a la chimenea encendida, siente la energía que llega a su cuerpo. Pero esta energía no puede transferirse por conducción, ya que es muy difícil transferir calor a través del aire, ni por convección ya que esto requiere que se produzca un movimiento considerable de aire. De modo que esta transferencia de energía se produce por medio de la radiación o específicamente como una radiación electromagnética,” es decir, energía en forma de ondas electromagnéticas iguales a las que nos llegan desde el Sol. “Todo objeto en el universo emite energía cuando tiene una temperatura más alta que la de sus alrededores. El cuerpo humano constantemente emite energía la cual puede ser detectada fácilmente en la noche utilizando lentes infrarrojos; éste continuará emitiendo energía mientras pueda procesar alimentos que lo mantengan vivo.” La radiación es el único tipo de energía que puede viajar en el vacío, la conducción requiere de átomos y moléculas que vibren y choquen entre sí, la convección requiere del movimiento de los átomos o moléculas de una sustancia para poder transferir la energía. (Trefil y Hazen, Pag. 83-85) ONDAS ELECTRO-MAGNÉTICAS Transferencia de energía por medio de las ondas “La energía se puede transmitir por medio del choque de partículas y por medio de ondas. En el caso de las partículas, podemos visualizar unas piezas de dominó, paradas unas al lado de las otras formando una fila muy larga. Si empujamos a la del extremo, todas las piezas van cayendo una después de la otra. De modo que la energía que aplicamos a la primera se transmite hasta la última si todas se pueden tocar.” Las ondas las pode- mos visualizar en las olas que podemos observar en los mares y lagos. Estas olas son las ondas que transmite la energía cinética del viento por medio del movimiento del agua de arriba para abajo; solamente en la playa cuando rompen las olas, se mueve el agua horizontalmente. El sonido es una onda longitudinal que se mueve a través del aire. (Trefil y Hazen, Pag. 125-126) Las ondas electromagnéticas Cuando encendemos un foco o el horno de micro-ondas, podemos observar los efectos de las ondas electro-magnéticas. “Desde las ondas de radio, pasando por la luz visible a los rayos X, todas son ondas electro-magnéticas. Maxwell, después de desarrollar las cuatro ecuaciones que describen los fenómenos eléctricos y magnéticos, se dio cuenta de que manipulando estas ecuaciones se obtenía una ecuación que describía unas ondas que se movían a la velocidad de la luz, a las cuales les llamó ondas o radiaciones electromagnéticas.” Este resultado extraordinario permitió a Maxwell dilucidar un enigma que había por siglos preocupado a los hombres de ciencia: ¿Cuál es la naturaleza de la luz que nos llega desde el Sol y las estrellas? No se sabía cómo llegaba la luz del Sol a la Tierra, ya que no existía un medio en que las ondas de luz podían vibrar. Luego “se descubrió que la luz era una onda electro-magnética que se produce cuando cargas eléctricas como los electrones se aceleran. Las ondas electromagnéticas están formadas de dos campos, el campo eléctrico y el magnético, que se inducen el uno al otro. El campo eléctrico induce al magnético y viceversa, a lo largo de todo el recorrido de las ondas. Esta es la razón por la cual estas ondas pueden moverse por el vacío, ya que no necesitan ningún medio para trasladarse.” El éter y la luz “Desde la época de Newton se asumió que al ser la luz una onda, debía existir un medio en el espacio interestelar para que se puedan mover estas ondas de luz. A este medio se le llamó el éter, o quinto elemento según Aristóteles. Se suponía que era una sustancia muy tenue y transparente, que no causaba ninguna fricción al movimiento de los planetas por el espacio.” 99 Capítulo 4 Los experimentos de dos físicos norteamericanos: Michelson y Morley en 1887 demostraron que este éter no se podía detectar en el espacio, de modo que no existía. “Cuando Maxwell entendió la conexión que había entre la luz y las ondas electromagnéticas, llegó a varias conclusiones importantes, en particular que todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad por el espacio. Esta velocidad es muy importante en nuestro universo y por esto se le representa con la letra c de constante y es igual a 300.000 km/s en el vacío.” (Trefil y Hazen, Pag. 133-136) La energía electromagnética El generador de ondas electromagnéticas más sencillo es una peinilla cargada eléctricaFigura No. 4 - 11 Ondas electro-magnéticas. mente con cargas estáticas y que se aceleran con la Fuente: http://www.cca.org.mx/dds/ninos/images/tomo3/36.gif mano, de abajo para arriba y viceversa. Si la peinilla se mueve lentamente, la energía de las ondas es muy pequeña, si se mueve muy rápido, la energía aumenta. “Si se logra mover la peinilla RESUMEN LAS ONDAS ELECTRO-MAGNÉTICAS • Propiedades de las ondas: todas tienen una velocidad, una frecuencia, una longitud de onda y una amplitud. • Desde las ondas de radio, pasando por la luz, a los rayos gamma, todas son ondas electro-magnéticas • Las ondas electro-magnéticas están formadas por dos campos que se generan el uno al otro: los campos son el eléctrico y el magnético. 300.000 veces por segundo, se generan ondas de radio de un kilómetro de longitud. Esto se debe a que la frecuencia es proporcional a la energía de la onda.” El fuego de una vela tiene una luz amarillenta con poca energía. Un soplete tiene una luz azulada que tiene mucho más calor y energía. La luz roja es la más débil y de menor frecuencia, la luz violeta es la de mayor frecuencia y energí. (Trefil y Hazen, Pag. 135-136) El espectro electromagnético “El físico alemán Heinrich Herzt entre 1885 y 1889 realizó una serie de experimentos para buscar las ondas electromagnéticas diferentes a la luz, y confirmó que en realidad había ondas de distintas frecuencias y energías, pero que todas se mueven a la velocidad de la luz, como predecían las ecuaciones de Maxwell.” Empezando por las ondas que ahora llamamos ondas de radio, éstas van de una frecuencia de mil ciclos por segundo (kHz) a varios cientos de millones de ciclos por segundo (MHz), que corresponden a las frecuencias de los receptores de radio, tanto en AM como FM. A continuación aparecen en el espectro las micro-ondas, que tienen longitudes de onda de un metro a un milímetro. Estas ondas son muy útiles para los radares, satélites y los hornos de micro-ondas. Luego aparecen los rayos infrarrojos, que son los que transmiten el calor, son ondas de menos de un milímetro hasta cerca de una millonésima de metro. Todo objeto caliente emite ondas infrarrojas; mientras mayor es la temperatura, mayor es la frecuencia y por tanto la energía. Hay algunos animales como los mosquitos y las culebras que han desarrollado sensores muy precisos para los Figura 4 - 12 Espectro electromagnético Fuente: http://curiosoperoinutil.com/wp-content/uplorayos infrarrojos, de modo que pueden ver en la oscuridad. ads/2007/02/emspecsmall.jpg 100 Las Nuevas Ciencias del Cosmos La luz visible es aquella que varía de una longitud de onda de unos 7500 a 4000 Armstrongs, es decir, desde los infrarrojos hasta los ultravioletas. Entre estas longitudes están todos los colores del arco iris, que nuestros ojos pueden diferenciar. ¿Por qué sólo podemos ver una parte tan pequeña del espectro? Algunos biólogos asumen que se debe a que esta parte de las ondas electromagnéticas son las que mejor penetran la atmósfera, de modo que la evolución permitió que nuestros ojos se adapten a estas frecuencias. Los rayos ultravioletas (UV) vienen a continuación de la luz visible, son de mayor frecuencia y mayor energía y por tanto muy peligrosos para nosotros. Estos rayos pueden cambiar los pigmentos de la piel y por esto nos bronceamos al sol, pero también los de mayor energía pueden dañar las células de la piel produciendo quemaduras y cáncer al modificar los códigos genéticos. La luz del Sol contiene rayos UV de poca y mucha energía, por suerte los de gran energía no pueden penetrar fácilmente la atmósfera, ya que los detiene la capa de ozono existente en la estratósfera. Esta es la razón por la cual hay que protegerse de los rayos del sol y evitar las quemaduras. Los rayos X tienen unas frecuencias mayores a los UV y por tanto tienen mayor energía. Estas radiaciones son tan fuertes que pueden penetrar en la materia y en nuestros cuerpos. Por esto se pueden tomar radiografías usando rayos X, en las cuales se ven los diferentes órganos y los huesos muy claramente. Los rayos X también sirven para detectar fallas en las uniones y sueldas de metales y tuberías y por esto tienen muchos usos industriales. Los rayos gamma son los de mayor energía del espectro electromagnético. Estos rayos sólo se emiten en reacciones nucleares de mucho poder como en el Sol o en las explosiones atómicas y de hidrógeno. Estos rayos también se producen en el espacio y nos permiten ver eventos en que hay grandes explosiones como las de las supernovas. (Trefil y Hazen, Pag. 139-148) Energías del futuro Se han desarrollado métodos para fabricar paneles solares excepcionalmente eficientes, delgados y baratos. Hay nuevos combustibles para motores como el bio-diesel; desde hace ya muchos años, se viene investigando la producción de enormes cantidades de energía por medio de la fusión del deuterio. Los países europeos están ya construyendo un reactor para este propósito en el sur de Francia. Además, se han encontrado innumerables depósitos de gas metano congelado en el fondo marino. Hay un pequeño organismo unicelular que puede convertir los desechos orgánicos en etanol. Existen también plantas del desierto que pueden producir un combustible limpio para usarlo como combustible de los automotores. “El hidrógeno con el oxígeno, por medio de las pilas de combustible, puede transformarse directamente en energía eléctrica y agua y de esta manera tiene las condiciones para ser la fuente de energía del futuro; éste es un combustible con un alto contenido energético, más del doble que la gasolina o el gas natural, con reservas inagotables de materia prima de 1.500 millones de kilómetros cúbicos.” Agotamiento de los recursos energéticos Los más importantes recursos no renovables actuales son los combustibles fósiles como los derivados del petróleo, el carbón y el No. 4 - 13 Energía del hidrógeno gas natural. Estos son explotados siguiendo tres modalidades dife- Figura Fuente: http://www.monografias.com/trabajos26/agotamienrentes: to-energetico/Image444.gif 1. “Explotación, utilización y desperdicio sin nuevos descubrimientos sustitutivos 101 Capítulo 4 RESUMEN GENERACIÓN DE ENERGÍA 2. Explotación y reciclaje de los materiales, aumento de las reservas y mejora de la tecnología de extracción 3. Reciclaje, reutilización, reducción del consumo, aumento de la eficiencia de extracción y realización de nuevos descubrimientos”. Biomasa Eólica, Geo-térmica Solar Combustibles Fósiles Hidráulica Nuclear Hidrógeno, la pila de combustible. El tercer método es sin duda el más adecuado. GENERACIÓN DE ENERGÍA Antes de iniciar la descripción de las fuentes de energía en el planeta Tierra, es de gran utilidad conocer los grupos de recursos naturales que son indispensables para la generación de energía. “Se puede generar energía con cualquier materia prima que pueda quemarse, como la biomasa, constituida por los recursos de la naturaleza en base de carbono, por ejemplo los residuos de las cosechas y los restos de basura.” También se pueden usar los combustibles fósiles como el petróleo y sus derivados, pero con graves problemas ambientales como la contaminación de la atmósfera, de los ríos y los suelos y con posibles consecuencias como el cambio climático y la polución generalizada. “Para producir energía por medio de minerales como la hulla y el carbón de piedra, que producen muchísima contaminación, se requieren de investigaciones y transformaciones tecnológicas para lograr reducir y si es posible eliminar estas secuencias de contaminación.” Todas las transformaciones de energía tienen como propósito convertir las energías de baja calidad en otras de alta calidad, como el calor en movimiento o electricidad para realizar algún tipo de trabajo. Por ejemplo, si se desea cruzar un lago con un bote se puede poner una vela para que sea el viento el que realice el trabajo o usar unos remos y así son las personas las que tienen que realizar el trabajo; también se puede usar un motor con combustible o electricidad de baterías para impulsar el bote por el lago. Los primeros vehículos fueron impulsados por motores a vapor que obtenían su energía del calor producido por combustibles tradicionales al quemar madera o carbón. “Las transformaciones de energías de flujo, como el viento y las olas en electricidad también son otras posibilidades muy interesantes para producir energía que no contamina el ambiente y que son muy factibles en muchas partes del planeta.” El suelo y el agua son indispensables para la producción de alimentos, ya que son los que permiten la transformación de energía solar en glucosa para los seres vivos de este planeta. Pero estos son recursos que se pueden malograr muy fácilmente, como ya ha sucedido en muchas regiones en que el riego y el uso intensivo de los suelos ha causado su salinización, volviéndoles improductivos. La energía geotérmica, aprovecha los yacimientos subterráneos de agua muy caliente y a gran presión y es adecuada para generar energía eléctrica. Dependiendo de la presión y temperatura de estos yacimientos, se clasifican como recursos energéticos de alta, mediana y baja entalpía, entendiéndose por entalpía la suma total de las energías internas de un sistema. También hay la posibilidad de generar energía nuclear con las reacciones de fisión, como ya se hace en numerosos lugares usando reactores con uranio enriquecido, pero todavía no se logran resolver los problemas relativos a los desechos radioactivos y a la posible contaminación radiactiva de manera satisfactoria. También se investiga la producción de energía nuclear por fusión de átomos de deuterio, pero la tecnología necesaria para controlar debidamente estos procesos extremadamente complejos está siendo perfeccionada especialmente en Europa como vimos antes. Las energías llamadas alternativas, como la solar, que es la transformación de la energía del Sol directamente en energía eléctrica por medio de paneles solares de silicio se ha desarrollado enormemente, pero todavía hay varios problemas que resolver, especialmente la eficiencia de la transformación y el alto costo de estos paneles que requieren también de mucha energía para su producción. La energía del hidrógeno es sin duda una de las más interesantes y se están realizando 102 Las Nuevas Ciencias del Cosmos muchas investigaciones para sustituir con hidrógeno los combustibles fósiles usados en los automotores. El hidrógeno es inagotable, de alta eficiencia en la transformación y se logra reducir la polución atmosférica notablemente, ya que los residuos que salen por los tubos de escape son solamente agua. A continuación veamos algunas tecnologías para la generación de energía. Energía de combustibles fósiles Existen tres tipos de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. Los tres se formaron hace cientos de millones de años antes de la era de los dinosaurios. Estos combustibles se forman de la descomposición de la materia orgánica de plantas y animales. Cuando las plantas y animales se mueren, se descomponen y se integran en las capas geológicas de la Tierra. Después de muchos cientos de millones de años y por la presión y las tempeFigura No. 4 - 14 Pila de hidrógeno raturas internas de las capas superiores, se forman el carFuente:: http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/img/fcell_diabón, el petróleo y los gases naturales que constituyen los gram_alkaline.gif principales combustibles de la época industrial. La combustión del carbón para producir calor genera, al mismo tiempo, una serie de residuos como el dióxido de azufre y los óxidos nitriosos, además de una gran cantidad de partículas y monóxido de carbono que polucionan enormemente el ambiente. Estos contaminantes pueden ser reducidos usando filtros y precipitadores electrostáticos, pero además se producen grandes cantidades de ceniza y de residuos que deben removerse a los botaderos. Los combustibles fósiles no son renovables y debido a su uso intenso y a la contaminación que producen, con toda seguridad serán sustituidos por otros no contaminantes, como el hidrógeno, en el siglo XXI. (Bradley, Fulmer Pag. 21-25) Deffeyes en su libro Beyond Oil dice que “a principios del siglo XXI la producción de petroleo habrá dejado de crecer y que en el año 2019 habrá bajado al 90% de su valor máximo, pero que la demanda continúa creciendo. Mientras no haya un liderazgo político mundial bien claro y decidido, las cosas continuarán empeorando con enormes tragedias y crisis como las que estamos viviendo ahora. Los sistemas de transporte en todo el planeta dependen del petróleo de modo que la crisis que se avecina en los próximos diez años, determinará que tengamos que aprender cómo cambiar a los otros tipos de energías y cómo debemos ser más eficientes en el uso de las actuales.” (Deffeyes Pag. 7-12) Energía nuclear Otra de las formas de generar energía es la nuclear. Esta energía es liberada Figura . 4 - 15 Fisión y fusión Fuente:: Nhttp://www.monografias.com/trabajos6/enuc/Image1673.gifo durante la fisión o fusión de núcleos atómicos mediante la transformación de la materia del núcleo en energía. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos 103 Capítulo 4 químicos, que sólo implican los intercambios de electrones de las regiones externas al núcleo. Fisión nuclear Las plantas de energía nuclear producen electricidad de la misma manera que las plantas térmicas que usan otros combustibles, en las que el agua se calienta para producir vapor a muy altas temperaturas, la energía térmica de este vapor mueve a las turbinas que a su vez hacen girar a los generadores de electricidad. “Fusión es cuando se divide al núcleo de un átomo, como el uranio, en que se libera enormes cantidades de energía en forma de calor que está contenida en la fuerza nuclear, fuerte, pero de manera controlada.” Si toda esta energía se libera de una sola vez se produce una explosión atómica, cosa que no puede suceder en las centrales nucleares. Las centrales de producción de energía nuclear utilizan uranio 238 enriquecido con alrededor del tres por ciento de uranio 235 como combustible Figura No. 4 - 16 Fisión nuclear nuclear. Dentro del reactor,los núcleos Fuente:: http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/ateneo/temascandentes/energia_nuclede uranio se rompen por medio de neu- ar/images/fision_nuclear2.jpg trones libres acelerados, liberando energía y más neutrones que a su vez chocan con otros núcleos produciendo una reacción en cadena, controlada por medio de barras de grafito o cadmio que absorben gran cantidad de neutrones libres frenando las reacciones de fisión de esta manera. En varias centrales nucleares se han producido accidentes como en Chernobil en Ucrania y Three Mile Island en Pennsilvania. (Bradley, Fulmer Pag. 25-29) Fusión nuclear Es la otra forma en que se puede generar energía al transformar la masa en energía. “Fusión significa unir dos núcleos de deuterio, el isótopo de hidrógeno, para convertirlos en un núcleo de helio. En este proceso se pierde una pequeñísima cantidad de materia que se convierte en energía.” Las estrellas utilizan estos complejos meca- nismos para producir enormes cantidades de energía que es liberada durante miles de millones de años. Los científicos están trabajando para poder controlar las reacciones de fusión nuclear. Para esto han desarrollado una serie de aparatos muy complejos que permiten mantener un plasma a altísimas temperaNo. 4 - 17 Fusión nuclear. turas dentro de un campo magnético cerrado en Figura Fuente: http://www.atomicarchive.com/Fusion/Images/fusion.jpg forma de un toroide. Sin embargo, los mecanismos de control y de estabilidad son muy complejos y aún no se obtienen los resultados esperados. Lo bueno de las reacciones de fusión es que producen mucho menos materiales radiactivos y el material de combustible hidrógeno, es prácticamente inagotable. (Bradley, Fulmer Pag. 2529) 104 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Energía hidráulica Desde la antigüedad se sabía que el agua que fluye desde las montañas posee una energía cinética o de movimiento que podía ser utilizada para mover los molinos a las orillas de los ríos. “Hace un siglo se comenzó a usar la energía hidráulica para generar electricidad, al aprovechar la energía potencial del agua que se halla en los lugares altos y transformar la energía cinética de las caídas de agua en energía hidroeléctrica, convirtiéndose en un recurso renovable.” Debido a los Figura No. 4 - 18 Energía hidráulica Fuente:: http://www.apegr.org/imagenes/embalse-hidroelectrico.jpg enormes problemas de polución ambiental de las centrales térmicas, especialmente aquellas que usan carbón como combustible, se van aprovechando todo tipo de caídas de agua y reservorios para dotarles de turbinas y convertirles en minicentrales hidráulicas. Para esto es indispensable construir embalses y reservorios de agua muy grandes en las partes altas de las cuencas hidrográficas, que son construcciones muy costosas y grandes, por lo que resultan muy caros los proyectos hidroeléctricos y el valor de la energía alto, cerca de 8 centavos de dólar por kWh. (Bradley, Fulmer Pag. 30-31) Energía eólica Es la energía cinética del viento, que como hemos dicho antes se produce por el calentamiento desigual de ciertas partes de la atmósfera, creando movimientos de convección en las masas de aire. “Aproximadamente el dos por ciento de la energía que nos llega del Sol se transforma en energía eólica. En la antigüedad se aprovechó intuitivamente esta energía especialmente en los barcos de vela, en los molinos de viento y en otros mecanismos movidos por el viento.” Actualmente usamos el viento para pro- ducir energía eléctrica y mecánica de muchas maneras, especialmente para bombear agua de pozos. (Bradley, Fulmer Pag. 33-35) Energía geo-térmica Esta palabra proviene de dos raíces, geo significa tierra y termos significa calor, es decir, la energía que se obtiene del calor del interior de la Tierra. “En nuestro planeta existe una gran cantidad de reservas de energía en su interior y los ejemplos más claros son los volcanes, aguas termales y géiseres. Diversos estudios científicos realizados en distintos puntos de la superficie terrestre han demostrado que en promedio, la temperatura del interior del planeta aumenta en 3 ºC cada 100 metros de profundidad. Este aumento de temperatura con la profundidad se denomina gradiente geotérmico y se cree que varía al alcanzar grandes profundidades, superando en el centro de la Tierra los 5.000 ºC.” La forma en que se utiliza esta energía es Figura No. 4 - 19 Energía geotérmica Fuente:: http://www.monografias.com/trabajos5/energia/Image60.jpg por medio de fuentes y baños termales, pero también se perforan pozos para inyectar y luego extraer fluidos calientes. El aprovechamiento de este tipo de energía es muy similar a la explotación hidrocarburífera ya que hay que perforar pozos profundos y requiere de altas inversiones para su exploración y explotación. (Bradley, Fulmer Pag. 35-36) 105 Capítulo 4 Energía solar Como vimos antes, la energía liberada por el Sol se transmite al espacio interplanetraio mediante radiaciones electromagnéticas. Se ha calculado que el Sol pierde cada segundo cerca de cinco millones de toneladas de masa de hidrógeno que se transforma en energía; esta energía se reparte en todas direcciones, de modo que la cantidad que llega a la Tierra es muy pequeña. Esta energía es más que suficiente para las necesidades actuales de la humanidad, mas en el futuro, debido al continuo aumento de la demanda de energía, no será suficiente como veremos en el capítulo doce. La crisis del petróleo de principios de los años 70 del siglo XX elevó el precio de tal manera, que hizo posible que la energía solar pasara a competir con las otras fuentes de energía convencionales. Se hicieron grandes inversiones en centrales experimentales en muchos lugares del mundo, demostrando que ciertamente es viable obtener energía del Sol, pero también se demostró la dificultad que plantea competir con los precios de otras fuentes de energía. En la actualidad el uso de paneles fotovoltaicos para lugares remotos está sustituyendo a los sistemas convencionales. “El sistema de aprovechamiento indirecto de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica, para lo cual se usan paneles de células solares fabricadas de silicio, que tienen las propiedades específicas de los semiconductores, al permitir convertir el calor en electricidad. Por otra parte, existen dispositivos para captar la energía solar térmica directamente, por medio de colectores solares. El colector es una superficie que, expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido como el agua para su posterior transformación en otras formas de energía.” (Bradley, Fulmer Pag. 39-40) Energía de la biomasa “La biomasa es toda la materia orgánica, incluyendo materiales residuales de transformaciones naturales o basuras como la biomasa natural, que se produce en la naturaleza sin la intervención humana. La biomasa residual es la que se produce en los procesos agrícolas, ganaderos y del desarrollo como, basuras y aguas residuales. La biomasa producida es aquella que es cultivada con el propósito de obtener materia prima para producir combustibles, en vez de producir alimentos como la caña de azúcar en Brasil, que permite obtener etanol como combustible para vehículos automotores.” Están excluidos de la biomasa los productos agrícolas que sir- ven de alimentación al ser humano y a los animales, así como los combustibles fósiles. La biomasa se puede aprovechar de dos maneras, quemándola para producir energía o transformándola en combustible para su mejor transporte y almacenamiento. (Bradley, Fulmer Pag. 40-42) El combustible hidrógeno Desde hace bastante tiempo se usa el hidrógeno como combustible, especialmente en los cohetes en que se llevan tanques con oxígeno e hidrógeno líquidos, que se mezclan para producir la ignición explosiva de estos dos gases, que producen una tremenda masa de gases calientes que salen por la parte posterior e impulsan al cohete, de acuerdo con la tercera ley de Newton de la acción y la reacción, ya que la acción del escape violento de los gases por las toberas, produce una reacción que acelera el cohete en la dirección opuesta a la de los gases de escape. En el siglo XIX se descubrió que “el hidrógeno gaseoso puede pasar ciertas membranas en presencia del platino como catalizador. Al penetrar en la membrana los protones de los núcleos del hidrógeno pasan esta membrana, pero los electrones se separan y la energía eléctrica puede fluir por los conductores impulsando motores eléctricos”. Esta tecnología se la conoce como pila de combustible, desde 1839 en que el físico inglés Sir William Grove la construyó por primera vez. La pila de combustible Es una de las tecnologías más prometedoras para usar el hidrógeno como combustible y generar electricidad, ya que puede usarse para cualquier propósito como generador de corriente eléctrica. “A la primera pila le llamó Grove batería gaseosa, ya que es en esencia una batería que es recargada por un combustible químico, el hidrógeno, en vez de una recarga por medio de una corriente eléctrica inversa que es lo usual en las baterías de los vehículos actuales. Las pilas más eficientes son aquellas que funcionan con oxí- 106 Las Nuevas Ciencias del Cosmos geno e hidrógeno puros y el único producto de desecho que se produce es agua caliente.” Hasta hace pocos años atrás esta tecnología se usaba solamente en submarinos y naves espaciales como las Apolo que llegaron a la Luna. Las dos aplicaciones más prometedoras de las pilas de combustible son para generar electricidad y para mover los motores eléctricos de los nuevos vehículos del siglo XXI. La generación de electricidad se puede hacer en unidades centrales de generación o en otras pequeñas en las residencias y casas de las ciudades, para enviar la corriente eléctrica a la redes de distribución. También se puede usar las pilas de los automotores como plantas de generación conectadas a redes de distribución eléctricas paralelas, ya que estos automotores están el 95% del tiempo estacionados en algún garaje. “Se ha estimado que cuando los setecientos millones de vehículos que hay en el planeta puedan generar electricidad con las pilas de hidrógeno y estén conectados a las redes de distribución mundial, entonces se tendría muchas veces más energía disponible que la existente actualmente de todos los sistemas centralizados de generación del planeta.” Al disponer de estas pilas en los automotores del futuro, se solucionaría en parte el gran problema de la polución urbana causada por los combustibles fósiles como la gasolina o el diesel, ya que estas pilas son limpias, no polucionan, son confiables y se les puede hacer del tamaño que sea para ajustarse a las distintas aplicaciones. El único problema de estas tecnologías es que no existe hidrógeno y oxígeno puros en la naturaleza, si bien el oxígeno puede ser sustituido por el aire con una ligera reducción en la eficiencia, hay que buscar la forma más adecuada y económica de extraer el hidrógeno de diferentes compuestos como el agua, el metanol, el gas natural o de ciertos hidrocarburos. “Hay cuatro tipos de pilas que se construyen con propósitos comerciales: la de polímeros, la de ácido fosfórico, la de sales de carbonato y la de cerámica, todas éstas se diferencian en los requerimientos de hidrógeno, en la eficiencia y en la temperatura a la cual trabajan. Estas pilas serán las que cambien nuestro futuro, de la polución a la ecología profunda.” (Bradley, Fulmer Pag. 43-44) Tiempo y energía William Blake en su libro The Marriage of Heaven and Hell, describe a la energía como “el deleite eterno, es decir el generador de todo lo bueno, de la simetría y la belleza en el cosmos.” Una de las incógnitas permanentes de la ciencia es saber si con el paso del tiempo las leyes de la física cambian, se modifican y dejan de ser iguales a las que conocemos ahora. Se han hecho muchos experimentos y pruebas para tratar de medir y determinar si los fenómenos que tuvieron lugar hace miles de millones de años, se pueden explicar con las mismas leyes que conocemos hoy; hasta ahora se ha comprobado que no hay ninguna diferencia, que con el tiempo estas leyes no se han modificado. “Desde hace cientos de años, se trata de crear máquinas que funcionen sin un flujo de energía constante, se les conoce a estos artilugios como perpetum mobile, es decir que logran moverse perpetuamente sin energía constante, sólo con un impulso inicial; algo parecido a lo que sucede con los planetas girando alrededor del Sol.” Muchas patentes de invención han recibido estos aparatos, aun a fines del siglo XX, en que estos inventos son aparentemente más sofisticados y complicados. Uno de estos procesos es el de la electrólisis del agua, en que una corriente eléctrica continua se aplica por medio de dos electrodosal agua, y de esta manera se logra separar las moléculas de oxígeno e hidrógeno, obteniéndose estos dos gases. “Hay todavía personas, instituciones e inversionistas que desconocen las leyes de la conservación de la energía, que creen que el oxígeno y el hidrógeno se pueden combinar dentro de una pila de combustible, como vimos antes y que de esta manera se obtiene energía gratis en la forma de electricidad, además de agua como residuo del proceso. De esta manera aparentemente se obtiene el agua original más la energía eléctrica, por tanto se está obteniendo más de lo que se ha puesto. Una empresa en 1970 emitió acciones que se vendían en las bolsas de valores con este argumento y tuvieron mucho éxito con los inversionistas. A pesar de que luego se aclaró que no podía de ninguna manera existir una producción adicional de energía, mayor de aquella que se usó para separar a las moléculas del agua, las acciones no bajaron notablemente de precio.” Lederman considera que “producir combustibles con fuentes alternas de energía como el hidrógeno y el oxígeno 107 Capítulo 4 puede ser conveniente, pero hay que estudiar detenidamente los efectos y circunstancias en que estos procesos suceden ya que es complicado mantener una contabilidad precisa.” (Lederman Pág. 45-53) La energía se pierde en todos los procesos de transformación como veremos en el siguiente capítulo de la Segunda Ley de la termodinámica, la ley más importante del Universo y conoceremos sus consecuencias para nuestro futuro. Figura No. 4 - 20 Espacio, tiempo, energía y materia de Einstein. Fuente: http://abyss.uoregon.edu/~js/images/space_time_energy.gif 108 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Figura No. 4 - 21 Ciclo de energía Fuente: http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/SANTIAGO_DEL_ESTERO/madre-fertil/imagenes/graficos/energia.gif 109 Capítulo 4 Bibliografía ATKINS PETER. Galileo’s Finger. The Ten Great Ideas of Science. Oxford University Press. 2003. BLAKE WILLIAM The Marriage of Heaven and Hell. Dover Pubkications, London, 1994 BRADLEY ROBERT L. Jr. FULMER RICHARD W. Energy, The Master Resource. An Introduction to the History, Technology, Economics, and Public Policy of Energy. Kendall / Hunt Publishing Co. Iowa. 2004 DEFFEYES KENNETH S, Beyond Oil, The View from Hubbert’s Peak. Hill an Wang, New York, 2005 GRIBBIN JOHN Introducción a la Ciencia Título original: Almost Everyone´s Guide to Science Traducción: Mercedes García Garmilla Editorial Crítica, S.L., Córcega, 270, 08030 Barcelona, España, 2000. LEDERMAN LEON M, HILL CHRISTOPHER T. Symmetry, and the beautiful universe. Prometheus Books, New York 2004 TREFIL JAMES, HAZEN ROBERT M. The Sciences. An Integrated Approach. Third edition. John Wiley & Sons, New York. 2001. PREGUNTAS DE REPASO Del calor a la energía. 1. ¿Dónde se encuentra ubicado el Sol y a qué distancia se encuentra la Tierra de éste? 2. ¿Cómo se genera la energía del Sol? 3. ¿Cómo se producen los vientos en nuestro planeta? ¿Qué es la energía? 4. ¿Cómo se define energía? 5. Relaciona mediante un ejemplo, trabajo y gravedad. Tipos de energía. 6. ¿Por qué puede afirmarse que el calor es una forma de energía cinética? 7. ¿Cómo se define trabajo en el ámbito científico? 8. ¿Cómo se define la potencia? 9. ¿Por qué puede decirse que las ondas sonoras son una forma de energía cinética? 10. ¿En qué consiste la radiactividad? 11. ¿Cómo se transforma la energía –desde su origen al destino final- en las plantas hidroeléctricas? Primera Ley de la termodinámica. 12. Enuncia la Primera Ley de la termodinámica. 13. ¿Por qué se dice que no es posible inventar un motor (u otro dispositivo que despliegue movimiento) que funcione en forma perpetua? 14. ¿Cómo se relaciona la energía con nuestra contextura física? 15. ¿Cuál es el concepto moderno de calor? 16. ¿En qué consiste la conducción? 17. ¿En qué consiste la convección? 18. ¿En qué consiste la radiación? Las ondas electromagnéticas. 19. ¿En qué consisten los conceptos de: velocidad, frecuencia, longitud y amplitud de onda? 20. ¿Cómo se explica que las ondas electromagnéticas se propaguen en el vacío? 21. ¿En qué consiste el éter? ¿Aún es una teoría vigente? 22. ¿Cuáles son los principales componentes de las ondas electromagnéticas? 23. ¿En qué consistiría la fusión fría y cuál sería su importancia? Generación de energía. 24. ¿En qué consiste la biomasa y cuál es su importancia? 25. ¿En qué consiste la energía eólica y cuál es su importancia? 26. ¿En que consiste la energía geotérmica y cuál es su importancia? 27. ¿En qué consiste la energía solar fotovoltaica y cuál es su importancia? 28. ¿Cómo se forman los combustibles fósiles? 29. ¿Cómo se aprovecha la energía hidráulica? 30. ¿Cómo se aprovecha la energía nuclear? 31. ¿Cuál es la diferencia entre fisión y fusión nucleares? PREGUNTAS DE REFLEXION 1. Sabemos por la primera ley de la termodinámica que la energía no se crea ni destruye, es decir, que siempre se conserva. Sin embargo, en muchos procesos donde se realiza un trabajo se dice que se pierde energía ¿Cómo es posible que esto suceda? 2. Sabemos que nuestro Sol es una estrella ordinaria de un tamaño mediano conocida como una enana amarilla. Piensa en las consecuencias si el Sol no tuviese este tamaño y si no se encontrara a la distancia a la que se encuentra de la Tierra. 3. El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética, la mayoría de la cual no llega nunca a topar la superficie de la Tierra. Explica las consecuencias de que una mayor proporción de estas ondas alcanzaran la superficie de nuestro planeta. 4. Entre los tipos de energía que hemos definido se encuentran la energía potencial química y la energía de la masa. Ambas son tipos de energía que se dan a nivel microscópico ¿Cuál es la diferencia entre ambas? 5. Para mantener el funcionamiento de nuestro cuerpo y realizar nuestras actividades diarias necesitamos obtener energía a partir de los alimentos. ¿Cómo obtiene el cuerpo esta energía y qué tipo de energía es? 6. Durante miles de años de evolución, nuestros antepasados tuvieron que soportar épocas de sequías y escasez de alimentos, mientras que también tuvieron épocas de abundancia. ¿Cómo crees que se adaptó nuestro cuerpo para poder sobrevivir durante este tipo de transiciones? 7. Sabemos que las ondas de sonido necesitan un medio (como el aire) para trasladarse. Sin embargo, no se puede decir lo mismo de las ondas electromagnéticas, las cuales se propagan en el vacío. ¿Por qué sucede este fenómeno? 8. La energía electromagnética comprende un enorme rango de frecuencias de ondas, incluyendo el rango de la luz visible. ¿Por qué crees que los humanos sólo podemos ver unas frecuencias que coinciden con la luz visible? 9. Conocemos que existen tres mecanismos por los cuales se transfiere energía térmica de un lado a otro: conducción, convección y radiación. Da un ejemplo de una situación en la cual podamos observar los 3 fenómenos al mismo tiempo. 10. En este capítulo hemos visto algunas formas tradicionales de generar energía utilizable (petróleo, gas, etc.) y hemos visto formas alternativas de lograr lo mismo. Algunas son más eficientes y económicas que otras y la producción de energía varía enormemente. ¿Cómo se puede justificar el uso de combustibles fósiles considerando los conceptos presentados en este capítulo? 110 Las Nuevas Ciencias del Cosmos DEL ORDEN AL DESORDEN Entropía o la degeneración de la energía Not knowing the Second Law of thermodynamics is like never having read a work of Shakespeare 5 C. P. SNOW (“THE TWO CULTURES”) INTRODUCCIÓN S abemos que es prácticamente imposible recolectar todas las moléculas de un huevo que cae y se rompe en el piso de la cocina, para formar uno nuevo. Nuestras habitaciones, escritorios y oficinas siempre se desordenan en el transcurso de un día, a pesar de nuestros esfuerzos por mantenerlos ordenados. A medida que envejecemos, notamos que nuestras facultades y habilidades van desmejorando. “La primera ley de la conservación de la energía” que vimos en el capítulo anterior, “no menciona el hecho de que las cosas tienen necesariamente que degenerarse con el paso del tiempo.” La energía que se gasta para desordenar el dormitorio es la misma que se usa para arreglarlo. “Existe una tendencia natural para que las cosas tiendan hacia el desorden y esta direccionalidad de la naturaleza puede ser reconocida en todos los procesos que se producen en nuestro mundo y en el universo.” La tendencia normal de todo proceso es cambiar de un estado improbable a uno más probable, esto significa que existe una dirección para la evolución del universo. Desde el punto de vista de la energía, no hay razón para que no ocurran situaciones improbables. “Los científicos del siglo XIX estudiaron el calor y el movimiento de los átomos y de las moléculas y descubrieron las razones que explican esta direccionalidad de la naturaleza, que se llama la ciencia de la termodinámica, pero especialmente su segunda ley también llamada de la entropía que veremos en este capítulo.” Los principios de la termodinámica se pueden resumir en dos leyes, que tienen gran importancia y aplicación en amplios sectores de la ciencia y son aplicables en todo el Universo y no sólo al diseño y la construcción de máquinas térmicas. La primera Ley de la termodinámica que vimos en el capítulo anterior, se conoce también como Ley de conservación de la energía y dice que la energía total de un sistema cerrado permanece constante. “La segunda ley de la termodinámica es sin duda la más importante de las leyes de la naturaleza, también llamada de la entropía que permite cuantificar el desorden que hay en el universo o en un sistema cerrado.” Podemos visualizar la direccionalidad de la entropía hacia el desorden con el siguiente ejemplo: al colocar en una habitación cerrada un frigorífico con la puerta abierta y el motor funcionando, la habitación se calentará porque la energía que consume el motor al calentarse será mayor que el efecto refrigerante del frigorífico abierto. Dice Gribbin en su libro Introducción a la ciencia, que: algún bromista resumió los significados de la segunda ley de la termodinámica, en términos coloquiales de la siguiente manera: No se puede ganar, esto significa que en todo proceso natural y en RESUMEN DESORDEN DEL ORDEN AL La Segunda Ley de la termodinámica • Si un huevo cae y se rompe en el piso, es prácticamente imposible recolectar todas las moléculas del huevo y formar uno nuevo. • La tendencia normal de todo proceso es cambiar de un estado improbable a uno más probable. • No se puede ganar. • No se puede empatar. las actividades humanas, nunca podemos sacar más de lo que ponemos en trabajo, energía o insumos de cualquier tipo. Aun cuando se crea orden en algún lugar, en otro lugar se está gestando un desorden mayor al orden que se crea. No se puede ni siquiera empatar, quiere decir que siempre perdemos en los procesos termodinámicos, lo que sacamos es siempre menor de lo que ponemos. • No se puede abandonar el juego. 111 Capítulo 5 No se puede abandonar el juego, significa que aun sin hacer absolutamente nada perdemos, no hay forma de evitar perder, los procesos de degeneración, desorden y muerte son automáticos, no tienen que iniciarse en cierto momento sino que están en todo momento funcionando hacia la degeneración y el desorden. (Gribbin, Pag. 27) HISTORIA Uno de los fenómenos más interesantes del universo y de nuestro mundo es que los cambios se producen constantemente. Sabemos muy poco sobre cómo se producen y cuáles son las fuerzas y condiciones que desatan estos cambios. Cambios que a veces se convierten en verdaderas catástrofes naturales que acaban con gran cantidad de especies de nuestro planeta. En este capítulo vamos a explorar y tratar de explicar el porqué de muchos de estos cambios, cuál es la dinámica de los mismos, qué circunstancias los desatan y cuáles son las leyes que rigen estos procesos de cambio. En esta investigación vamos a entender ¿por qué un plato de sopa caliente se enfría en poco tiempo? o ¿por qué cuando se abre una puerta o ventana, el aire caliente del interior fluye hacia afuera? El calor siempre fluye hacia donde está más frío y no es el frío el que entra a los cuartos para enfriarlos. También vamos a comprender ¿cómo funcionan los motores, también llamados máquinas térmicas? que han sido los instrumentos fundamentales para generar el desarrollo industrial y tecnológico, es decir para crear orden, pero también son los principales causantes de la contaminación y polución que tenemos en la mayor parte del planeta, ya que vamos a comprender que la creación de desorden siempre es RESUMEN mayor. HISTORIA • La termodinámica estudia las “La termodinámica es la ciencia que estudia la transformación de energía en transformaciones de energía en trabajo. • Pero la energía al transformarse se degenera en formas cada vez menos sofisticadas e inútiles. • La termodinámica se inició con la investigación de la eficiencia en los motores a vapor. todos los procesos térmicos, especialmente en las máquinas térmicas. Al mismo tiempo veremos como la energía al transformarse se degenera en formas cada vez menos sofisticadas e inútiles.” La termodinámica se inició con la investiga- ción de cómo mejorar la eficiencia de los motores a vapor, que en los siglos XVIII y XIX eran los principales impulsores del desarrollo industrial y de las sociedades imperialis- tas. La máquina de vapor Dice Atkins en su libro Galileo´s Finger que: “la máquina de vapor parece un monstruo sucio y molestoso, pero fue la fuerza que prevaleció y transformó a todo el mundo industrial y de hecho es un modelo del funcionamiento del universo, ya que todos los procesos de la naturaleza se parecen a los procesos termodinámicos dentro de la máquina de vapor”. El desarrollo de la ciencia va asociado con el aumento de la capacidad de abstracción, de modo que, “en el siglo XIX cuando los ingenieros e investigadores se propusieron entender los procesos internos de las máquinas de vapor, al abstraer su funcionamiento se logró por primera vez vis- Figura No. 5 - 1 La máquina de vapor Fuente: http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/imagem.php?idImagem=375 112 Las Nuevas Ciencias del Cosmos lumbrar los procesos termodinámicos y se llegó a entender la esencia del mecanismo interno de estos procesos y con ellos del funcionamiento termodinámico de la vida y del universo.” Los ingenieros y técnicos de esa época se concentraron en mejorar el funcionamiento y la eficiencia de las máquinas de vapor, para obtener más trabajo mecánico RESUMEN con menores cantidades de carbón. Para esto debieron realizar numeLa máquina de vapor rosos experimentos y pruebas para establecer cuál era el mejor medio • La máquina de vapor fue la para transmitir el calor. Había que determinar si el agua era mejor, o fuerza que prevaleció y transforlos aceites u otros fluidos, o gases como el aire. ¿Cuál era la mejor mó al mundo industrial. temperatura para obtener la máxima presión y trabajo mecánico, • Es un ejemplo del funcionamiensin destruir a los aparatos? Fue el ingeniero francés Sadi Carnot, to del universo. quien se concentró en resolver gran parte de estos enigmas a principios • Todos los procesos de la naturadel siglo XIX. Como veremos a continuación, los principales penleza se parecen a los procesos termodinámicos dentro de la máquisadores de la termodinámica del siglo XIX fueron Sadi Carnot na de vapor. (francés), William Thomson (Lord Kelvin, inglés), Rudolph Clausius (alemán) y Ludwig Boltzmann (austríaco). Sadi Carnot Nació en París en 1796 como tercer hijo de un político, militar y físico de la época de la Revolución, los dos primeros hijos también se llamaron Sadi, pero murieron. Primero entró en la milicia y participó en la defensa de París, luego se retiró y se dedicó al estudio de los procesos de destilación de los gases y a las propiedades de los vapores. En 1824 publicó un libro titulado Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y las máquinas propias para desarrollar esta potencia, obra que pasó al olvido hasta que fue descubierta por Lord Kelvin. En esta obra establece el principio de Carnot, según el cual “la transformación de calor en trabajo mecánico sólo es posible si existen dos reservorios de calor con diferentes temperaturas”. “También demostró la equivalencia que existe entre el trabajo y el calor y es el iniciador de la termodinámica.” Figura No. 5 - 2 Sadi Carnot Fuente:: http://br.geocities.com/saladefisica3/fotos/carnot.jpg (Nueva Enciclopedia Larousse) Carnot estaba equivocado en cuanto a lo que era el calor, ya que creía que era un fluido llamado en ese entonces caloricum, que pasaba de los reservorios calientes a los más fríos y en el camino producía trabajo mecánico; él ya sabía que el calor al ser un fluido no podía ser creado ni destruido, pero fue lo suficientemente astuto para darse cuenta de que “lo importante en RESUMEN estos procesos es la diferencia de temperatura de los reservorios y que la eficiencia no tenía nada que ver con la presión, ni con el medio que se usaba para transmitir el calor, solamente dependía de la diferencia de temperaturas,” de modo que lo más importante era subir al máximo la tempe- Sadi Carnot ratura del reservorio caliente y bajar la del reservorio frío. Los ingenieros de esa época creyeron que estas conclusiones eran ridículas y absurdas y no le prestaron mayor atención al libro de Carnot, hasta que cayó en manos del gran físico inglés, William Thomson que luego se convirtió en Lord Kelvin. (Atkins, Pag. 112) • En 1824 publicó un libro titulado Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y las máquinas propias para desarrollar esta potencia. • En esta obra establece el principio llamado de Carnot que dice: • La transformación de calor en trabajo mecánico sólo es posible si existen dos reservorios de calor con diferentes temperaturas. 113 Capítulo 5 William Thomson (Lord Kelvin) Nació en Belfast en 1824, hijo de un profesor de Matemáticas, fue profesor de Física en Glasgow y presidente de la Sociedad Real de Londres. Estudió el calor y la electricidad, determinó las variaciones del punto de fusión del hielo con la presión y el enfriamiento provocado por la expansión de los gases, que es el principio en que se basan todas las refrigeradoras y acondicionadores de aire del mundo. “Sus trabajos en termodinámica le permitieron establecer la escala de temperatura (escala de grados kelvin) que se inicia en el cero absoluto, a menos 273 grados Celsius y es la única que se puede usar con las fórmulas de la termodinámica. Kelvin realizó enormes contribuciones en los campos de la electricidad, geofísica, geología y desarrolló el primer integrador mecánico; es considerado el inventor de las computadoras analógicas” (Nueva Enciclopedia Larousse). Thomson en colaboración con James Joule desbarató la teoría del caloricum e identificó al calor como una forma de energía, de modo que las máquinas RESUMEN de vapor fueron consideradas desde entonces como máquinas térmiLord Kelvin cas, en que la energía del calor era convertida en trabajo mecánico. • Establece la escala de temperaLas máquinas térmicas incluyen a las turbinas de vapor, los mototuras llamada grados Kelvin. res a reacción y los motores de combustión interna, que mueven • Realizó enormes contribuciones a la mayor parte de transportes en el planeta actualmente. “Kelvin en la Electricidad, Geofísica, Geología y desarrolló el primer integrador mecánico. • Desbarató la teoría del caloricum, e identificó al calor como una forma de energía • Desde entonces las máquinas de vapor fueron consideradas como máquinas térmicas. se inspiró en los trabajos de Carnot y en su libro Reflexiones, le dio una forma matemática más adecuada, pero al mismo tiempo se dio cuenta que el componente más importante del motor a vapor era el reservorio frío, que es el entorno o ambiente en el cual se descargan los restos del calor del motor.” De modo que estableció que, en principio, todas las máquinas térmicas tienen que contar con un reservorio frío. (Atkins, Pág. 113-114) Rudolph Clausius Nació en la región de Pomerania, Alemania en 1822 y fue profesor de física de la Escuela de Artillería de Berlín y luego del Politécnico de Zurich y otras universidades alemanas. “Al principio se dedicó a investigar las matemáticas de la elasticidad, pero luego entró en el campo de la termodinámica y desarrolló el principio de la entropía, el equivalente mecánico de la caloría y la teoría cinética de los gases.” (Nueva Enciclopedia Larousse) Clausius publicó su libro Ueber die bewegende Kraft der Waerme (Sobre la fuerza motriz del calor), en que estableció otro de los principios de la termodinámica que dice que: “el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente.” Esto no significa que este proceso es imposible, ya que se lo practica en todos los aparatos de refrigeración, pero en todos estos casos es necesario introducir en el sistema energía externa para poder realizar este trabajo. “Si comparamos los principios de Kelvin y Clausius vemos que ambos son equivalentes, ya que si la Figura No. 5 - 3 Rudolph Clausius energía pudiera pasar espontáneamente del frío al calor, entonces Fuente:: http://physlab.snu.ac.kr/images/portrait/clausius.jpg las máquinas térmicas podrían funcionar sin un reservorio frío, y si una máquina puede funcionar sin el reservorio frío, entonces la energía puede fluir del frío al calor, lo que sabemos que no es posible de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica.” Clausius concibió el concepto de entropía como una medida de la calidad de la energía, de tal manera que mientras menor es la entropía, mayor es la calidad de la energía. Las mejores energías son aquellas como la electro-magnética o la electricidad y la química; la peor es la energía cinética de los átomos llamada calor. Clausius determinó una manera para medir la entropía al desarrollar los conceptos de la 114 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Segunda Ley de la ermodinámica, e introdujo la ecuación para calcular el cambio en la entropía de un sistema de la siguiente manera: El cambio en entropía = energía introducida como calor / temperatura a la cual ocurre la transferencia Nuestros cuerpos están transformando constantemente energía potencial química de los alimentos en energía térmica que se disipa en el entorno que nos rodea, de este modo nosotros aumentamos la entropía de nuestro hábitat. Pero la entropía de nuestros cuerpos en cambio disminuye a medida que pierde energía como calor. “Es importante notar que solamente los cambios en la entropía se producen cuando la energía está en forma de calor, no sucede esto cuando la energía está en forma de trabajo. El trabajo no aumenta ni reduce la entropía.” Clausius propuso el principio de que “la entropía en un sistema cerrado nunca disminuye, que unifica los principios antes mencionados de que todo motor tiene necesariamente que desperdiciar parte de la energía que recibe.” Este principio es el más interesante de todos y Clausius lo resumió diciendo: “Die Energie del Welt ist konstant; die Entropie del Welt strebt einem Maximum zu” (La energía del mundo es constante; la entropía RESUMEN • Clausius publicó su libro Sobre la fuerza motriz del calor, en que estableció otro de los principios de la termodinámica. • Que dice: el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente. • Clausius concibió el concepto de entropía como una medida de la calidad de la energía. Rudolph Clausius • Mientras menor es la entropía, mayor es la calidad de la energía. • Las mejores energías son aquellas como la electro-magnética o la electricidad y la química, la peor es el calor. • El cambio en entropía = energía introducida como calor / temperatura a la cual ocurre la transferencia. del mundo busca alcanzar un máximo). (Atkins, Pág. 115-119) Ludwig Boltzmann Nació en Viena en 1844 y fue profesor de física y matemática en Graz, Munich y Viena. “Fue uno de los creadores de la teoría cinética de los • Nuestros cuerpos están transformando constantemente energía potencial química de los alimentos en energía térmica, que se disipa en los sitios en que habitamos, de este modo nosotros aumentamos la entropía de nuestros entornos. gases y de la formulación matemática de la ecuación de la entropía, relacionándola con las probabilidades.” Boltzmann descubrió que la entropía es proporcional al logaritmo del número de maneras microscópicas de organización de un estado de la materia. Luego demostró termodinámicamente la ley de la radiación también llamada ley de Stefan-Boltzmann. (Nueva Enciclopedia Larousse) Dice Atkins que “fue Boltzmann el que vio con mayor profundidad en la naturaleza de la materia”, hasta que se ahorcó, decepcionado por la incomprensión y el rechazo a sus ideas por parte de sus congéneres. “Boltzmann demostró que la entropía es una medida del desorden, mientras mayor es el desorden, mayor es la entropía”. Esto lo podemos apreciar en los cambios de estado del Figura No. 5 - 4 Ludwig Boltzmann Fuente:: http://content.answers.com/main/content/wp/en-commons/thumb/5/58/225px-Boltzmann2.jpg agua desde el hielo al vapor: el hielo es el más ordenado de estos tres estados, por tanto el de menor entropía. El agua tiene un mayor desorden que el hielo, por tanto su entropía es mayor; por último cuando el agua RESUMEN se evapora pasa a un estado gaseLudwig Boltzmann oso de mayor desorden, donde la entropía llega a su máximo. • Fue Boltzmann el que vio con mayor profundidad en la naturaleza de la termodinámica. • Hasta que se ahorcó decepcionado por la incomprensión y rechazo a sus ideas de sus congéneres. “Cuando la energía escapa de un cuerpo caliente, los movimientos térmicos de las moléculas de aire que rodean al cuerpo caliente se incrementan y por tanto la entropía del entorno del cuerpo se incrementa.” Cada vez que nos encontramos con desorden tam- bién nos encontramos con entropía, de modo que esta es una manera muy sencilla de entender la segunda ley, como el proceso de aumento del desorden en el Universo. La segunda ley nos dice que la entropía nunca disminuye, esto significa que el orden molecular • Boltzmann demostró que la entropía es una medida del desorden, mientras mayor es el desorden, mayor es la entropía. 115 Capítulo 5 nunca puede aumentar por si solo. Que es lo mismo que decir que las moléculas por sí solas no se pueden unir y formar una estatua, o que un huevo puesto sobre la mesa no se convierte por sí solo en un huevo frito. “Esto significa que la dirección en que apunta la flecha del tiempo para todos los procesos naturales es hacia un mayor desorden, que la energía se degrada y se dispersa, de manera que naturalmente el mundo empeora todo el tiempo.” (Atkins, Pag. 120-124) ENTROPÍA Y TERMODINÁMICA La palabra entropía proviene del griego y significa evolución, sin embargo, como hemos visto antes, la entropía es una medida de la evolución hacia el desorden de un sistema físico. “Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía o energía degenerada en un sistema aislado, permanece constante o se incrementa, nunca puede disminuir, pero en ciertos procesos, el orden puede aumentar.” Tomemos el caso del agua en el congelador, después de cierto tiempo, se hace hielo, el cual tiene mayor cantidad de orden. Pero esto se logra solamente si al sistema entra continuamente energía desde el exterior. En el caso del congelador de una refrigeradora, como es un sistema abierto, entra energía eléctrica al motor desde el exterior. “Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía aumenta en los procesos irreversibles, que son aquellos en que no se puede revertir a las condiciones iniciales.” Por ejemplo, si un huevo se rompe, es imposible recoger todo para convertirlo en un nuevo huevo crudo. Todos los procesos espontáneos son irreversibles, es decir, no pueden volver a su estado inicial, no podemos volver al pasado y rehacer las cosas, de modo que se dice que la entropía del Universo está incrementando. De esta manera hay más energía degenerada en forma de Figura No. 5 - 5 Entropía. calor, que no puede ser aprovechada y por Fuente:: http://www.manerasdevivir.com/grupos/pics/entropia_050905155415.jpg esto se dice que el universo tiende hacia el desorden. “Un aumento de entropía va siempre acompañado de la disminución de las posibilidades para que se pueda realizar un trabajo productivo.” De modo que RESUMEN “ la entropía representa la medida de la energía degradada o disipada que ya no ENTROPÍA Y TERMODINÁMICA puede ser recuperada para realizar un trabajo útil.” En el universo la canti• La palabra entropía proviene del dad total de energía y materia se mantienen constantes, pero al griego y significa evolución. aumentar la entropía la energía disponible es cada vez menos útil. Se • La entropía es una medida del puede comparar a la entropía con la inflación monetaria de un desorden de un sistema físico. país, a medida que aumenta la inflación la moneda del país vale • La entropía o energía degeneramenos. da en un sistema aislado, permanece constante o se incrementa, nunca puede disminuir. Desde la época de Aristóteles se sabía que los cuerpos de los seres vivos se encuentran en un estado de equilibrio no muy estable. Existen constantemente intercambios de energía con el ambiente exterior y cambios en los sistemas internos, que se manifiestan en los seres vivos como un estado de fluctuaciones, tendiente a la homeostasis (proceso por el cual un organismo mantiene las condiciones internas constantes necesarias para la vida). 116 Las Nuevas Ciencias del Cosmos • En ciertos procesos, el orden puede aumentar siempre que el desorden aumente en otros lugares. Estructuras complejas y disipativas La comprensión de las estructuras internas de los sistemas abiertos proporcionó una nueva perspectiva, pero no solucionó el dilema que se produce en los seres vivos, en que el orden aumenta contradiciendo aparentemente a la segunda ley de la termodinámica, que dice todo lo contrario. A mediados del siglo XX, el ganador del premio Nobel, Ilya Prigogine, en su libro Order out of Chaos introduce el concepto clave de estructuras disipativas, que están en un estado alejado del equilibrio, con cambios continuos en el metabolismo, de modo que “un organismo está constantemente creando orden si recibe energía permanentemente del exterior, pero al mismo tiempo disipa energía que sale del cuerpo en forma de calor.” RESUMEN Estructuras disipativas • Prigogine introduce el concepto de las estructuras disipativas. • Aquellas que están en un estado alejado del equilibrio, con cambios continuos. • Creando orden si reciben energía permanentemente del exterior. • Pero al mismo tiempo disipan energía que sale del sistema en forma de entropía y desorden. Prigogine comprendió que la termodinámica clásica era inadecuada para describir los sistemas alejados del equilibrio. “Lejos del equilibrio se producen fenómenos de retroalimentación muy complejos. Mediante ecuaciones diferenciales que se aplican a los sistemas dinámicos, fue posible describir el comportamiento de estos sistemas complejos, que demuestran una característica muy peculiar y es que son atraídos a ciertos estados estacionarios denominados atractores, sin importar las condiciones iniciales del sistema. De modo que estos sistemas no siguen ninguna ley universal, sino que cada sistema tiene un atractor o comportamiento específico. En determinadas condiciones los sistemas complejos alejados del equilibrio llegan a una situación especial llamada bifurcación y en éstas condiciones el sistema puede optar por dos vías diferentes de cambio, sin que sea posible predeterminar por cuál vía el sistema se bifurcará.” La segunda ley nos dice que en los sistemas cerrados en que no hay un intercambio de materia y energía con el entorno, la medida del desorden es la entropía que aumenta inevitablemente. Boltzmann argumentaba que este aumento se debe a la tendencia estadística del sistema de probar todas las posibles ordenaciones de sus componentes. La consecuencia de la segunda ley es que el orden tiende a desaparecer, de modo que para mantener una cantidad adecuada de orden es necesario que se haga mucho trabajo usando grandes cantidades de energía. “Cuando no se hace el trabajo suficiente o no hay las energías necesarias, caemos en una espiral descendente que va hacia el caos.” La vida es, sin duda, uno de los más deslumbrantes ejemplos de creación de orden por medio de procesos como la selección natural y la evolución. Los últimos 550 millones de años son testigos silenciosos de una serie de extinciones masivas de especies, por diferentes causas y del resurgimiento de otras especies, entre ellas la especie humana. Parece ser que varias de estas extinciones se debieron a grandes catástrofes causadas por cometas o grandes meteoros que chocaron contra la Tierra. Pero hay varios investigadores como Kaufmann que afirman que “puede haber otra explicación posible, que éstas se produjeron debido a la dinámica normal de estas comunidades de especies, la lucha por la sobrevivencia para adaptarse a los cambios grandes y pequeños y a la necesidad de coevolucionar con otras especies. Esto produjo la extinción de algunas de estas especies, para permitir que ciertos nichos ecológicos sean liberados para nuevas especies que aparecieron luego. Puede ser que el futuro de todos los sistemas complejos sea evolucionar a un estado natural entre el orden y el caos.” Los principios de la Segunda Ley Como vimos antes, el concepto de entropía está también íntimamente relacionado con el desorden y ya sabemos que “en un sistema en que aumenta la entropía, también aumenta el desorden, de modo que es una regla universal la tendencia natural de pasar del orden al caos”. Los ejemplos de estos procesos abundan en la naturaleza y en la vida diaria; debemos arreglar y limpiar todos los días las habitaciones y oficinas donde vivimos y trabajamos, sino el desorden y el caos aumentan inmediatamente. Si en una ciudad se interrumpe la recolección de basura, pronto se vuelve poco menos que imposible vivir en estas condiciones. “Lo importante es entender que mientras aumenta la entropía en un sistema cerrado o aislado, sus posibilidades de evolucionar y cambiar disminuyen.” El comportamiento de la energía en el Universo es predecible, ya que de acuerdo a la primera ley de la termodinámica, la cantidad total de energía es constante aunque ésta puede transformarse muchas veces de una forma a otra. Cuando se transfiere la energía de un lugar a otro en forma de calor, puede fluir por conducción, convección o radiación, como vimos en el capítulo 117 Capítulo 5 RESUMEN Entropía y desorden La segunda ley de la termodinámica tiene tres principios que son: • En un sistema cerrado el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente • No existe una máquina que pueda convertir absolutamente todo el calor en trabajo • Un sistema cerrado, con el tiempo tenderá a volverse más desordenado. anterior; pero el aspecto importante relacionado con la energía es la dirección de su flujo, es decir, que las cosas frías tienden a calentarse y las calientes a enfriarse y que un huevo roto no puede ser reconstruido. Todas estas ideas de sentido común son parte de la segunda ley de la termodinámica que se expresa con los tres principios siguientes: “1.- En un sistema cerrado, el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente 2.- No existe una máquina que pueda convertir absolutamente todo el calor en trabajo 3.- Un sistema cerrado, con el tiempo tenderá a volverse más desordenado.” El flujo del calor RESUMEN El flujo del calor • En la naturaleza el calor fluye espontáneamente en una dirección, del reservorio caliente al frío. • La segunda ley confirma que la acción opuesta del paso de la energía del reservorio frío al caliente no puede suceder espontáneamente. • La única manera que esto puede pasar es introduciendo al sistema energía desde el exterior, como sucede en una refrigeradora. El primer principio de la Segunda Ley de la termodinámica se refiere a la temperatura relativa de los reservorios de energía en los procesos térmicos. Como se mencionó antes, la energía fluye espontáneamente desde el reservorio caliente al reservorio frío, pero desde el punto de vista de la primera ley de la conservación de la energía, no hay razón para que la naturaleza trabaje de esta manera. La cantidad de energía también se conserva si el calor del reservorio frío fuera transmitido al reservorio caliente. Sin embargo, el universo no funciona de esta forma: “en la naturaleza el calor fluye espontáneamente en sólo una dirección, del reservorio caliente al frío.” Cuando dos objetos chocan y uno de ellos se mueve más rápido que el otro, el objeto que se movía más lentamente adquiere velocidad, es decir, mayor energía cinética y aquel que se movía más rápidamente pierde parte de su velocidad, es decir, la misma cantidad negativa de energía cinética. “A nivel molecular sucede algo muy parecido, ya que las molé- culas que tienen mayor energía cinética se mueven más rápidamente y cuando chocan con las moléculas más lentas de menor energía, éstas últimas reciben parte de la energía de las más rápidas; este modelo explica cómo la energía fluye desde las regiones calientes hacia las frías.” (Trefil, Hazen. Pag. 86) Eficiencia de las máquinas El segundo principio pone una restricción importante en la forma como podemos usar la energía en las máquinas térmicas. Aparentemente no parece que este segundo enunciado esté relacionado con el primero, que dice que la energía nunca fluye del reservorio frío al caliente. Sin embargo, estas dos afirmaciones son equivalentes y si la primera es verdadera, la segunda también. Vimos antes que la energía se define como la capacidad para hacer un trabajo determinado, por ejemplo, al transformar la energía térmica en una turbina de vapor que mueve a un generador eléctrico, que a su vez produce una corriente eléctrica, parte de la energía que entra a la turbina y al generador se desperdician y son disipadas al ambiente y no pueden ser recogidas para producir más trabajo. “Esta energía disipada se pierde pero no se destruye, simplemente no se la puede reutilizar. Se usa el término eficiencia para cuantificar la pérdida de energía útil, la eficiencia es la cantidad de trabajo que se obtiene de una máquina, dividida por la cantidad de energía que ingresa en la máquina.” Eficiencia = Trabajo mecánico desarrollado / Energía total ingresada 118 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Desde el punto de vista de la primera ley de la conservación de la energía, “no hay ninguna razón por la cual la energía en forma de calor que entra a la turbina de vapor no pueda ser convertida en su totalidad en energía eléctrica del generador, produciendo un cien por ciento de eficiencia. Pero la segunda ley de la termodinámica indica que esto no es posible” ya que en el flujo de energía una buena posible. La termodinámica nos dice que la energía que causa la explosión en el cilindro del motor es el reservorio de alta temperatura y el ambiente a donde llegan los tubos de escape es el reservorio de baja temperatura (Ver Fig. 5 - 6). “La segunda ley especifica que cualquier máquina térmica que opera entre dos temperaturas de sus reservorios, debe disipar una buena cantidad de energía en forma de calor hacia el reservorio frío.” (Trefil, Hazen. Pag. 87-89) parte se disipa y se desperdicia y la cantidad de trabajo que se puede obtener siempre es menor que el total disponible. Otra forma de expresar este mismo concepto es decir, que la energía siempre va de una forma más útil a una forma menos útil, como sucede en el motor de un autoFigura No. 5 - 6 Máquina térmica móvil. RESUMEN Fuente: http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/tema2/maquina.jpg En el motor de comEficiencia de las máquinas bustión interna ingresa una mezcla de combustible y aire que se Se usa el término eficiencia para enciende violentamente dentro del cilindro, expandiendo los gases cuantificar la perdida de energía útil. inmediatamente. Esta masa expandida de gases ejerce una tremenda presión sobre los pistones y los empuja hacia abajo. El movi• Eficiencia = Trabajo mecánico desarrollado / Energía total ingremiento de los pistones se convierte en una rotación en el cigüeñal sada mediante las bielas y de esta manera se mueve el diferencial que • Según la primera ley no hay ninhace girar las ruedas pasando por la transmisión. La energía que guna razón por la cual la energía llega a las ruedas es solamente una fracción de la energía potencial en forma de calor que entra a la turbina de vapor no pueda ser química del combustible, cerca del 3% aproximadamente, ya que convertida en su totalidad gran parte de la energía se pierde en forma de calor y por causa de en energía eléctrica. la fricción, “pero de acuerdo con la segunda ley aun sin fricción no puede • Pero la segunda ley de la termoexistir un motor ciento por ciento eficiente.” dinámica indica que esto no es Sistemas cerrados “El tercer principio de la segunda ley establece que el orden que existe en el Universo camina inexorablemente hacia el desorden y en este proceso aumenta la entropía, que es la energía degenerada.” Para entender este principio debemos comprender lo que se entiende en la ciencia por “orden y desorden”. Un sistema ordenado es aquel en que los objetos ocupan posiciones determinadas, por ejemplo los átomos de un cristal como la sal común, tienen un orden específico en el que se intercalan los átomos de cloro y sodio que forman las moléculas de sal. Un sistema desordenado contiene objetos que están distribuidos al azar y sin ningún patrón preestablecido y que están cambiando de posición continuamente. Un ejemplo de un sistema desordenado son las moléculas de los gases como el aire: estas moléculas se mueven aleatoriamente, es decir en cualquier dirección. Este movimiento se puede observar aun a simple vista cuando un rayo de luz llega de una manera determinada, se lo llama movimiento browniano en honor de su descubridor Robert Brown. El desorden de un sistema de este tipo está directamente relacionado con los grados de libertad que tienen las moléculas para moverse. En todos los sistemas la entropía es la medida del desorden y este principio de la segunda ley establece que: “La entropía de un sistema cerrado permanece constante o aumenta.” (Trefil, Hazen, Pag. 89-91) 119 Capítulo 5 CONSECUENCIAS DE LA SEGUNDA LEY “La dirección natural de los cambios en el mundo son en el sentido del desorden, pero este desorden no necesariamente se presenta dentro del sistema, sino en distintos lugares, como el entorno o los alrededores del sistema.” Se crea orden en un determinado lugar al construir ciudades, puentes, carreteras y demás obras de infraestructura, pero al mismo tiempo que se crea esta ordenación, en el entorno y en el aire que rodea a las ciudades y demás obras se produce un enorme desorden, con toda la basura, escombros, polución y corrupción que se produce en la naturaleza y en las sociedades. “De modo que en la contabilidad final de la energía siempre sale ganando la entropía, es decir, la energía degenerada y el desorden. Esta degradación del universo es imparable, no hay cómo detenerla, sólo se pueden hacer intentos aislados para crear orden en lugares en que se cuenta con enormes reservas de energías,” como ha sucedido en la época moderna en que se han explotado grandes cantidades de recursos naturales y especialmente los energéticos como la madera, el carbón, el petróleo y en el futuro muy cercano el hidrógeno, como comentamos antes en el capítulo anterior. Esta abundancia de recursos energéticos y materiales de todo tipo ha permitido el desarrollo de las civilizaciones modernas, pero no podemos olvidarnos que al mismo tiempo hemos causado cualquier cantidad de extinciones, degradaciones ambientales y polución, contaminación y basura en casi todos los rincones de nuestro planeta. RESUMEN Es decir, al mismo tiemCONSECUENCIAS Figura No. 5 - 7 Refrigerador imposiblele DE LA SEGUNDA LEY po que creamos orden, degra- Fuente: http://html.rincondelvago.com/files/3/8/6/000153860.png damos el planeta con un desor• La dirección natural de los cambios es en sentido del desorden. den que siempre es mayor al orden creado, la segunda ley siempre rige en nuestras vidas como en el universo. “Todos estos procesos de • Esta degradación del universo es imparable. • No hay cómo detenerla, sólo se pueden hacer intentos aislados para crear orden en lugares en que se cuenta con enormes reservas de energías. Las limitaciones del desorden • Al mismo tiempo que creamos orden, degradamos el planeta con un desorden mayor. • La Segunda Ley siempre rige en nuestra vidas como en el universo. cambio y desarrollo están íntimamente vinculados unos a otros, en redes de eventos interconectados,” como los llama Atkins, de modo que “si en un lugar se produce un aumento del orden, en otros se produce el desorden y éste es siempre mayor,” como lo probó Prigogine con sus estructuras disi- pativas. La dirección del tiempo El mundo tiene cuatro dimensiones visibles y medibles, tres del espacio y la cuarta del tiempo. “El tiempo tiene una dirección que siempre apunta al futuro, pero a un futuro no determinista y por tanto no predecible.” Las leyes del movimiento de Newton funcionan tanto con un tiempo positivo como con un tiempo negativo, es negativo cuando ponemos • Todos los procesos de cambio y desarrollo están íntimamente vinun signo menos y nada cambia. Se aplican estas leyes sin ninguna culados unos a otros, en redes de dificultad, es decir, son indiferentes a la flecha del tiempo. Las leyes eventos interconectados. de la física clásica como la primera de la termodinámica, nada dicen acerca de la flecha del tiempo. “Pero la segunda ley de la termodinámica es diferente, ésta nos dice que los eventos importantes como la vida no son reversibles, no hay como volver en el tiempo para rehacer los errores del pasado.” La ciencia no tiene una explicación muy clara del por qué se percibe el paso del tiempo en una sola dirección hacia el futuro, pero a través de la segunda ley si es posible describir los efectos de esta unidireccionalidad, tal como hemos visto con los ejemplos de no-reversibilidad que se han presentado en este capítulo. (Trefil, Hazen, Pag. 92-94) 120 Las Nuevas Ciencias del Cosmos La dirección del tiempo A principios del siglo XX Einstein dijo que “el tiempo irreversible es una ilusión”. Los intentos de probar la irreversibilidad con la diná• Las leyes del movimiento funcionan tanto con un tiempo posimica clásica fracasaron, pues los procesos irreversibles no son fenótivo como con un tiempo negativo menos universales. Sabemos que existen muchas clases de sistemas • La segunda ley nos dice que los dinámicos y algunos de estos, como los del movimiento, que se traeventos importantes como la vida tan en la mecánica son reversibles. La pregunta clave es entonces no son reversibles ¿cuál es la complejidad necesaria para que se produzca la irre• La ciencia no tiene una explicaversibilidad? Sin duda la vida es uno de esos sistemas cuya comción muy clara del porqué se percibe el paso del tiempo en una plejidad es sufisola dirección hacia el futuro. ciente para producir la irreversibilidad, pero hay otros en química, en las ciencias de la Tierra, como los movimientos sísmicos y en otras disciplinas que también son irreversibles. “Al final del siglo XX se han desarrollado métodos El tiempo y la termodinámica RESUMEN y procedimientos numéricos que permiten calcular y describir fenómenos que se denominan no-lineales, inestables, caóticos, complejos e irreversibles. A estos fenómenos les llama Prigogine RESUMEN estructuras disipatiEl tiempo y la termodinámica vas”, como veremos en el capítulo once. En todos los casos, Figura No. 5 - 8 El tiempo de Dalíí. Fuente: http://www.geocities.com/neferett/1.jpg estos procesos disipan energía en forma de calor que no puede ser aprovechado y que se pierde. La materia en situaciones de equilibrio se manifiesta de una manera repetitiva, como en las moléculas de los sólidos. En cambio, en situaciones alejadas del equilibrio aparecen una gran variedad de mecanismos de cambio en las estructuras disipativas. “Especialmente en los llamados relojes químicos, las moléculas de ciertos compuestos se auto-organizan, de tal manera que forman diseños y formas que aparecen como si éstas estuvieran en movimiento y actúan de una manera coherente y rítmica, como si cambiaran su identidad simultáneamente, como si tuvieran una manera de comunicarse, pero esta comunicación sólo aparece en las situaciones alejadas del equilibrio.” En el campo de la biología molecular • ¿Cuál es la complejidad necesaria para que se produzca la irreversibilidad? • Sin duda la vida es uno de esos sistemas cuya complejidad es suficiente para producir la irreversibilidad. • Pero hay otros en química, en las ciencias sociales y en otras disciplinas que también son irreversibles. Arthur Stanley Eddington dice que: • “Desde el punto de vista de la filosofía de la ciencia, la concepción asociada con la entropía debe, yo pienso, estar en un rango especial como la mayor contribución del siglo XIX al pensamiento científico”. • Marca la reacción a la vista de que todo lo que la ciencia debe prestar atención es descubierto por medio de la disección microscópica de los objetos” estos fenómenos son parte de la vida y parecen ser la norma. Cuando el famoso astrofísico inglés Arthur Stanley Eddington, explicaba que el hidrógeno se fusionaba para formar helio y en este proceso se generaba la energía de las estrellas, decía que: “Desde el punto de vista de la filosofía de la ciencia, la concepción asociada con la entropía (yo pienso), debe estar en un rango especial como la mayor contribución del siglo XIX al pensamiento científico. Marca la reacción a la idea de que todo lo que la ciencia debe prestar atención es descubierto por medio de la disección microscópica de los objetos” Eddington estaba a la caza de la flecha del tiempo y se preguntaba ¿cuál es el significado de la flecha del tiempo? Podríamos afirmar que la flecha del tiempo es una manifestación del hecho de que el futuro no está dado, pero que el presente apunta hacia el futuro como decía el poeta francés Paul Valery, “el tiempo es Prigogine afirma que: • “El progreso estructural más importante .... es que ahora podemos ver el problema de la estructura, del orden, desde una perspectiva diferente...talvez podamos eventualmente combinar las tradiciones occidentales, con su énfasis en experimentación y formulaciones cuantificadas, con tradiciones como la china, con su visión del mundo espontáneo y auto-organizado”. 121 Capítulo 5 RESUMEN LA TERMODINÁMICA DE LA ECONOMÍA • Dice Jeremy Rifkin en La economía del hidrógeno que : “A medida que nos acercamos a los estadios finales de la era del petróleo, Estados Unidos se encuentra en una posición cada vez más vulnerable ante las crecientes amenazas e interferencias de origen externo e interno, al igual de todos los demás países del mundo”. La energía del hidrógeno • El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. • Será el combustible eterno ya que nunca se termina. una construcción, es decir, algo que se va formando, que va cambiando paralelamente al devenir.” Prigogine afirma que “El progreso estructural más importante (en la concepción del tiempo) es que ahora podemos ver el problema de la estructura, del orden, desde una perspectiva diferente...talvez podamos eventualmente combinar las tradiciones occidentales, con su énfasis en experimentación y formulaciones cuantificadas, con tradiciones como la china, con su visión del mundo espontáneo y auto-organizado”. LA TERMODINÁMICA DE LA ECONOMÍA Dice Jeremy Rifkin en su libro La economía del hidrógeno que : “A medida que nos acercamos a los estadios finales de la era del petróleo, Estados Unidos se encuentra en una posición cada vez más vulnerable ante las crecientes amenazas e interferencias de origen externo e interno, al igual que todos los demás países del mundo.” La época de la energía por medio de la madera terminó, no porque se acabó la madera, sino porque apareció otro combustible más adecuado, el carbón. Lo mismo pasó con el carbón, apareció el petróleo y se cambió a una economía petrolera y lo mismo va a pasar con el petróleo, no porque se acaba el petróleo, ya que no va a suceder, sino porque viene la economía del hidrógeno. La época de los combustibles fósiles se caracteriza por la explotación del carbón, petróleo y gas natural que se encuentran en minas y pozos muy profundos y muy difíciles de localizar y extraer. “Los costos de perforación, extracción, transporte y refinación requieren de enormes capitales que la mayor parte de gobiernos no tienen y por tanto, han llevado a la formación de empresas transnacionales gigantescas, que de una manera centralizada manejan sus negocios mundiales.” • El residuo que sale después del proceso es agua destilada que puede ser reciclada inmediatamente para producir más hidrógeno y oxígeno. Figura No. 5 - 9 El destino final Fuente: http://www.ecologiasociale.org/img/entropia.jpg La energía del hidrógeno Como vimos en el capítulo anterior, el hidrógeno es el elemento más abundante de todo el universo y cuando lo usemos como la nueva forma de energía, será el combustible eterno que nunca se termina, ya que como vimos antes, al extraer energía eléctrica del hidrógeno por medio de las pilas de combustible, el residuo que sale después del proceso es agua destilada. Como el hidrógeno no es carbono, no puede emitir dióxido de carbono, de modo que el problema del efecto invernadero disminuye radicalmente el momento que entremos de lleno en una economía del hidrógeno. El hidrógeno existe en todo el planeta, en el agua de los ríos, mares y océanos, en los combustibles fósiles y en los seres vivos, pero es muy raro encontrarlo en el estado libre en la naturaleza: siempre aparece combinado con oxígeno formando agua y con el carbono y otros átomos en los hidrocarburos. De modo que es necesario separarlo de los otros átomos para obtener el hidrógeno necesario. “El hidrógeno se puede extraer en muchas unidades de vivienda y producción del planeta, siempre que se tengan los equipos necesarios. Esto abre la posibilidad de que por primera vez en la historia de la humanidad la fuente de energía más importante esté al alcance de todos, lo que convertiría a la energía del hidrógeno en el primer régimen energético verdaderamente democrático de la historia.” La centralización del poder y la acumulación de capitales en unas pocas empresas del mundo que caracteriza la época de los com- 122 Las Nuevas Ciencias del Cosmos bustibles fósiles produjo el desarrollo de las megalópolis, que consumen enormes cantidades de recursos naturales, pero especialmente de energía y que resultan insostenibles en las condiciones actuales. Cuanto más complejos y evolucionados son los organismos de las civilizaciones humanas, mayor es la cantidad de energía que se requiere para su mantenimiento y mayor es la entropía y el desorden que emerge en el proceso. Dice Rifkin que: “esta realidad es desconocida por la teoría económica clásica que ignora las leyes de la termodinámica y que no toma en cuenta las restricciones que se imponen a la sociedad y al medio ambiente.” Estos son una serie de condicionamientos que nadie puede RESUMEN Contabilidad y termodinámica • La actividad económica se limita a tomar del entorno recursos energéticos de baja entropía para transformarlos temporalmente en productos y servicios de alta entropía • Sin llevar la contabilidad adecuada de todo lo que se desperdicia, de la enorme ineficiencia que denotan los procesos económicos y de la flecha del tiempo que necesariamente apunta hacia la degradación evitar, pero que son desconocidos por la mayor parte de los líderes y políticos mundiales y locales. Contabilidad y termodinámica Las leyes de la termodinámica nos dicen cómo funciona el Universo y la naturaleza, al describir los procesos que incrementan la entropía y el desorden. En cambio “la actividad económica se limita a • La corrupción, las rebeliones, las guerras, los ladrones, los gobiernos y demás participantes en este festín de la energía degradada, son la marca de la decadencia acelerada de nuestras sociedades. tomar del entorno recursos energéticos de baja entropía para transformarlos temporalmente en productos y servicios de alta entropía, sin llevar la contabilidad adecuada de todo lo que se desperdicia, de la enorme ineficiencia que denotan los procesos económicos” y de la flecha del tiempo que necesariamente apunta hacia la degradación, la corrupción, las rebeliones, las guerras, los ladrones, los gobiernos y demás participantes en este “festín de la energía degradada.” En este proceso de transformación “las cantidades de energía que se consumen y que luego se transforman y se pierden como entropía es muy superior a la cantidad de energía contenida en los productos y servicios que se han producido, pero mientras esto sucede los economistas andan preocupados de entender a los sistemas en equilibrio, a los consumidores que desean siempre comprar más y más, a los productores que desperdician enormes cantidades de recursos y que no se les ocurre, en la mayor parte de los casos, reciclar y aprender las formas en que funciona la naturaleza.” Las principales teorías económicas modernas siguen ancladas al paradigma del equilibrio, que dice que “sólo en sistemas que están en equilibrio se puede producir el crecimiento económico.” Nada más alejado de la verdad como veremos en el capítulo once de las Nuevas Ciencias. Estas teorías asumen que existen mercados perfectos, que todos los agentes tienen una racionalidad perfecta y que todos estos ingredientes hacen que las fluctuaciones que se producen en la economía acaben estabilizándose al llegar al ansiado equilibrio. Lo que sí es verdad es que “estas teorías del equilibrio no pueden explicar las fluctuaciones de las bolsas de valores del mundo, las variaciones violentas y en determinadas ocasiones catastróficas de los valores de las acciones de ciertas empresas.” Tampoco se puede explicar por qué la mayor parte de las empresas que siguen todos los preceptos de estas teorías en la mayor parte de los casos acaban mal, en la quiebra o son absorbidas por otras. “Es muy probable que esta obsesión con el equilibrio tenga que ver con la fijación que tienen los economistas de convertir a la economía en una ciencia matemática y precisa como la física clásica,” pero como vimos en el primer capítu- lo, la economía no deja de ser una pseudociencia. LAS LIMITACIONES DEL UNIVERSO La Segunda Ley de la termodinámica nos indica que existen serias limitaciones prácticas y filosóficas en la forma y funcionamiento del mundo, de la vida y de todos los procesos termodinámicos. “Esta ley nos impone límites en la forma en que los seres humanos podemos interactuar con la naturaleza y en la forma en la cual ésta reacciona a nuestros avances y acciones.” En otras palabras, nos indica qué cosas suceden y cómo suceden y qué cosas no pueden suceder en el mundo. El desperdicio de energía en entropía no es el resultado de fallas en los diseños y en la ingeniería en la mayor parte de los casos, es una limitación que forma parte de las leyes de la naturaleza. Si se pudiese 123 Capítulo 5 diseñar una máquina que extraiga más energía que lo permitido por la segunda ley, entonces también se podría diseñar un refrigerador que enfríe aun cuando no esté encendido. Desde el punto de vista filosófico la Segunda Ley nos indica que la naturaleza tiene ciertos tipos o niveles de energía más útiles y otros menos útiles. El estado de energía menos útil es el reservorio frío que recibe toda la energía disipada, una vez que la energía se encuentra en este reservorio no puede ser reutilizada para hacer trabajo útil. La muerte El envejecimiento y la muerte son buenos ejemplos de la direccionalidad de la naturaleza y manifiestan la importancia de la segunda ley de la termodinámica en nuestras vidas. “Los biólogos dicen que el envejecimiento es un proceso evolutivo que sirve para preservar las propiedades, que permiten la sobrevivencia de las especies.” Dos teorías tratan de explicar por qué ocurre el envejecimiento y la muerte: la una se llama obsolescencia planificada y sugiere que el cuerpo humano está diseñado para destruirse a sí mismo después de cierto tiempo, para asegurar que hayan suficientes alimentos y otros recursos para los que vienen después. La segunda teoría se llama de los accidentes acumulados y mantiene que el desgaste continuo sobrepasa la habilidad del organismo para hacer reparaciones y el sistema deja de funcionar cuando los accidentes se acumulan, como también daños en los órganos principales como el corazón y errores en los códigos genéticos de las células; existen más evidencias que apoyan la segunda teoría. Figura No. 5 - 10 La muerte del universo La muerte térmica Fuente:: http://www.dgdc.unam.mx/Assets/Fotos/ft_conf_astro01.jpg La entropía nos lleva a considerar la muerte del universo, ya que éste es el único sistema verdaderamente aislado y cerrado que conocemos. Llegará una época en que todas las estrellas se hayan enfriado y la temperatura en todo el Universo sea uniforme; en este momento la entropía será máxima ya que el reservorio de alta temperatura estará vacío y el de baja temperatura estará totalmente lleno, entonces se produce la muerte térmica del universo y éste muere para siempre. Con la polución de la atmósfera y las luces de las ciudades en las noches despejadas, apenas podemos distinguir unas pocas estrellas y planetas. Pero nosotros formamos parte de una galaxia llamada Vía Láctea, que es una enorme espiral con más de cien billones de estrellas. Y más allá se hallan en la profundidad del espacio probablemente, miles de billones de galaxias similares o parecidas a la nuestra; parece ser que por cada grano de arena que existe en la Tierra, hay por lo menos diez estrellas en el universo. Lo curioso es que casi todas estas estrellas en las galaxias parecen alejarse de nosotros a grandes velocidades en una especie de carrera interminable hacia el fin del universo. Sabemos desde los años sesenta que la razón para esta carrera desenfrenada hacia los límites del espacio-tiempo se inicia con el Big-Bang, mal llamado gran explosión, pero de lo que no estábamos muy seguros era la forma en que terminará todo. Originalmente había “tres escenarios posibles según la teoría de la relatividad: el primero era que la expansión continuará eternamente. El segundo afirmaba que debido a la gravedad de la materia oscura, llegará un momento en que se desacelera la expansión y se 124 Las Nuevas Ciencias del Cosmos detendrá en un tamaño determinado. La tercera posibilidad, llamada del Big-Crunch, era que después de parar, comienza a contraerse y se colapsa el Universo, volviendo a su origen inicial del Big Bang y todo se inicia de nuevo.” Las mejores mentes de la ciencia fueron hasta hace poco incapaces de dilucidar lo que pasará al fin del tiempo, pero ahora parece que nos acercamos a una explicación muy plausible. Pero nadie sabía cómo medir toda la materia del universo ya que contar las estrellas y posibles planetas es fácil, pero existe en el vacío la materia oscura que no podemos ver. Desde los años treinta se sabía que el espacio debía contener más materia, ya que de otra manera no se podía explicar ¿cómo se mantenían las galaxias y los grupos de galaxias juntos? La única posibilidad es que había algún tipo de materia invisible que estaba presente entre los espacios intergalácticos. Por medio de las estrellas denominadas supernovas se pudo medir la velocidad de expansión del universo en sus comienzos y se comparó con la velocidad actual: se descubrió que la velocidad actual es muy superior a las del pasado, de modo que el universo está siendo acelerado por alguna fuerza misteriosa que le llamamos energía oscura. Por tanto, esto sugiere que existe en el Universo algún tipo de fuerza anti-gravedad que permite esta aceleración; ahora sabemos que un 60% del universo está hecho de esta energía como veremos en los capítulos diez y doce. En el siguiente capítulo vamos a ver que la materia está formada de átomos, y cómo se descubrieron estos átomos; esta es una de la ideas más inteligentes e importantes de la ciencia. Figura No. 5 - 11 Sistemas muy complejoss Fuente: http://www.bonk.com.ar/tp/images/232.jpg 125 Capítulo 5 Bibliografía ATKINS PETER. Galileo’s Finger. The Ten Great Ideas of Science. Oxford University Press. New York, 2003 GRIBBIN JOHN. Introducción a las Ciencias. Drakopntos, Crítica. Barcelona, 2000 PRIGOGINE ILYA, STENGERS ISABELLE, Order out of Chaos, Man’s new Dialogue with Nature. New York, Bantam Books, 1984. TREFIL JAMES, HAZEN ROBERT M. The Sciences. An Integrated Approach. Third edition. John Wiley & Sons, New York. 2001. PREGUNTAS DE REPASO Introducción 1. ¿En que consisten la Primera y Segunda Ley de la termodinámica? Historia 2. ¿Cómo se define la termodinámica? 3. En qué consistió la importancia de la invención de la máquina de vapor? 4. ¿En qué consiste el Principio de Carnot? 5. Según Carnot, ¿de qué depende esencialmente la eficiencia de una máquina de vapor? 6. ¿Según Thomson cuál es la condición esencial de una máquina térmica? 7. ¿En qué consiste el principio de la termodinámica establecido por Clausius? 8. ¿Cómo relacionó Clausius la entropía y la energía? 9. ¿Cómo se entiende el concepto de entropía en relación con el funcionamiento del ser humano? 10. ¿Cómo se entienden los niveles de entropía en los diferentes estados del agua? 11. ¿Cuál es el significado de la segunda ley de la termodinámica? Entropía y termodinámica. 12. ¿En qué casos el orden podría aumentar (disminuyendo la entropía)? 13. ¿Cómo se presenta la entropía en los procesos irreversibles? Completa tu explicación con un ejemplo diferente al presentado en el texto. 14. ¿Cuál es la consecuencia de que la entropía en el universo esté aumentando? 14. ¿En qué consiste la homeostasis? 16. ¿Qué se entiende por estructuras disipativas? 17. ¿Cómo se entiende el concepto de caos? 18. ¿En qué consistiría el concepto de evolución de los sistemas complejos, según Kaufmann? 19. Explica las propiedades correspondientes a la segunda ley de la termodinámica. 20. Desde el punto de vista de la energía, ¿qué sucede con dos vehículos que chocan entre sí, si se desplazaban a velocidades muy diferentes? ¿Cómo se aplicaría esta conclusión a la transmisión del calor a nivel molecular en una barra metálica? 21. ¿Qué es la energía disipada? 22. ¿Cómo se mide la eficiencia de una máquina? 23. Desde el punto de vista energético, ¿cómo funciona un motor de combustión inter na? 24. En el caso de una máquina térmica ¿dónde se ubican los reservorios térmicos? 25. ¿Qué se entiende por sistema ordenado y sistema desordenado? -25.¿Qué es el movimiento browniano? Consecuencias de la segunda ley 26. ¿Cuál ha sido la consecuencia principal de la explotación de recursos energéticos? 27. ¿Qué se entiende por “redes de eventos”, según Peter Atkins? 28. ¿Qué podrías decir respecto a la dirección del tiempo? 29. ¿Qué son las estructuras disipativas? 30. ¿Qué significado tiene el planteamiento:“el futuro no está dado, pero el presente apunta hacia el futuro”? La termodinámica de la economía 31. ¿Crees que la economía petrolera se terminará pronto, no por el agotamiento de las reservas, sino porque viene la economía del hidrógeno? 32. ¿Cuáles serían las principales ventajas de utilizar el hidrógeno para la generación de energía? 33. ¿Por qué podría decirse que la actividad económica, en general, es ineficiente y causa degradación del entorno? Las limitaciones del universo 34. ¿En qué consiste la “obsolescencia planificada”, respecto al envejecimiento y muerte de los seres humanos? 35. ¿En qué consisten “los accidentes acumulados”, respecto al envejecimiento y muerte de los seres humanos? 36. ¿Cómo explicarías la idea de muerte térmica del universo? 37. ¿Cuáles son los escenarios que se han planteado respecto al destino del universo, basados en la relatividad? PREGUNTAS DE REFLEXION 1. El estudio de la termodinámica incluye la transformación de energía en distintas formas de trabajo, pero se dice que al transformase, esta energía degenera en formas cada vez más inútiles y menos sofisticadas de energía. Explica este hecho con ejemplos de tu vida diaria. 2. Sabemos que en el universo la cantidad total de materia y energía se mantienen constantes, pero que el desorden, o la entropía, está siempre en aumento. ¿Qué consecuencias tiene esto en el futuro del universo? 3. ¿Qué dilema existe entre la entropía y la autoorganización en los seres vivos, y cómo se explica esta última en concordancia con la segunda ley de la termodinámica? 4. Explica por qué se dice que la energía térmica sólo se transfiere de un reservorio caliente a uno frío, y no viceversa. 5. Explica qué importancia tienen los reservorios calientes y fríos en la eficiencia de una máquina térmica. 6. Da un ejemplo de tus actividades diarias de ¿cómo la entropía en un sistema siempre aumenta? 7. Argumenta algunas (al menos 3) de las ventajas que puede tener la utilización del hidrógeno como combustible en lugar del petróleo. 8. Explica cada una y argumenta cuál de las dos teorías acerca del envejecimiento y la muerte es más plausible. 9. ¿Por qué sabemos con certeza que el universo debe eventualmente alcanzar su muerte térmica? 10. La segunda ley de la termodinámica se resume en 3 enunciados que hemos visto en el texto. Da un ejemplo de qué tipo de consecuencias tiene en nuestra vida cada uno de ellos. 126 Las Nuevas Ciencias del Cosmos ÁTOMOS La miniaturización de la materia To see a world in a grain of sand And a heaven in a wild flower, Hold infinity in the palm of your hand, And eternity in an hour WILLIAM BLAKE 6 INTRODUCCIÓN E n 1962, en una serie de conferencias para estudiantes universitarios impartidas en Caltech, el famoso físico y premio Nóbel, Richard Feynman advirtió que el modelo del átomo es la idea más importante para la explicación científica del mundo. Dijo lo siguiente: “Si por un cataclismo resultaran destruidos todos los conocimientos científicos y sólo una frase pudiera pasar a las generaciones siguientes ¿qué sentencia contendría el máximo de información en el mínimo de palabras? Yo creo que es la hipótesis atómica, según la cual todas las cosas están hechas de átomos, pequeñas partículas que se encuentran en perpetuo movimiento y se atraen entre sí cuando se sitúan a una corta distancia, pero que se repelen si se intenta introducir la una a la otra. Sólo con que utilice un poco de imaginación y de reflexión, en esta única frase, como verán, está contenida una enorme cantidad de información sobre el mundo.” Como vimos antes, la idea de que los átomos son partes indivisibles de la materia se remonta a los tiempos de los antiguos griegos; ya en el siglo V a.C., Leucipo de Mileto y su alumno Demócrito de Abdera, hablaban de estos entes fundamentales, inmutables, inmóviles e indestructibles. El concepto de elementos, sustancias fundamentales de las que está hecha toda la complejidad del mundo cotidiano, se remonta también a los primeros filósofos griegos, a los que se les ocurrió la idea de que todo está hecho de distintas mezclas de cuatro elementos: aire, tierra, fuego y agua. Robert Boyle, a mediados del siglo XVII, fue la primera persona que “distinguió entre mezcla y combinación y definió el concepto de elemento como una sustancia, que no se podía descomponer en ninguna otra más simple.” (Diccionario Ciencias, 2001) El progreso definitivo en la comprensión del modo en que los elementos se combinan para dar compuestos llegó cuando John Dalton retomó el concepto de átomo, a principios del siglo XIX. Dalton argumenta que “la materia está conformada por átomos y explica su descubrimiento indicando que dado un compuesto concreto, independientemente de cómo haya sido preparado, la proporción entre los pesos de los diferentes elementos presentes en él es siempre la misma.” Dalton sugirió que “cada clase de elemento está formado por una clase de átomo idéntico y que es la naturaleza de estos átomos la que determina las propiedades del elemento.” (Trefil, 2001 - Pág. 173) Al mismo tiempo, otros científicos fueron encontrando pruebas cada vez más concluyentes de que los átomos se podían considerar como entidades reales, consideradas pequeñas bolas duras que se atraían las unas a las otras cuando estaban separadas por una distancia, pero se repelían mutuamente al intentar juntarlas. El átomo de los griegos Como vimos antes, en la Grecia antigua la palabra “átomo se empleaba para referirse a las partes más pequeñas de materia que eran consideradas indestructibles e indivisibles.” El conocimiento de la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos, ya que en un principio sólo era posible especular sobre lo que podría ser la materia de nuestro Cosmos. No se sabe con seguridad cómo Leucipo y Demócrito llegaron a la idea de los átomos, hay una leyenda que dice que “Demócrito, pasaba frente a una panadería y olió el delicioso aroma del pan que salía ese momento del horno,” entonces hizo 127 Capítulo 6 una conexión magistral, ya que se imaginó que “los olores que venían desde el horno a su nariz eran transportados por partículas de materia que eran muy pequeñas e invisibles, como los átomos que su maestro Leucipo había sugerido.” Demócrito de Abdera continuó las enseñanzas de su maestro Leucipo y en el siglo V a.C estableció la primera teoría atómica, al considerar que toda la materia estaba formada por átomos, invisibles e indivisibles y además, eternos e inmodificables, de modo que en la naturaleza sólo existían átomos y vacío. De este modo, la hoja del cuchillo más afilado no podría penetrar en un pedazo de madera si no hubiera intersticios, ya que la resistencia sería infinita, pero al dividir la materia en pedazos cada vez más pequeños se llegaría a un momento en que ya no sería posible dividir más los pedazos y su rigidez sería absoluta; a estos pedazos indivisibles les llamaron átomos. (Papp, 1996. Pág. 40 y 261) Los filósofos griegos no disponían de Figura No. 6 - 1 Modelo atómico Fuente: un método científico para explorar la materia, sus razona- http://www.mundodoquimico.hpg.ig.com.br/os%20mod1.gif mientos no disponían de la capacidad necesaria para realizar observaciones y experimentos que permitan verificar las hipótesis, que es lo que caracteriza al método científico moderno, por esto no fue posible que antes del inicio del siglo XIX naciera la teoría atómica moderna. Con el comienzo de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII se iniciaron los descubrimientos de los atomistas, que adaptaron las ideas de Demócrito a la ciencia de esta época. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que los líquidos, gases y sólidos se podían descomponer en sus elementos originales. El RESUMEN gran investigador y químico inglés Boyle afirmaba que: “los átomos ATOMOS La miniaturización de la materia • Feynman advirtió que el modelo del átomo es la idea más importante para la explicación científica del mundo • El átomo es la unidad más pequeña que tiene las características de un elemento químico determinado eran corpúsculos que poseían una inmensa variedad de formas como puntas y ramificaciones, de tal manera que sólo ciertos átomos encajaban bien con otros cuando coincidían estas formas extrañas.” Por ejemplo, descubrieron que • En Grecia, “átomo” se empleaba para referirse a las partes más pequeñas de materia indestructibles. A-tomo significa en griego “no-divisible” • El conocimiento del átomo avanzó lentamente ya que en un principio sólo era posible especular sobre lo que podría ser la materia de nuestro cosmos. El átomo de los griegos • Demócrito decía que el cosmos está hecho de átomos y vacío, y que toda la materia está formada por átomos eternos e inmodificables el mercurio y el azufre se combinan para formar cinabrio y que la sal se componía de dos elementos, un átomo de sodio y otro de cloro. (Papp, Pág. 263) Newton propuso la idea, ya que no le gustaba proponer hipótesis, de que “eran las fuerzas intermoleculares las que permiten que ciertas partículas se unan formando uniones químicas,” pero así como había fuerzas atractivas, también existían fuerzas repulsivas, que eran las responsables de la capacidad de expansión de los gases. La imagen del mundo que propone Newton rechaza la variedad de formas propuesta por Boyle y tiene dos polos: los movimientos de los grandes cuerpos que están regidos por la gravedad y los de las partículas pequeñas por las fuerzas intermoleculares. Estas fueron las ideas fundamentales que dieron soporte a los conceptos desarrollados posteriormente a principios del siglo XIX y que veremos en este capítulo tan importante. (Papp, Pág. 264) • Los filósofos griegos no disponían de un método científico para explorar la materia LA TEORÍA ATÓMICA MODERNA La teoría atómica moderna se inicia con el meteorólogo inglés, John Dalton (1766-1844). En 1808 Dalton publicó un libro llamado New System of Chemichal Phylosophy, en el cual trataba de contestar a la pregunta: ¿Cuál es la condición que deben tener los átomos para poder explicar la gran variedad de elementos químicos existentes? Dalton • Por esto solamente en el siglo diecinueve nace la moderna teoría atómica. 128 Las Nuevas Ciencias del Cosmos llevó el concepto del átomo del terreno cualitativo de la filosofía al campo cuantitativo de la ciencia como dice Papp. Dalton argumentaba que “los nuevos conocimientos químicos indicaban que la materia estaba compuesta de átomos, que cada sustancia química estaba formada de átomos y que cada átomo diferente tenía un peso característico, propio de cada elemento. Este peso no variaba con las reacciones químicas de modo que cuando los elementos se combinan, lo hacen en proporciones definidas por sus pesos.” Por ejemplo, el monóxido de carbono y el RESUMEN LA TEORÍA ATÓMICA MODERNA • En 1808 Dalton decía que la materia estaba compuesta de átomos • Los alquimistas podían dividir a ciertas substancias simples dióxido de carbono tienen una relación de uno y dos oxígenos respectivamente, con un átomo de carbono. (Papp, Pág. 263-264) Luego, Gay-Lussac descubrió “que los gases se mezclan en proporciones volumétricas bien definidas, como por ejemplo en el caso del aire hay un 21% de oxígeno, un 78% de nitrógeno y el resto son gases como el dióxido de carbono y otros más.” En 1811 la teoría atómica recibió un impulso • Si se quema madera, se produce CO2 , H2O y otros residuos como la ceniza • Dalton creía que la materia estaba compuesta de átomos y que cada átomo diferente tenía un peso característico, propio de cada elemento muy grande cuando el físico italiano Amadeo Avogadro descubrió que “existen relaciones sencillas entre los volúmenes de los gases y que también debe haber una relación entre los números de las moléculas que conforman estos gases, de modo que si la temperatura y la presión son las mismas, dos gases diferentes que ocupan el mismo volumen tendrían necesariamente el mismo número de moléculas.” Esto se debe a que las distancias entre los • Luego Gay-Lussac descubrió que los gases se mezclan, el aire tiene 21% de oxígeno, 78% de nitrógeno y el resto otros gases distintos átomos y moléculas en los gases son enormes a estas escalas atómicas . Avogadro fue el primero en distinguir entre átomos y moléculas; los átomos son los que participan en las reacciones químicas y se unen para formar moléculas. (Papp, Pág. 266-267) • Amadeo Avogadro descubrió que debe haber una relación entre los números de las moléculas que conforman los gases • Dos gases diferentes que ocupan el mismo volumen tendrían necesariamente el mismo número de moléculas • Baptiste Perrin, determinó que los rayos catódicos eran cargas de potencial negativo • Joseph John Thomson les hizo pasar a estos rayos por campos magnéticos y eléctricos La complejidad de los átomos Dice Papp que: “la idea filosófica de Demócrito se convirtió en la hipótesis química de Dalton y en el siglo XX en una realidad física que ha podido ser fotografiada, de modo que tenemos una gran cantidad de pruebas irrefutables de la existencia de los átomos.” Lo que la imaginación nunca pudo vis- • Las medidas demostraron que lumbrar, los experimentos nos han demostrado que existe una realilos electrones, tenían una masa 1840 menor que la del átomo de dad atómica y subatómica maravillosa, hemos penetrado en el hidrógeno. mundo de las sub-subpartículas atómicas y aun más allá, hemos llegado a los quarks, leptones y probablemente a las unidades de energía más infinitesimales llamadas supercuerdas, en donde los conceptos del espacio y tiempo y las dimensiones que conocemos se multiplican hasta llegar al hiperespacio de diez dimensiones. En la última década del siglo XIX se estableció a través de una serie de experimentos y mediciones que debía existir una partícula atómica con carga negativa y que esta partícula debía estar de alguna manera vinculada a los átomos de las sustancias analizadas en experimentos como la electrólisis, que consiste en usar una corriente continua de una batería para analizar una sustancia y descomponerla en sus elementos. Pero para poder descubrir esta partícula negativa había que ubicarla separada de los átomos y pronto la oportunidad se presentó. En 1895 el físico francés Jean Baptiste Perrin, pudo determinar que: “En los Rayos Catódicos que se producían al aplicar un campo eléctrico dentro de un tubo al vacío, existían cargas de potencial negativo”. Por lo que el genial investigador inglés Joseph John Thomson (1856-1940) realizó una serie de experimentos con estos rayos catódicos, a los cuales les hizo pasar por campos magnéticos y eléctricos y pudo establecer que estas partículas negativas eran desviadas por los dos campos, con lo que “determinó la carga y la masa de estas partículas negativas.” Thomson supuso que la carga de esta partícula debía ser la unidad elemental de carga y que la masa debía ser muy inferior a la masa del más liviano de los átomos, el hidrógeno. Mediciones posteriores determinaron que estas partículas a las cuales se les llamó electrones, tenían una masa que era mil ochocientas 129 Capítulo 6 cuarenta veces menor que la del átomo de hidrógeno, de modo que se supuso que el átomo debía de estar formado con otros componentes y partículas y que por tanto era muy complejo. (Papp, Pág. 271-273) La radiactividad En 1896, Antoine Henry Becquerel descubrió las primeras pruebas de la radioactividad al experimentar con sales de uranio; luego los esposos Curie y otros científicos lograron reconocer una serie de nuevos elementos radioactivos que eran en todos los casos átomos muy pesados, que emitían radiaciones que podían pasar a través de hojas metálicas y otras sustancias opacas a la luz. Todos se hacían la pregunta: ¿De dónde proviene la energía de estas sustancias que producen radiaciones radioactivas? Ernest Rutherford y Frederick Soddy en 1902 formularon una hipótesis que decía que “los átomos activos (radioactivos) son sistemas inherentemente inestables; se desintegran espontánea y explosivamente, proyectando con elevada energía cinética sus fragmentos en el espacio,” como lo formula Papp. Al expulsar frag- mentos de su masa, el átomo se desintegra y se convierte en otro elemento químico, ya que varía su número de protones. El nuevo átomo continúa también desintegrándose y emitiendo radiaciones hasta que al fin de la cadena radioactiva se llega a un elemento estable y se acaban las radiaciones. El uranio por ejemplo sufre catorce transformaciones hasta llegar a su elemento estable que es el plomo y la energía liberada en este proceso de desintegración es miles de veces mayor que aquellas que se obtiene en las reacciones químicas normales. Rutherford y Marie Curie experimentaron extensamente con estas radiaciones y “encontraron que había tres tipos de radiaciones y para identificarlas usaron las tres primeras letras del alfabeto griego: rayos alfa, beta y gamma, de acuerdo a sus poderes de penetración siendo los más fuertes los gamma.” “Los rayos gamma resultaron ser muy parecidos a los rayos X, pero más fuertes aún, los rayos beta eran electrones. Sin embargo, lo Figura No. 6 - 2 Estructura del átomoo más difícil fue determinar la naturaleza de los Fuente: http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/particulas/atomo.jpg rayos alfa, que eran los de menor poder de penetración, pero que tenían miles de veces la masa del electrón y además, dos cargas eléctricas pero positivas. Después de hacer una serie de pruebas descubrieron que los rayos alfa estaban formadas por núcleos de helio, de modo que se pudo observar por primera vez que de un elemento químico salía otro elemento, el Helio.” (Papp Pag. 273-277) El interior del átomo Los hechos antes mencionados de la radioactividad y de los electrones con cargas negativas plantearon una serie de interrogantes sobre cómo se debía entender al interior del átomo; como dice Papp debía “alojar la muchedumbre de corpúsculos electrizados- electrones y núcleos de helio en el interior del átomo.” En el modelo del átomo que había propuesto Thomson, los electrones estaban incrustados en la materia positiva como las pasas en una torta; esto quedó automáticamente descartado, de modo que fue indispensable buscar un nuevo modelo que diera cabida a todas estas condiciones y partículas descubiertas. El gran protagonista de esa epopeya fue el científico neo-zelandés radicado en Inglaterra, 130 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Ernest Rutherford, quien aprovecha de los fenómenos radioactivos descubiertos a fines del siglo XIX y los inicios del XX para desarrollar su modelo del átomo. Rutherford y sus colaboradores Geiger y Marsden “montaron un experimento que se convirtió en un clásico de la ciencia, al bombardear con un cañón de partículas alfa o núcleos de helio a una delgada lámina de pan de oro. Todo este conjunto estaba dentro de una esfera de vidrio formando una pantalla fluorescente.” (Ver Fig. 6 - 3) La gran mayoría de los proyectiles de helio pasaban por los espacios vacíos de los átomos de oro sin ningún problema y sin desviarse de sus trayectorias originales, sólo un dos por mil aproximadamente de estos proyectiles chocaban con los núcleos del oro y rebotaban desviados totalmente de sus trayectorias. Rutherford tuvo una inspiración genial “al darse cuenta de que lo que revelaba este experimento es que los átomos son sistemas casi totalmente vacíos y que los electrones que estaban en las partes externas de los átomos no podían desviar las trayectorias por la elevada velocidad de los protones, cerca de 20.000 km/s y por su diminuta masa que era cerca de 7000 veces menor que el átomo de oro.” Las partícu- las que se desviaban notablemente probaron que el núcleo de los átomos de oro es sin duda muy masivo y está cargado positivamente. Rutherford aplicó el cálculo de probabilidades y probó con distintos materiales obteniendo siempre resultados similares, “lo que le llevó a concluir que el núcleo de los átomos estaba compuesto de partículas con cargas positivas pero de una masa miles de veces mayor que la de los electrones,” átomos son eléctricamente neutros, el número de electrones debía ser igual al de los protones del núcleo. Entonces se presentó un problema, los pesos de los átomos no coincidían exactamente con los múltiplos de los protones del núcleo, de modo que tendría que haber más protones en el núcleo, lo que hace al átomo no eléctricamente neutro.” Fuente:: http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/images/rutherford01.jpeg Figura No. 6 - 3 Experimento de Rutherford ahora sabemos que son 1840 veces mayores los protones que los electrones. Rutherford y sus colaboradores se dieron cuenta de que el núcleo del átomo está formado por estas partículas positivas y a su número se le llamó número atómico, empezando por el hidrógeno con 1 y llegando a 92 con el uranio, que es el más pesado de todos los elementos naturales. Rutherford llego a la conclusión de que: “Como los Rutherford sugirió que debía existir un número conveniente de electrones en el núcleo para compensar las cargas positivas adicionales. Esta hipótesis que sirvió durante un par de decenios, fue modificada cuando “en 1932 el físico inglés James Chadwick descubrió los neutrones, con una masa casi exactamente igual a la de los protones, pero sin carga eléctrica, de modo que el núcleo apareció como un conjunto de protones y neutrones.” Rutherford calculó que el núcleo debía ser unas cien mil veces más pequeño que el átomo, de modo que la mayor parte del átomo es vacío. Como sabía que las cargas opuestas se atraen, los electrones debían estar a unas distancias enormes del núcleo y tener una velocidad tangencial suficiente para que puedan circular alrededor del núcleo sin chocar contra él, debido a la fuerza centrípeta de las cargas eléctricas opuestas. De esta manera, “el modelo del átomo de Rutherford se presenta como un minúsculo sistema solar en que el núcleo es el Sol y los electrones son 131 Capítulo 6 RESUMEN El interior del átomo los planetas. Una nueva ciencia nació, la de la física de las partículas atómicas”. • Rutherford dispara partículas alfa contra una lámina de pan de oro dentro de una esfera de vidrio fluorescente. Sólo un dos por mil rebotan al chocar contra los núcleos del oro (Papp Pag. 278-281) El modelo de átomo de Rutherford tiene un problema fundamental, según las leyes de Maxwell; “estas leyes establecen que toda carga eléctrica como un electrón que está acelerado, necesariamente debe emitir fotones de energía.” Esto es lo que sucede en las antenas de todos los “Lo mismo debe suceder con los electrones que se mueven en órbitas alrededor de los núcleos. Deben emitir fotones al girar ya que todo movimiento en curva es acelerado, por esto la energía de los fotones tiene que provenir de la energía cinética de su movimiento; por tanto los electrones deberían frenarse todo el tiempo hasta que su velocidad sea tan pequeña, que se estrellan contra el núcleo.” Si este fuera el caso, entonces todos los átomos deberían destruirse y no • De esta manera comprobó que los átomos son vacíos y que la materia se concentra en el núcleo. teléfonos celulares y radios, en que se aceleran electrones que suben y bajan por las antenas, en estos movimientos acelerados se produce el efecto antes indicado y se generan ondas electromagnéticas. podría haber materia en el universo. Los cuantos de Planck y el átomo de Bohr Max Planck, el gran físico alemán de fines del siglo XIX, “introdujo una idea genial en la ciencia, al descubrir que la energía que produce un cuerpo oscuro como un pedazo de hierro al ser calentado a altas temperaturas, no es emitida como un flujo continuo, sino de una manera discontinua, como si fueran pequeñas cantidades finitas de energía llamadas fotones.” Por estas contribuciones de Planck sabemos que en todas las transformaciones energéticas con radiaciones “la energía se produce en cantidades discretas llamadas cuantos, palabra de viene del latín quantum que significa cantidad.” Esta es una idea muy inno- vadora y completamente desconocida, que se convirtió en una de las dos revoluciones conceptuales del siglo XX. El joven físico danés, Niels Bohr trabajó en 1913, después de doctorarse, como asistente de Rutherford e hizo una contribución muy significativa a la mecánica cuántica al unir los cuantos de Planck con el modelo atómico de Rutherford. Bohr declaró que: “si los electrones que circulan en los átomos no satisfacen las leyes de la electrodinámica clásica, es porque obedecen las leyes de la mecánica cuántica. Sin duda, giran en torno del núcleo atómico, pero circulan únicamente sobre órbitas tales que sus impulsos resultan determinados por múltiplos enteros de la constante de Planck. Los electrones no emiten radiaciones durante todo el tiempo en que describen sus órbitas; solamente cuando el electrón salta de una órbita más alejada a una cercana del núcleo lanza un cuanto de luz o fotón.” Con este nuevo modelo de átomo, Bohr pudo explicar las líneas espectrales que emiten los gases incandescentes como el hidrógeno. Más tarde, el físico alemán Arnold Sommerfeld reemplazó las órbitas circulares por otras elípticas e introdujo los conceptos de la relatividad en la física atómica que veremos en los capítulos siguientes. Dos físicos holandeses, “Samuel Goudsmit y George Ulenbeck introdujeron una nueva característica del electrón, una especie de rotación llamada spin, cuya importancia es tan grande como su masa o sus cargas eléctricas, ya que explica las cualidades magnéticas y la forma en que se comportan los átomos al formar uniones químicas.” El modelo de Bohr también se parece a un sistema planetario, pero con la gran diferencia de que “los electrones Figura No. 6 - 4 Modelo de Bohrr Fuente:: http://www.ethereal.org/digitalart/atom/atom.jpg 132 Las Nuevas Ciencias del Cosmos sólo pueden circular sobre trayectorias cuantificadas como si una misteriosa policía microcósmica les hubiera prohibido las demás cualidaes.” como dice RESUMEN Cuantos y Bohr Papp. Fue el físico y premio Nobel francés, príncipe Louis de Broglie, quien en 1923 explicó en su tesis magistral de doctorado “la razón por la cual los electrones sólo pueden mantenerse en estas órbitas y no en otras, al probar que los electrones están acompañados de un tren de ondas” y circulan • Según la mecánica clásica los electrones deben emitir radiaciones al girar alrededor del núcleo por órbitas cuyo tamaño permite que este tren de ondas pueda caber en ellas y pueda cerrarse. Para esto, la circunferencia de las órbitas permitidas debe ser de múltiplos enteros de la longitud de onda que acompaña al electrón. “Estas órbitas coinciden exactamente con las órbitas que había calculado Bohr”. Por ello el que los electrones corpusculares se hallen asociados • Esto significa que los átomos debían desbaratarse todo el tiempo • Bohr unió los cuantos con el modelo del átomo y de esta manera nació la mecánica cuántica. de una manera indisoluble con ondas de ciertas frecuencias resulta uno de los más espectaculares descubrimientos ya que “de esta manera lo discontinuo de las partículas como los electrones se vinculó con lo continuo de las ondas.” Esto permitió el surgimiento de la mecánica ondulatoria desarrollada por de Broglie, el físico alemán Erwin Schrodinger y el inglés Paul Dirac, con lo cual la estructura atómica fue completada con las matemáticas que dieron lugar al nacimiento de la RESUMEN mecánica cuántica que veremos en el capítulo séptimo y que permiEl modelo de Bohr te explicar una serie de fenómenos corpusculares y ondulatorios. • El modelo de Bohr también se (Papp, Pag. 282-285) parece a un sistema planetario, pero sin órbitas EL NÚCLEO ATÓMICO “El núcleo es el centro del átomo y es el que contiene la masa, ya que es dos mil a cinco mil veces más pesado que los electrones que le circundan, por lo que se puede afirmar que el 99,98 % de la materia visible de nuestro cosmos está concentrada en los núcleos atómicos.” Como hemos indicado antes, la fórmu- • Los electrones sólo pueden estar en niveles de energía cuantificados la de Einstein dice que la materia es equivalente a la energía, por lo que se puede entender que la mayor parte de la energía del universo está en los núcleos atómicos. Debido a que existen los electrones es posible escuchar la radio, la televisión, las telecomunicaciones satelitales y miles de procesos que han permitido el desarrollo de la industria electrónica y de nuestras civilizaciones. Sin los electrones sería imposible la vida ya que ésta se basa en una serie de complicados procesos químicos que permiten la conversión y transformación de la energía. “Estos procesos funcionan debido a que los electrones están sujetados por los núcleos atómicos, mas algunos electrones externos pueden salir del átomo y moverse solos”, como veremos a continuación. • Louis de Broglie, dice que estos órbitales van acompañados de un tren de ondas y sólo pueden estar en órbitales cuyo tamaño permite que este tren de ondas pueda cerrarse. Los isótopos Como vimos antes, en cualquier átomo el número de protones es igual al número de electrones y por tanto el átomo es neutro. “Al número de protones se le llama número atómico. Los primeros descubrimientos de que existían átomos del mismo elemento, con el mismo número atómico y las mismas propiedades químicas pero distintos pesos atómicos, se produjeron cuando aparecieron los nuevos radio-elementos como el radio-torio, el torio y otros isótopos. Frederick Sody, un colaborador de Rutherford, les bautizó como isótopos; en griego, isos significa lo mismo y topos significa lugar, es decir, son los mismos elementos, ya que tienen el mismo número de protones pero tienen diferentes números de neutrones.” En el caso del hidrógeno, éste tiene RESUMEN EL NÚCLEO ATÓMICO • El núcleo en el centro del átomo es de dos mil a cinco mil veces más pesado que los electrones que le circundan • El 99,98 % de la materia en nuestro cosmos está concentrada en los núcleos atómicos • Como la materia es equivalente a la energía, casi toda la energía del universo está en los núcleos atómicos. un protón pero Harold C. Urey descubrió en 1932 que podía tener, además, uno o dos neutrones. Si tiene un neutrón se le conoce como 133 Capítulo 6 RESUMEN Los isótopos • Sody descubrió que había elementos que tenían las mismas características químicas pero cuya masa atómica era diferente • El hidrógeno tiene un protón pero puede tener uno o dos neutrones deuterio y si tiene dos neutrones como tritio. Ambos son isótopos del hidrógeno y forman parte del agua común pero en cantidades muy pequeñas, del orden de un centímetro cúbico por metro cúbico de agua. Para ciertos procesos industriales que veremos más adelante, se separa al agua formada por deuterio y tritio y se la conoce como agua pesada. “Las propiedades químicas están dadas por los electrones de la última órbita, pero los pesos atómicos están dados por la suma de protones y neutrones, de modo que estos isótopos tienen diferentes números de neutrones, lo que explica el por qué los pesos atómicos de los elementos no son múltiplos exactos de los pesos del hidrógeno.” El cloro por ejemplo, tiene dos isótopos de pesos • Si tiene un neutrón se le conoce como deuterio y si tiene dos neutrones como tritio. 35 y 37 lo que da un promedio de 35,5 según las cantidades que aparecen de cada isótopo en la naturaleza, tres de 35 y uno de 37. “Estos conocimientos permitieron a Francis William Aston desarrollar uno de los aparatos más prácticos y útiles para determinar la composición de las sustancias, el espectrógrafo de masas, que permite determinar con enorme exactitud la composición química de las sustancias, indicando la cantidad que existe de los distintos elementos separándolos por medio de su peso atómico.” La energía del núcleo Si se toma al carbono como patrón para calcular las masas atómicas de los elementos puros y se le asigna un valor de 12,0000 unidades ya que tiene seis protones y seis neutrones, entonces la masa del hidrógeno es de 1,0079, la del helio de 4,0026, el flúor de 18,9984 y el sodio de 22,9898. Ninguna de estas masas es exactamente un múltiplo entero de la masa del hidrógeno. Estas discrepancias sugieren que de alguna manera falta un poco de masa en los núcleos, como lo afirmaba Aston. “En el caso del helio se puede comprobar muy bien esta falta de masa, si sumamos las masas de dos núcleos de deuterio, cada uno con un protón y un neutrón, esta suma es mayor en un 3% de unidades de masa aproximadamente, que la masa de dos deuterios, que tienen los mismos dos protones y dos neutrones que tiene el helio.” ¿Cómo puede desaparecer esta masa? Figura No 6 - 5 Los protones y neutrones dek nucleo. Fuente:: http://www.biocrawler.com/w/images/d/d8/Atom_diagram.png ¿En qué se convirtió esta masa? Estas y otras preguntas similares se hacían los científicos hasta que Einstein apareció con su famosa fórmula que dice que “la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz; esta es probablemente la más importante equivalencia que el hombre ha calculado” como dice Papp. Ya que la masa es energía congelada y la energía es masa diluida, pero ahora debemos explicar la razón física para esta disminución de masa. Para que el núcleo formado por varios nucleones como los protones y neutrones, se mantenga unido, se requiere de una energía o fuerza que los mantenga unidos, especialmente en el caso de los protones ya que estos tienen cargas positivas y para que estas cargas estén juntas se requiere de una fuerza que se conoce como la nuclear fuerte. “El mantener estos protones y neutrones juntos significa que se requiere esta fuerza o energía nuclear, que sale de los aportes que cada partícula hace al ceder una pequeña fracción de su masa disminuída. Se ha calculado que para mantener a un protón y un neutrón en el núcleo del deuterio se requieren 2.2 millones de electrón-voltios; para mantener a dos protones y dos neutrones juntos en el núcleo de helio se requieren 28 millones de electrón-voltios.” 134 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Aston realizó un estudio detallado de estas energías de empaquetamiento que son necesarias para muchos elementos y encontró que a medida que se asciende desde el hidrógeno aumenta esta energía, hasta llegar al máximo con el hierro y el níquel, luego decrece la energía hasta llegar a los más pesados como el uranio. Esto significa que “si construimos elementos, empezando por los más livianos hasta llegar al hierro, se puede en el proceso liberar energía de la fuerza nuclear fuerte, esto es lo que sucede en las estrellas” al subir del hidrógeno al hierro. Cuando RESUMEN La energía del núcleo • Si sumamos las masas de dos núcleos de deuterio, es mayor en un 3% que el helio • Einstein demostró que E = mc2 esto quiere decir que ese 3% de diferencia de masa se convierte en la energía que mantiene al núcleo unido se reduce el peso atómico con la radiactividad al bajar del uranio al plomo, ya que salen partes del núcleo en forma departículas radioactivas, también se libera energía de la fuerza débil, que es mucho menor. • Aston estudió las energías de empaquetamiento de los núcleos y encontró que aumenta esta hasta llegar al hierro y el níquel, luego decrece hasta el uranio. Transmutaciones de elementos Uno de los más viejos sueños de los alquimistas era lograr la transmutación del plomo en oro, en esa época no se conocía la estructura interna del átomo, peor la del núcleo, de modo que nunca se pudo hacer estas transmutaciones. “Ahora sabemos que la naturaleza química de los elementos se define por los protones del núcleo. Desde tiempos de los alquimistas se sabe que es muy difícil cambiar la naturaleza química de los elementos, para esto se requiere de agentes muy poderosos que provoquen la transmutación de los elementos,” como dice Papp. Al saber que ciertos elementos radioactivos emitían partículas de alta energía cinética, se pensó que sería posible intentar las transmutaciones. El asistente de Rutherford, Ernest Marsden, observó que las partículas alfa de núcleos de helio que emitía un elemento, tenían la capacidad de recorrer una cierta distancia en un gas de hidrógeno. Pero a veces estas partículas chocaban con un núcleo de hidrógeno y éste recorría una distancia cuatro veces mayor. Parecía que la partícula alfa era Figura No. 6 - 6 La transmutación del agua Fuente: http://www.gnosticteachings.org/images/stories/bible/transmumucho más pesada que tation-of-water-into.png el protón del núcleo del RESUMEN hidrógeno y le cedía Transmutaciones de elementos toda su energía cinética, por eso podía recorrer cuatro veces la dis• Uno de los más viejos sueños tancia. de los alquimistas era lograr la transmutación del plomo en oro Entonces Rutherford, el gran experimentador bombardeó con partículas alfa un gas de nitrógeno y pudo observar que • Ciertos elementos radioactivos emiten partículas de alta energía del núcleo de éste se desprendía un protón, es decir, “se había producido la transmutación que durante miles de años los alquimistas habían buscado.” Al analizar los resultados se descubrió que la partí- cula alfa se incorporaba al núcleo del nitrógeno, pero un protón se desprendía y se separaba. De esta manera el nitrógeno se había convertido en un isótopo del oxígeno. “Cuando se conocieron estos resultados otros experimentadores trataron con buenos resultados de hacer nuevas transmutaciones y se lograron en una docena de casos resultados exitosos. Pero el rendimiento de estas transmutaciones era tan reducido que si durante toda la historia de la • Con estas se pensó que sería posible intentar las transmutaciones • Al bombardear con partículas alfa un gas de nitrógeno se pudo observar que se desprendía un protón, se había producido la transmutación y ese átomo de nitrógeno se convirtió en oxígeno. 135 Capítulo 6 RESUMEN LOS ELEMENTOS QUÍMICOS • Lavoisier dice: “el peso del compuesto en las reacciones es igual a la suma de los pesos de los componentes” y Tierra se hicieran estos experimentos, no se lograría más de unas milésimas de miligramo de oxígeno sintético sacado del nitrógeno.” (Papp, Pag. 287-293) LOS ELEMENTOS QUÍMICOS El gran sintetizador de los elementos fue el químico francés Antoine Laurent Lavoisier, quien probó que el aire es una mezcla de nitrógeno y oxígeno, que el agua era una combinación de hidrógeno y oxígeno, y que siempre que hay una combustión participa el oxígeno directamente. Sus famosos axiomas de que “el peso del compuesto en las reacciones, es igual a la suma de los pesos de los componentes y que los elementos siguen subsistiendo a través de todas las composiciones y descomposiciones,” son la base de la química. “los elementos siguen subsistiendo a través de todas las composiciones y descomposiciones” • Boyle había ya formulado el concepto de elemento, pero no había producido una lista de los elementos • Volta inventó la pila eléctrica, con lo cual nació la corriente eléctrica. Ésta permitió descomponer una serie de sustancias en sus elementos. Mucho antes que él, Boyle había ya formulado el concepto de elemento como vimos antes en este capítulo, pero no había producido una lista de los elementos. “Fue Lavoisier quien produjo una tabla de los primeros 33 elementos en 1789, la mayoría de los cuales hasta ahora son considerados como tales. Cuando llegó la revolución francesa fue enviado a la guillotina por un juez que dijo que la revolución no necesitaba de sabios.” (Papp Pag. 183-185) A principios del siglo XIX, Alessandro Volta continuó haciendo los experimentos iniciados por Galvani, quien notó que las piernas de una rana muerta se contraían cuando se le aplicaba una diferencia de potencial eléctrico, lo que ahora llamamos un voltaje. Volta encontró que no era necesaria la pierna de la rana, pues era suficiente con poner unos trapos mojados y dos metales para producir estos fenómenos eléctricos y de esta manera se logró la gran invención de la pila eléctrica. Este fue un hito “de inmensas consecuencias, ya que la electricidad dinámica hace su aparición,” como dice Papp. Volta con este descubrimiento amplía sus investigaciones a las combinaciones de sólidos y líquidos que se activan eléctricamente y mejora de esta manera el rendimiento de sus pilas. “Otros científicos aprovechan de este artilugio y se inician los trabajos de electrólisis que permiten descubrir nuevos elementos al descomponer una serie de compuestos como el agua, que se descompone en oxígeno e hidrógeno, dos gases que juntos forman un líquido.” (Papp, Pag. 203-204) La tabla periódica de elementos Desde la segunda década del siglo XIX, varios investigadores trataron de descubrir las interrelaciones que existían entre las propiedades físico-químicas de los elementos y sus pesos atómicos. “Estos trabajos culminan en 1869 cuando el alemán Lothar Meyer y el ruso Dimitri Mendeleiev, cada uno de ellos de forma independiente, plantearon la idea de representar los elementos en una tabla en forma de un conjunto de cuadrículas como un tablero de ajedrez. En las casillas de esta tabla se colocaban los elementos químicos en orden según sus pesos atómicos, situando los elementos que tienen propiedades químicas similares uno debajo de otro.” Esta tabla se conoce actualmente como tabla periódica de Mendeleiev, quien fue lo bastante sagaz como para reordenar los elementos en la tabla, y así garantizar que los elementos que presentaban propiedades químicas similares quedaban dispuestos en la misma columna de la tabla. “El paso más audaz de Mendeleiev fue incluir los 63 elementos que él conocía, pero dejando casillas en blanco para aquellos elementos no conocidos, previendo que en el futuro se descubrirían nuevos elementos que se ubicarían en dichos espacios. El descubrimiento de estos nuevos elementos que calzaron con las casillas dejadas en blanco, probó que este genial científico Mendeleiev, había confirmado la naturaleza atómica de la materia. Además, obtuvo una tabla de doble entrada que representa en las filas horizontales los llamados períodos que indican el número de órbitas que tienen los átmos y en las columnas verticales las familias de los elementos, es decir, aquellos que tienen similares propiedades químicas ya que la última órbita tiene el mismo número de electrones.” Esta tabla ha servido desde entonces para enseñar las propiedades químicas de los elementos. (Papp, Pag. 270) La razón por la cual esta tabla funciona es que está ordenada de tal manera que refleja la organización de las capas o niveles de energía de los electrones de los átomos. “Los elec136 Las Nuevas Ciencias del Cosmos trones que se ubican en la última capa son los que determinan las propiedades químicas de los átomos, ya que solamente éstos entran en contacto en las reacciones químicas.” Todos los electrones obedecen a una ley, llamada Principio de exclusión de Pauli que dice que: “no pueden haber dos electrones iguales que estén al mismo tiempo en una capa o nivel de energía.” Esto se Figura No. 6 - 7 La tabla periódica. Fuente:: http://www.jergym.hiedu.cz/~canovm/vyhledav/varianty/spain.gif parece a lo que sucede en un parqueadero, en que no es posible que dos carros estén al mismo tiempo en el mismo lugar. “Resulta que en el nivel o capa más bajo, sólo pueden haber dos electrones en este nivel, el uno con espín positivo en el sentido de las agujas del reloj y el otro con espín negativo, es decir, en sentido contrario a las agujas del reloj. El espín es como el giro alrededor de su eje que tiene la Tierra y que dura veinte y cuatro horas.” (Trefil, Pag. 189) LA ESTRUCTURA ATÓMICA Para poder descubrir los interiores del átomo fue necesario desarrollar aceleradores de partículas que podían inyectar grandes cantidades de energía cinética a los protones, neutrones, partículas alfa y otras más para que puedan chocar con los núcleos y descubrir de esta manera la estructura interna de los átomos. “Ernest RESUMEN Tabla periódica • Mendeleiev y Meyer desarrollaron la tabla periódica con los elementos agrupados según propiedades químicas similares Orlando Lawrence construyó en California una serie de aceleradores llamados número atómico según su posición en la tabla que coincide con el ciclotrones, el primero era muy pequeño, cabía en la palma de su mano, luego número de protones del núcleo construyó otros con imanes de doscientas cincuenta toneladas, que suministra• Va desde el número 1 del hidróban energías cada vez más poderosas. De modo que las partículas adquirían geno hasta el 92 para el uranio. velocidades de cerca de 40.000 km/s y eran capaces de entrar al aire y recorrer distancias de más de un metro y de fundir una gruesa plancha de acero. Los aceleradores actuales llegan a energías muchísimo mayores y están en construcción nuevos aparatos que son máquinas realmente superlativas.” • A cada elemento se le asigna un Estos proyectiles permitieron a los físicos desintegrar toda clase de núcleos y analizar las reacciones que producen las partículas ultrarrápidas que salen de los aceleradores. Las aplicaciones de estos aparatos no se limitan a las reacciones nucleares sino que se les usa en biología y medicina para la producción de isótopos radiactivos, que permiten rastrear ciertos procesos dentro del cuerpo humano. “Se descubrió además que en la zona del núcleo pueden existir ciertos niveles de energía similares a las de los electrones, previstos por George Gamow y probados experimentalmente por Chadwick, de modo que las partículas alfa del núcleo pasan de un nivel a otro y excitan rayos gamma de la misma manera que los electrones que saltan a los niveles inferiores de energía excitan fotones.” Había que descubrir los mecanismos para que el núcleo se mantenga unido a pesar de que los protones de igual carga se rechazan. Como las fuerzas eléctricas son inversamente proporcionales a la distancia, en las dimensiones del núcleo ató- 137 Capítulo 6 RESUMEN LA ESTRUCTURA ATÓMICA • Para descubrir el interior del átomo fue necesario usar aceleradores con grandes energías para acelerar partículas que choquen con los núcleos. • Estos proyectiles permitieron a los físicos desintegrar toda clase de núcleos y analizar las reacciones que producen las partículas ultrarrápidas que salen de los choques. mico estas fuerzas son la fuerza fuerte, que por las diminutas distancias entre los protones, son fuerzas enormes para mantener el núcleo unido. (Papp Pag. 300-301) Fotones Dice Trefil que “el modelo de átomo de Bohr no sólo que nos demuestra cómo los átomos emiten radiaciones electromagnéticas, sino también cómo absorben estas radiaciones.” Según este modelo, se emiten fotones de energía electromagnética cuando los electrones saltan de un nivel alto de energía a un nivel bajo. De la misma manera, un electrón que recibe energía asciende a un estado excitado superior. Este concepto de los fotones tiene que ver directamente con el dilema de la física cuántica ¿Son las radiaciones electromagnéticas ondas o partículas? Cuando vemos un foco encendido estamos viendo fotones que son emitidos por los electrones que saltan de los estados excitados superiores a los inferiores en el alambre del foco. El átomo de Bohr nos presenta un modelo que es adecuado para explicar cómo los átomos emiten radiaciones. “Cuando un electrón se • Se descubrió en el núcleo que existen niveles de energía similares a los de los electrones. • Que hacen que los protones salten de niveles y exciten la salida de rayos gamma de altísimas energías. mueve de una órbita permitida a otra, sucede otra de las más extrañas situaciones atómicas: el electrón desaparece en el trayecto, es decir, éste nunca aparece en un lugar entre las dos órbitas, esto se conoce como un salto cuántico. Si un electrón está en un estado excitado, puede regresar a su nivel primitivo dando un salto largo y emitiendo un sólo fotón con gran energía o dando dos pequeños saltos y emitiendo dos fotones con menor energía. En cada uno de estos saltos las energías emitidas pueden ser diferentes, pero la suma de éstas es igual a la energía del salto largo. Esta energía que excita a los RESUMEN electrones también se produce al calentar el material y esto explica por qué los Fotones materiales cambian de color y producen radiaciones cuando son calentados.” • Cada vez que un electrón salta de un estado superior a un nivel inferior de energía, salen paquetes de radiaciones electromagnéticas que se les llama fotones (Trefil, Pag. 180-182) Líneas espectrales En 1815, el alemán Joseph von Fraunhofer, un maestro en instrumentos ópticos, mejoró notablemente un aparato parecido a un microscopio, para mirar la luz que pasa por un prisma y que divide a la luz blanca en los diferentes colores del arco iris. Con este instrumento de gran precisión “hizo un descubrimiento muy importante, que no sólo había bellísimos colores, sino unas líneas extrañas, fantasmales a distancias irregulares intercaladas entre los colores de la luz que pasaba por el prisma.” Frauenhofer observó la llama de muchos materiales y midió • El átomo de Bohr es un modelo adecuado para explicar las radiaciones, cuando un electrón salta, desaparece en el trayecto; esto es un salto cuántico • En cada uno de estos saltos emite fotones, esto explica por qué los materiales cambian de color y producen iluminaciones cuando son calentados. más de quinientas de estas líneas. La pregunta que todos se hacían es ¿qué son estas líneas? En 1859 el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff aclaró este misterio al establecer las relaciones que estas líneas tienen con los distintos elementos. Al observar estas líneas se dio cuenta de que “cada elemento tiene un patrón propio de líneas, que son como las huellas digitales” de cada elemento. Es asombrosa la sorpresa que tuvieron filósofos y astrónomos como Comte, cuando supieron que las radiaciones del Sol y de otras estrellas a través de un prisma y un espectroscopio permitían detectar los elementos de los cuales éstas están formadas; especialmente en el caso del contenido del hidrógeno y del helio. De esta manera se comprobó nuevamente la teoría de Copérnico de que somos una parte insignificante de este maravilloso y elegante Universo, lleno de todos estos enigmas que vamos resolviendo poco a poco. Pero cuando Fraunhofer miró a las líneas del Sol, descubrió unas líneas oscuras, que no correspondían directamente con las otras que se habían observado antes. Entonces se descubrió que “estas nuevas líneas se debían a que el centro del Sol emite luz de todas las frecuencias, es decir luz blanca, que cuando pasa por las capas superiores más frías del Sol es absorbida por los gases de estas capas superiores, de modo que estas líne- 138 Las Nuevas Ciencias del Cosmos as de Fraunhofer son de absorción, las primeras de Kirchhoff son de emisión.” (Lederman Pag. 144-146) Como hemos visto, existen dos procesos: el de emisión y el de absorción de energía por los electrones, que involucra saltos cuánticos entre distintos niveles; por lo que si una llama calienta una cuchara que contiene sodio, la llama se vuelve amarilla, si el material es potasio, la llama es azul y si el material es litio, la llama es roja. Siempre que un material es calentado o cuando se le excita con energía eléctrica Figura No. 6 - 8 Líneas espectrales como en un foco, muchos de sus elecFuente:: http://www.geocities.com/acarvajaltt/images/temas/absorcion_emision.gif trones absorben energía y saltan a niveles superiores de excitación y cuando estos electrones bajan a los niveles inferiores, emiten radiaciones electromagnéticas como la luz visible. “Como la energía y la frecuencia de los fotones en estas emisiones dependen de las diferencias de energía entre los niveles de los saltos cuánticos, cada elemento emite un conjunto de frecuencias específicas propias, como si fueran las huellas dactilares de los elementos del universo. La distribución de las intensidades de las radiaciones que emiten los distintos elementos constituyen el espectro de ese elemento” (Ver Fig. 6 - 6). Este espec- tro contiene las líneas o rayas específicas que identifican a cada elemento. De esta manera nació la espectroscopia que resulta extremadamente útil en todas las ramas de la ciencia, pero especialmente en la astronomía ya que como vimos, nos permite determinar la composición química de estrellas distantes, del polvo interestelar y de la atmósfera de los planetas. El análisis espectroscópico también se usa para determinar las impurezas en los materiales y para identificar materiales desconocidos en la espectrometría de masas. (Trefil, Pag. 183-185) Para explicar las líneas espectrales Bohr dice que “las radiaciones de los electrones ocurren cuando éstos saltan de un nivel de energía a otro y que la energía que adquieren los fotones es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles, de modo que el espectro de absorción se produce cuando el electrón pasa de un nivel inferior a uno superior y el de emisión cuando el electrón pasa de un nivel superior a uno inferior. El modelo de átomo de Bohr permite calcular las longitudes de onda de estos espectros de una manera muy práctica y sencilla; de esta manera se probó que este modelo es mucho más cercano a la realidad de RESUMEN los átomos que el modelo planetario de Rutherford.” (Lederman, Pag. 158- 159) Líneas espectrales LA ENERGÍA ATÓMICA En 1905, Albert Einstein describe la ahora más famosa ecuación de la física que relaciona la masa y la energía: E = mc2. Dicha ecuación afirma que una cantidad de energía (E) es igual a una masa determinada (m) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c2), que es una cantidad enorme, astronómica, (9 x 1016 ) de joules de energía. “Como más del 99% de la masa del átomo reside en su núcleo, las enormes cantidades de energía atómica deben provenir de los procesos en que el núcleo del átomo se parte y de esta manera se libera la fuerza nuclear fuerte, la más potente de todas en el universo. La teoría suena muy fácil, pero en la práctica fue uno de los proyectos de investigación y desarrollo más complicados y costosos del siglo XX.” • Fraunhofer con una especie de microscopio y un prisma encontró unas líneas extrañas • Kirchhoff descubrió el misterio al establecer las relaciones de estas líneas con los distintos elementos • Existen dos procesos: de emisión y absorción de energía por los electrones que involucra saltos cuánticos entre distintos niveles El modelo de Bohr • Para explicar las líneas espectrales Niels Bohr dice que: el espectro de absorción se produce cuando el electrón pasa de un nivel inferior a uno superior. El de emisión cuando el electrón pasa de un nivel superior a uno inferior. 139 Capítulo 6 Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia práctica para generar enormes cantidades de energía atómica, la fisión nuclear (Ver Fig. 6 - 7) que es partir un núcleo pesado en núcleos • En 1905, Albert Einstein descubrió la más famosa ecuación de la más ligeros y al mismo tiempo liberar energía y la fusión termofísica, que relaciona la masa y la nuclear, la unión de dos núcleos ligeros a temperaturas extremaenergía, E = mc , que luego sería conocida como parte de la relatidamente altas, como las del centro del Sol y las estrellas, para forvidad especial mar un núcleo más pesado. • Hay dos procesos nucleares que Para realizar la fisión, lo primero que había que hacer era encontienen gran importancia práctica trar átomos fáciles de partir con neutrones y muy pronto se encontró para generar energía atómica. que el uranio era el mejor candidato. Este aparece en dos versioLa fisión, que es partir un núcleo nes como dos isótopos, el 238 (con 92 protones y 146 neutrones) pesado en núcleos más ligeros y al mismo tiempo liberar energía y el 235 (con 92 protones y 143 neutrones). El 238 es el más común (99.3%) en los yacimientos y minas, pero es muy difícil de partir. El Y la fusión que es la unión de dos núcleos ligeros a temperaturas que sirve para producir la fisión es el 235, del cual sólo hay un extremadamente altas 0,7% en la naturaleza y es el que hay que usar para todos los pro• Para realizar la fisión, lo primero cesos de extracción de energía, tanto para los reactores que produque había que hacer era enconcen energía trar el átomo más fácil de romper con neutrones y este fue el de como para las uranio. bombas atómicas. El uranio RESUMEN fue descubierLA BOMBA ATÓMICA to en 1750 • Los científicos se preguntaban como parte de cómo podría originarse del uranio la pechblenda, con un peso atómico de 238, una sustancia tan ligera como el bario un mineral que con un peso de 137 al principio se • La respuesta a este enigma la creyó que se dio Lise Meitner: éste es un protrataba del ceso de desintegración del núcleo y que era posible dividir el núcleo Tungsteno, atómico hasta que • Cuando el uranio se desintegra Klaproth las fuerzas nucleares se liberan y demostró que aparece una enorme energía doce veces mayor que la radioactividad era un nuevo natural. metal que recibió el nombre de uranio en honor del planeta Urano recientemente descubierto. Este metal se empleó durante mucho tiempo como aleación para el acero y como materia colorante por la industria química. LA ENERGÍA ATÓMICA 2 RESUMEN “Todos estos desarrollos se inician en 1932 cuando como vimos antes, Chadwick descubre al neutrón. Luego, el físico italiano Enrico Fermi logró realizar la fisión en 1934, pero esta reacción no se reconoció como tal hasta 1939, cuando los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann anunciaron que habían fisionado núcleos de uranio bombardeándolos con neutrones. Esta reacción libera a su vez neutrones, con los que se puede iniciar una reacción en cadena con otros núcleos.” En la explosión de una bomba atómica se Figura No. 6 - 9 Energía atómica Fuente:: http://www.animatedsoftware.com/hotwords/atomic_energy/1938atomic_energy.gif 140 Las Nuevas Ciencias del Cosmos produce una reacción en cadena incontrolada, para lo que se requiere un U 238 enriquecido con por lo menos un 20% de U 235 . Para las reacciones controladas en los reactores para producir calor y generar así vapor y energía eléctrica, se usa un U238 enriquecido con solamente un 3% del U235 , de modo que no es posible que exploten como las bombas atómicas. (Kaku, Pag. 15-17) Reacciones en cadena RESUMEN • Cuando Bohr llegó a Princeton se encontró con un telegrama de Lise Meitner, que confirmaba que el átomo de uranio podía ser desintegrado LA BOMBA ATÓMICA Gran parte de la investigación preliminar para descubrir la fisión se inició antes de la segunda guerra mundial en la Alemania nazi. Cuando Hitler invadió la región de los Sudetes en Checoslovaquia, tomó posesión de los mayores yacimientos de uranio y radio de Sankt Joachimstahl. En esa misma época en París, en el Instituto de Investigación del Radio, se había encontrado una sustancia mediante el bombardeo del núcleo del uranio con neutrones intensamente frenados, pero esta nueva sustancia era un verdadero enigma. “El profesor Otto Hahn de Berlín presumió que esta sustancia era una mezcla de diversos productos de bario o radio, pero los resultados de nuevos experimentos llevaron al descubrimiento de que no se trataba de radio, sino sólo de bario. Los científicos de esa época se preguntaban cómo podría originarse del uranio con un peso atómico de 238, una sustancia tan ligera como el bario con un peso de 137.” Se repitieron los ensayos y entonces se encontraron indicios de otras sustancias. “La respuesta a este enigma la dió la profesora austríaca Lise Meitner, que ejercía la docencia en esa época en Berlín al manifestar que este proceso no tenía nada que ver con la transmutación del átomo como vimos antes, sino más bien con la destrucción del átomo;” o sea, era un proce- • Se había descubierto un fuente inmensa de energía que podía convertirse en un material explosivo generando veinte millones de veces más energía que la dinamita. Los reactores nucleares • Para lograr que las reacciones no sean explosivas, había que frenar a los neutrones y lograr que la reacción sea lenta y controlable • Esto se consiguió pulverizando el uranio y mezclándole con materiales que tenían las condiciones para desacelerar los neutrones como la parafina y el agua pesada • Los reactores nucleares utilizan uranio enriquecido al 3% y no es posible que se produzca una explosión atómica • Las reacciones pueden ser controladas para transformar energía de la masa en energía cinética de los átomos so de desintegración del núcleo. Se probó que mediante bombardeos con neutrones era posible dividir el núcleo atómico y de los fragmentos se originaban otros elementos de menor peso atómico; “Otto Hahn y Fritz • El corazón de una planta nuclear es el reactor, que consiste de una masa de 100 toneladas de Uranio en columnas de tres metros de largo • Para sacar las enormes cantidades de energía térmica que produce el reactor se utiliza agua que es inyectada a presión en los intercambiadores de calor • Este agua a presión con el calor se convierte en vapor a muy altas temperaturas, que se inyecta en las turbinas de vapor Figura No. 6 - 10 Bomba atómica Fuente: http://www.breadonthewaters.com/add/0888_nuclear_explosion_large_clipart.jpg Strassman se dedicaron a trabajar para comprender el proceso de la desintegración del Uranio, llamado fisión nuclear. Estos físicos descubrieron que el momento que el núcleo de Uranio se desintegra, se originan una serie de neutrones y de sustancias diversas con fuertes cargas positivas. Las fuerzas nucleares fuertes que mantenían las masas de protones dentro del núcleo dejan de existir y se libera una enorme energía, doce veces mayor que en sustancias de radioactividad natural.” Hahn y A.I. Virtanen recibieron • Éstas mueven a gran velocidad a los generadores que por medio de la inducción eléctrica transforman la energía cinética en energía electromagnética. 141 Capítulo 6 el premio Nobel de química en 1945 por estos descubrimientos. Reacciones en cadena “El 16 de enero de 1939 cuando Bohr llegó a Princeton, se encontró con un telegrama de Lise Meitner y del doctor Frisch, su sobrino y colaborador. Ambos habían realizado una serie de experimentos en Copenhague y pudieron confirmar que el átomo de uranio podía ser desintegrado; esto significaba que se había descubierto una fuente inmensa de energía que podía convertirse en un material explosivo generando veinte millones de veces más energía que la dinamita. Leo Szilard, que reconoció claramente el potencial militar que tendrían las bombas de fisión y temiendo que la Alemania nazi sea la primera en desarrollarlas, junto con otros dos científicos húngaros, Teller y Wiegner, pidieron a Einstein que firme una carta dirigida al presidente Roosevelt para iniciar un programa de investigación y de desarrollo de armas atómicas.” Esta carta dio inicio al proyecto ultra-secreto llamado Manhattan, que en 1945 detonó las primeras bombas atómicas en Estados Unidos y Japón. Para separar al uranio, hay que construir instalaciones muy sofisticadas, grandes y costosas para obtener por lo menos un 20% de uranio 235, enriqueciendo la mezcla de tal manera que sea fisionable. El segundo problema era que se necesitaba una cantidad mínima de uranio 235 para que se inicie la reacción en cadena explosiva; esta cantidad se conoce como la masa crítica y es de alrededor de unos 15 kilos. “El diseño de una bomba atómica es extremadamente simple, se requiere de dos pedazos de uranio 235, cada uno menor que la masa crítica, en que uno de los pedazos es acelerado contra el otro por medio de explosivos. Cuando los pedazos chocan, se forma la masa crítica y se inician las reacciones de fisión nuclear que producen la explosión atómica.” También se puede hacer una bomba usando plutonio 238, que es un elemento hecho artificialmente por el hombre. Debido a ciertas complicaciones técnicas, la masa crítica del plutonio debe armarse mucho más rápido que con el uranio 235, por esto se usa una esfera que contiene plutonio en cantidades menores a la masa crítica, rodeada de explosivos. Cuando las cargas explotan, se produce una implosión que aumenta la densidad del plutonio a valores supercríticos, causando la reacción en cadena explosiva. La primera bomba que explotó en Nuevo México era de plutonio, la de Hiroshima era de uranio. (Kaku Pag. 15-17) Los reactores nucleares “Para lograr que las reacciones en cadena sean controlables, hay que frenar los neutrones para reducir su energía cinética. Esto se consiguió pulverizando el uranio y mezclándole con materiales que tenían las condiciones para desacelerar los neutrones como la parafina y el agua pesada, que habían mostrado ser adecuados para este propósito. El agua pesada se obtiene al separar las moléculas más pesadas de agua que contienen a los isótopos pesados de hidrógeno, el deuterio y el tritio que ya conocimos antes. También se consiguió frenar muchísimo la reacción en cadena con el cadmio que resultó mejor que la parafina.” Los reactores nucleares utilizan uranio enriquecido al 3% de modo que no es posible una explosión atómica. Los controles del reactor permiten que las reacciones puedan ser muy lentas para transformar energía de la masa en energía cinética de los átomos. El corazón de una planta nuclear es el reactor, que consiste de una masa de 100 toneladas de uranio en columnas de tres metros de largo. Entre las columnas de uranio se intercalan las barras de control que son compuestos de cadmio o boro que permiten frenar las reacciones dependiendo de cuanto se metan estas barras dentro del reactor. Si se produce cualquier problema serio, las barras de control entran automáticamente dentro de las columnas de uranio parando las reacciones. Para sacar las enormes cantidades de energía térmica que produce el reactor, se utiliza agua, que es inyectada a presión en los intercambiadores de calor, de modo que las radiaciones que existen en el interior del reactor no salen al exterior. Con el calor, el agua a presión se convierte en vapor a muy altas temperaturas, que se inyecta en las turbinas moviendo a gran velocidad a los generadores, los cuales por medio de la inducción transforman la energía cinética en energía electromagnética. 142 Las Nuevas Ciencias del Cosmos Figura No. 6 - 11 Reacción en cadena del uranioo. Fuente: http://www.portierramaryaire.com/imagenes/reaccion.jpg Figura No. 6 - 12 Reactor nuclearr Fuente: http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/images/bwr.jpg 143 Capítulo 6 Bibliografía DICCIONARIO ESENCIALDE LAS CIENCIAS. Real Academia de las Ciencias Exactas, Físicas y naturales. Espasa, Madrid, 2001 KAKU MICHIO, JENNIFER TRAINER. Nuclear Power: Both Sides. W. W. Norton & Company. New York 1983 LEDERMAN LEON, TERESI DICK. The God Particle, If the Universe is the Answer, What is the Question? Boston, Houghton Mifflin Company. 1993 PAPPDESIDERIO. Historia de las Ciencias, desde la antiguiedad hasta nuestros di?as. Editorial Andres Bello. 1996. TREFILJAMES, HANZEN ROBERTM. The Sciences, An Integrated Approach, New York, John Wiley & Sons, Inc. 2001. PREGUNTAS DE REPASO Introducción 1. ¿Cuál era la concepción de Leucipo y Demócrito sobre la materia? 2. ¿En qué se basaba Dalton para plantear la existencia de átomos? 3. ¿Cuál era la concepción de Boyle sobre los átomos? La Teoría Atómica Moderna 4. ¿Cuál era el planteamiento de Avogradro sobre los gases? 5. ¿Cómo descubrió J. J.Thomson el electrón? 6. ¿Cuál fue la hipótesis de Rutherford y Soddy sobre la radiactividad? 7. ¿Qué tipos de radiaciones fueron descubiertas por los esposos Curie en la degradación radiactiva y cuál era respectivamente su naturaleza? 8. ¿En qué consistió el experimento de Rutherford para estudiar el interior del átomo y cuál fue la conclusión obtenida? 9. ¿Cuál fue la contribución más conocida de Chadwick para la Teoría Atómica? 10. ¿Cuál fue el problema detectado en el modelo atómico de Rutherford desde el punto de vista de las Leyes de Maxwell? 11. ¿Cuál fue la principal contribución de Max Planck a la Física moderna? 12. ¿En qué consistió el planteamiento de Bohr en relación con los fotones? 13. ¿En que consistió el planteamiento de Luis de Broglie sobre los electrones? El núcleo atómico 14. ¿Cuál es la importancia de los electrones en nuestras actividades cotidianas? 15. ¿Qué son los isótopos? 16. ¿Por qué razón la masa atómica de los diferentes elementos no se expresa como un número entero? 17. ¿En qué consiste la fuerza nuclear fuerte? 18. ¿Cómo varía la denominada “energía de empaquetamiento”? 19. ¿En qué consistió la “transmutación atómica” lograda por Marsden? Los elementos químicos 20. ¿Cuál es la estructura básica de la Tabla de Mendeleiev? 21. ¿En qué consiste el principio de exclusión de Pauli? La estructura atómica 22. ¿En qué consisten básicamente los aceleradores de partículas y cuál es su propósito? 23. ¿En qué consiste la emisión y absorción de fotones? 24. ¿Qué son las líneas espectrales? 25. ¿Por qué la espectrografía del Sol no mostraba la presencia de los gases que lo componen? La energía atómica 26. ¿En que consisten, básicamente, la fusión nuclear y la fisión nuclear? 27. ¿Cuál es la razón de que en la generación de energía el U238 se enriquece en un 3% con U235, y en cambio para la bomba atómica se usa un porcentaje mayor que el 3% de U235? 28. ¿Cómo es posible dividir el núcleo atómico y cuáles son los resultados? PREGUNTAS DE REFLEXION 1. El famoso físico Richard Feynman dijo que la frase más impotante que deberíamos dejar a los sobrevivientes de una catástrofe sería que “todas las cosas están hechas de átomos” ¿Por qué ésta y no otras teorías importantísimas, como la mecánica, la gravedad y otras, no serían más relevante para las generaciones posteriores? 2. Robert Boyle fue la primera persona en establecer el concepto de elemento y en distinguir entre mezcla y combinación. Explica cada uno de estos conceptos. 3. Avogadro propuso que a la misma presión y temperatura, dos gases diferentes que ocupan el mismo volumen debían tener el mismo número de moléculas. ¿Cómo se explica que moléculas de dos gases, que tienen distintos tamaños, puedan ocupar el mismo volumen? 4. El espectrógrafo de masas es un instrumento muy útil que permite determinar la composición química de sustancias basado en los distintos pesos atómicos de sus componentes. Explica cómo puede este aparato realizar este tipo de cuantificación. 5. Explica como dos procesos distintos como la formación de hierro por fusión atómica sucesiva a partir del hidrógeno y la descomposición del uranio hasta llegar al plomo pueden producir enormes cantidades de energía. 6. Ahora se sabe que la idea de los alquimistas de lograr transmutaciones de elementos químicos es posible, si se bombardea partículas alfa a por ejemplo el gas de nitrógeno, de lo que se puede obtener isótopos del oxígeno; sin embargo, el rendimiento de estos procesos es tan bajo que el sueño de convertir plomo en oro resultaría económicamente imposible. ¿A qué crees que se debe el bajísimo rendimiento observado? 7. Joseph von Fraunhofer fue el primero en observar unas líneas extrañas, que ahora conocemos como líneas espectrales, cuyo patrón era distinto para cada elemento. Explica la razón de la existencia de las mismas y por qué se diferencian entre los distintos elementos. 8. En este capítulo aprendimos que para construir una bomba atómica se utiliza uranio U238 enriquecido con al menos 20% de U235. Para producir energía atómica, se utiliza U238 enriquecido con solamente un 3% de U235, lo cual evita que pueda explotar. ¿A qué se debe esto? 9. Sabemos que en una planta nuclear de generación de energía eléctrica, se convierte la energía de la masa del uranio en energía térmica. ¿Cómo podemos a partir de esto, obtener la energía eléctrica que necesitamos? 10. La tabla periódica es hasta hoy en día muy útil para agrupar elementos según características químicas similares. Si por ejemplo, supieras que el flúor es un elemento muy reactivo que se combina fácilmente con otros elementos ¿Qué otros elementos esperarías que fuesen igualmente reactivos? ¿Por qué? 144 Las Nuevas Ciencias del Cosmos