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TEMA 5: Nuevas conjeturas acerca del cosmos: Los postulados relativistas. Universo estacionario y creacionistas. Hipótesis del Big Bang. Modelo inflacionario. El principio antrópico
Galileo había señalado la equivalencia entre los estados de reposo y movimiento rectilíneo uniforme. Newton perfiló aún más este concepto, mostrando las leyes mecánicas que lo rigen, y añadió la noción física de inercia, sustentada en un espacio y tiempo absolutos. Siglos después, Einstein comprobó experimentalmente que la velocidad de la luz (la máxima hasta ahora conocida) en el espacio vacío respecto a un observador, es indiferente al estado de movimiento de ese observador: sea cual sea la velocidad que éste lleve, o si permanece en reposo, la velocidad de la luz es constante. En esto consistía el segundo postulado de la Teoría de la Relatividad Especial o Restringida (el primero hacía referencia a la cualidad ondulatoria del fenómeno luminoso); Einstein pudo enunciarlo (Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento,1905) apoyándose en el experimento de Michelson-Morley, mediante el cual se demostraba que el éter no existe. En realidad, el segundo postulado se atribuye, hipotéticamente, a cualquier objeto que viaje en línea recta a velocidades uniformes próximas a la mencionada. El espacio y el tiempo dejan de ser absolutos y se subordinan al sistema inercial de referencia; por esta razón, el primero se dilata y el segundo se contrae dependiendo de las mediciones realizadas y no de las causas físicas que los provocan. Minkowski matematizó esta idea en 1908, acuñando para ella el término espacio-tiempo, marco geométrico de cuatro dimensiones en el que suceden todos estos fenómenos. El cuerpo en movimiento uniforme incrementa su masa cuando su velocidad está muy próxima a la de la luz, obedeciendo así a la ecuación

En 1915 Einstein intentó describir la dinámica de los movimientos estelares, hasta entonces interpretados mediante la ley de la gravitación universal; buscaba una explicación del fenómeno gravitatorio y su causa, algo que Newton había soslayado en los Principia. Einstein formuló la Teoría de la Relatividad General para responder a estas cuestiones, observando que la inercia y la gravitación son sucesos indistinguibles; es decir, producen efectos idénticos: la aceleración de un objeto que cae es la misma que la atracción que la gravedad ejerce sobre él; por tanto, ambos efectos se anulan (sólo hasta el momento del impacto en el suelo) creando la sensación de ingravidez. Dedujo así la equivalencia entre masa inercial y masa gravitatoria.

El universo que Einstein descubre se cierra y se curva sobre sí mismo a causa de la atracción gravitatoria; es ilimitado y finito; uniforme, isótropo y estático, aunque las ecuaciones de la relatividad general predicen su constante expansión. La luz tampoco escapa a la acción de esta fuerza que desvía y atrapa la materia.

Las geometrías no euclídeas crearon nuevas formas para el espacio; la curvatura del mismo se abriría en hipérbolas o se doblaría originando parábolas, círculos y elipses; postularon otras estructuras distintas, quizá inverosímiles, para explicar las posibles trayectorias de los cuerpos celestes, ahora inconmensurables en número y en magnitud. Los límites del universo se alejan a velocidades vertiginosas y los astrofísicos se preguntan cómo surgió este mundo nuestro y hacia dónde vamos, porque gracias a Edwin Hubble (1889-1953) y el Efecto Doppler (1803-1853)12 sabemos que las galaxias se están distanciando progresivamente; el universo evoluciona y sufre cambios. La hipótesis de Georges Édouard Lemaître (1894-1966) cobra fuerza: un átomo inicial, de tamaño 30 veces mayor que el Sol, estallaría fragmentándose en una cantidad indeterminada de partículas; esto motivaría el aumento de volumen y el inevitable crecimiento del espacio. Junto a esta hipótesis, Edward Milne (1896-1950) enunció en 1933 el Principio Cosmológico según el cual el universo es completamente homogéneo13. Alexander Friedmann postuló en 1922 una teoría similar a la de Lemaître, pero cinco años antes que éste; su punto de partida fueron las ecuaciones de Einstein.

Se han formulado tres clases distintas de modelos cosmológicos, según el final que anunciemos para nuestro universo. El más aceptado es el del Big Bang o Gran Explosión, propuesto por George Gamow (1904-1968); derivado de este estadio inicial, el universo abierto sería aquél que se expande ilimitadamente; el universo cerrado es el que detiene su dispersión e invierte el sentido de su movimiento hasta llegar a colapsar (Big Crunch); y el universo plano es el que alcanza un estado de equilibrio, debido a que la velocidad de expansión disminuye lentamente. La imagen que el hombre de hoy tiene del universo es completamente distinta a la concebida en el período clásico. Ilya Prigonine nos habla del fin de las certidumbres o período evolucionista de la ciencia, mientras muchos de los mayores científicos actuales se preguntan acerca de su futuro: ¿poseemos todos los conocimientos esenciales del mundo físico y material? ¿Es únicamente la tecnología la que seguirá progresando apoyándose en las leyes científicas descubiertas? ¿Qué clase de máquinas seremos capaces de construir?

No todos los astrofísicos defendieron la hipótesis del Big Bang. En 1946 Fred Hoyle, Hermann Bondi y Thomas Gold aplicaron el Principio Cosmológico al tiempo, creando la Teoría del Estado Estacionario; el universo no sufriría cambios importantes, sería idéntico desde la eternidad; aunque si se está expandiendo, necesita aportar (crear) materia periódicamente; aproximadamente 1 átomo de hidrógeno por litro cada 5. 1011 años. ¡Casi nada! En realidad, esta tesis contradice el Principio de la Conservación de la Energía.

La conjetura del Big Bang entraña la existencia de radiación de fondo, efecto provocado por esa explosión inicial y vestigio de la misma; en 1965 Penzias y Wilson la descubrieron, constatando que se distribuía de modo uniforme por el cosmos. Weinberg ha conseguido explicar el origen del universo y su posterior desarrollo pero sólo en el primer centésimo de segundo (Los tres primeros minutos del universo). Por otra parte, Roger Penrose dedujo (que no verificó) en 1965 la existencia de los llamados agujeros negros, masas de fuerza gravitatoria tan potente que lograrían absorber toda la luz emitida por ellas mismas. La teoría del Big Bang reclama un instante inicial de masa puntual y energía infinita; a partir, de ahí sucedería una expansión rapidísima. ¿Hasta dónde y hasta cuándo? ¿Se invertiría el proceso cuando las fuerzas atractivas debilitaran a las que provocan el distanciamiento progresivo de la materia? ¿Ocurriría entonces el llamado Big Crunch o fenómeno simétrico de la explosión primigenia? El Punto Omega señala el fin del tiempo: el universo se encoge; las galaxias comienzan a solaparse (los científicos calculan que un año antes, aproximadamente, del gran colapso); la radiación de fondo aumenta tanto su temperatura que las estrellas se disuelven y entremezclan con ella. Cuando sólo falta una hora para alcanzar dicho instante, los agujeros negros también se fusionan; pero la fuerza gravitatoria emitida por estos precipita el proceso vertiginosamente; quizá, una vez concentrado todo el universo en ese Punto Omega de infinita densidad, estalle de nuevo y evolucione hacia otro Big Bang como el que dio origen a nuestro universo. Y quizá ese proceso se desarrolle indefinidamente, oscilando entre explosiones y colapsos. La hipótesis del Punto Omega es de momento una construcción científica sobre el futuro del universo físico que aún no se ha confirmado con los hechos.

La Tesis inflacionaria de Alan Guth, Andrei Linde y Paul Steinhardt aclara un poco por qué la densidad del universo se aproxima a su valor crítico, capaz de detener la expansión14, y por qué el mundo es homogéneo a gran escala y no lo es si tomamos un entorno pequeño.

Todas estas especulaciones conducen a otras mucho más difíciles de abordar:

¿Es nuestro universo la consecuencia necesaria de un momento inicial específico? O, por el contrario, ¿es el resultado del azar? ¿Es un ente creado? ¿Existen más universos como el nuestro? ¿Por qué ha aparecido el hombre? Frank Tipler y John Barrow han respondido de modo singular a estas cuestiones, enunciando el Principio Antrópico: Todo en el universo se ha configurado de manera única para dar lugar a la aparición del género humano. Se han necesitado miles de millones de años para que este proceso concluyera, y miles de millones de años luz ha sido el tamaño adquirido por nuestro universo en ese tiempo. Brandon Carter distinguió, a partir de 1974, entre Principio Antrópico Fuerte y Principio Antrópico Débil. El primero postula que el universo debe contener las propiedades que generan la vida en un momento o en otro, abriéndose camino, en última instancia, hacia la racionalidad. El segundo, advierte que las leyes físicas no son las mismas para todos los universos posibles; surgiendo entonces la vida como un suceso condicionado por selecciones precedentes. Lee Smolin argumenta que nuestro mundo es el resultado de la evolución de universos anteriores; en esta interpretación, el azar toma una posición privilegiada. La hipótesis fuerte, por el contrario, se aproxima al discurso creacionista que defiende la existencia de Dios: todo en el universo está diseñado conforme a un plan.

En última instancia, Tipler afirma que el universo tiende a transformarse en un único ordenador todopoderoso y omnisciente. En su opinión, el Punto Omega podría emular a seres humanos mediante la simulación de todos los estados cuánticos que corresponden a una persona; pero antes, es necesario conocer la estructura del genoma humano. Las tesis de Tipler son profundamente cautivadoras.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA:
ARANA; Juan: Materia, Universo, Vida. Tecnos, Madrid, 2001

GRIBBIN, John D.:

  • Historia de la ciencia, 1543-2001. Crítica, Barcelona, 2003

  • Diccionario del cosmos. Crítica, Barcelona, 1997

  • El punto omega. Alianza, Madrid

HORGAN, John: El fin de la ciencia. Paidós, Barcelona, 1998

STIOPIN, V. S. : El saber teórico (cap. VII). UNED, Madrid, 2004

TIPLER, Frank J.: La física de la inmortalidad. Alianza, Madrid, 1996

TEMA 6: La composición interna de la materia: Químicos y alquimistas. El corpuscularismo de Robert Boyle
Los hombres aprendieron a manejar el fuego y observaron también su efecto devastador. Extrajeron el metal de la piedra tras introducirla en el horno y fabricaron hermosos utensilios de arcilla. De alfareros y fundidores aprendieron los alquimistas el drama de la materia: su destrucción, muerte y resurgimiento en otra cosa. Conocimientos accesibles a unos pocos y ocultos celosamente tras un lenguaje críptico y simbólico. Para los egipcios, hábiles en el arte de la Khemeia o del embalsamado de los cuerpos, son siete los metales conocidos y siete también las estrellas errantes. Les gustó relacionarlos: a la Luna le correspondió la plata y el oro al Sol; mercurio para el planeta que lleva su nombre; cobre unido a Venus; Marte, el dios de la guerra, con el hierro, naturalmente; el estaño se lo llevó Júpiter y el plomo fue para Saturno. La manipulación de la materia se une y confunde con el mito.

Bolos de Mendes o el falso Demócrito inició, en el siglo II antes de nuestra era, la etapa filosófica de la khemeia. Escribió la Physika kai Mystika, de la cual tenemos referencia por Zosimo (s. III d. C.) y en la que se indica una aleación de cobre y zinc (latón) de un magnífico brillo semejante al oro. Las cualidades de este metal le confirieron cierto carácter mágico y apetecible, de ahí la multitud de charlatanes y embaucadores que se autoproclamaban depositarios del secreto y estafaban sin ningún remordimiento a acomodados personajes rurales. Zosimo recopiló en 28 volúmenes la casi totalidad de los conocimientos acumulados hasta entonces acerca del manejo de las sustancias. Sin embargo, el emperador Diocleciano mandó destruirlos temiendo que algunos lectores sagaces pudieran aprender cómo transformar la piedra en oro.

Misterio e iniciación se confunden con el lento aprendizaje que se obtiene de la materia. Los árabes pretendieron transmutarla y denominaron al-kimiya a ese arte primitivo cuya práctica había decaído notablemente en la Baja Edad Media. El fuego actúa sobre la sustancia y logra que supere cuatro grados: Melangis, Leukosis, Xanthosis e Iosis. La primera fase o nigredo simboliza la muerte al adquirir el cuerpo un intenso color negro. Los nuevos alquimistas proyectan sobre la materia su propia iniciación al sufrimiento; éste parece indispensable en la consecución de su estadio final místico. La búsqueda del oro simboliza su ferviente deseo de trascender la muerte; el Opus Magnus persigue la obtención de la Piedra Filosofal y el ritual se manifiesta complejo y doloroso: la purificación del cuerpo a partir de la inmolación de la materia. Julius Ruska describe en su Turba Philosophorum la "tortura" a que son sometidos los metales. Y leemos en las Allegoriae super Librum Turbae frases cargadas de simbolismo: Toma a un hombre y lánzale sobre la piedra hasta que muera su cuerpo. Asimismo, el testamento de Ga'far Sadiq se expresa en términos escalofriantes: Los cuerpos muertos deben ser torturados por el fuego y por todas las Artes del Sufrimiento para que puedan resucitar, porque sin sufrimiento y muerte no puede obtenerse la vida eterna.

El experto nigromante intenta reducir las sustancias a su materia primera, a la masa confusa o fluida: "No efectúes ninguna operación antes de que todo haya sido reducido al Agua". La calcinación o nigredo supone el caos y la muerte de la cual es preciso escapar. El lenguaje utilizado es difícilmente comprensible. Quizá se alude al agua regia, único producto capaz de disolver el oro. La oscuridad envuelve los textos alquímicos. Se persigue la prolongación de la juventud y se transfiere a la materia el proceso que el hombre debe continuar. Kirchwerger (Catena Homeri, 1723), personaje que modeló a Fausto, habla de cómo todo se reduce al agua, en el comienzo y en el fin. Los metales deben licuarse a su primera materia mercurial, mediante disolución o calcinación. Otros autores identifican la sustancia primera con el azufre o el mercurio, plomo, sal, incluso sangre, tierra, luna, etc.

De la Piedra Filosofal escriben los alquimistas prolijamente: se encuentra en todos los sitios y sin embargo nadie la aprecia, aun cuando sea, después del alma humana, la cosa más maravillosa de la Tierra. Zosimo nos relata cómo hay una Piedra que no es tal, preciosa aunque sin valor, multiforme y amorfa al mismo tiempo y desconocida siendo conocida. Dan a entender que más que un objeto es una disposición intelectual, una dimensión nueva de aprehender y comprender. Los alquimistas se impregnan de misticismo: el iniciado posee una perspectiva diferente y profunda de la realidad; su sabiduría abarca todas las cosas y las trasciende. No obstante, se pretendía que la Piedra facilitara la conversión de los metales en oro. Así lo expresó Arnaldo de Villanova, quien la creyó además capaz de curar cualquier enfermedad, y Frate Simone da Colonia, el cual habló de un remedio que limpia las imperfecciones del metal (Speculum Minus Alchimiae). Los alquimistas árabes atribuyeron a la Piedra Filosofal virtudes terapéuticas y extendieron hasta Occidente el concepto de Elixir Vitae. Roger Bacon se refirió a las cualidades magníficas de cierta medicina, capaz de corregir las impurezas de los metales tanto como de aliviar la enfermedad (Opus Majus). El licor de los alquimistas pronto gozó de los atributos que la magia y la imaginación popular quisieron otorgarle. Jabir ibn-Hayyan (760-815), llamado Geber por los cristianos, describió en El Libro de la Balanza que el azufre y el mercurio son componentes de todas las sustancias, a modo de principios hipostáticos que entran a formar parte de los cuerpos, siendo el primero el elemento terroso y el segundo, el ingrediente combustible. Geber expuso la necesidad de hallar una tercera sustancia que distribuya las anteriores en proporciones adecuadas para obtener oro. Esta sería el polvo seco llamado por los griegos xerion, o por él mismo al-kisir. Poco después, Al-Razi (o Rhazes) añadió a las anteriores sustancias la sal, como tercer principio indispensable en la composición de los cuerpos sólidos. Si el mercurio es el elemento combustible y el azufre el volátil, la sal no es ni lo uno ni lo otro, sino lo que permanece fijo y estable.

En 1317 el papa Juan XXII prohibió el estudio y experimentación en esta disciplina, quedando interrumpido su avance. Georg Bauer, mejor conocido como Agrícola (1494-1555), abandonó la búsqueda del oro y encaminó sus esfuerzos a la preparación de fármacos que aliviaran las dolencias y enfermedades de sus conciudadanos (De Re Metallica, 1556). Dedicado asimismo a la práctica de la medicina, T. B. von Hohenheim, se hizo llamar Para Celsius (1493-1591); tampoco le interesó la transmutación de los metales, aunque su actividad mística interfirió en la posible objetividad de sus experiencias y descubrimientos. Consideró los tres principios hipostáticos o "tria prima": sal, azufre y mercurio, distribuidos en proporciones diversas entre los cuatro elementos peripatéticos (postulados anteriormente por Empédocles de Agrigento): tierra, aire, fuego y agua. La doctrina espagírica15 paracelsiana revitalizó la teoría de las formas sustanciales (Paragranum,1530), aunque se enfrentaba a un problema crucial: cómo explicar la variación de las cualidades de un producto por la mera adición de sustancias distintas. De Andreas Libau o Libauius (1540-1616) sabemos que buscó remedios útiles al arte de curar (Alquimia, 1597), identificando como agua regia a la unión de los ácidos clorhídrico y nítrico. Como era de esperar, una vez conocido este compuesto, su actividad hacia la búsqueda del metal amarillo se intensificó. Encontramos en Van Helmont (1577-1644) un atisbo de espíritu científico entre la maraña de misticismo e irracionalidad. Descubrió el dióxido de carbono producido por la combustión de la madera y lo llamó "gas (chaos) silvestre" (Ortus medicinae, ed. 1648). Con Torricelli (1608-1647) se intensificó el estudio de los gases, pues había demostrado que el aire ejerce una determinada presión, variable según la altura. Los reiterados diseños de Otto von Guericke (1608-1686) concluyeron al fin la posibilidad del vacío o ausencia de aire, en contra de las tesis cartesianas que afirmaban cómo las paredes de una vasija colapsarían si en su interior se lograra hacer el vacío. Johann Joachim Becher (1632-1682) desarrolló una cautivadora teoría acerca de la composición térrea de los sólidos: tres tipos diferentes de tierra, una de ellas, la denominada "terra pinguis", sería inflamable.

Robert Boyle (1627-1691), restaurador de la filosofía epicureísta y opuesto a los químicos peripatéticos y paracelsianos, fue contrario también a los principios hipostáticos de la materia y a la idea de elemento químico que ellos propugnaban. Aunque, en ese momento, el avance científico se sitúa partidario del renovado pensamiento mecanicista, es de la mano de los atomistas estáticos donde encontramos el germen de la nueva química. La teoría corpuscularista desarrollada por Newton favoreció el análisis físico del movimiento e intuyó magníficamente la dinámica del microcosmos, mas no fue este el camino más adecuado para escrutar el comportamiento químico de las sustancias: afinidades, composición, disolución, combustión, etc. Reducir la Naturaleza a materia y movimiento y explicar las cualidades de los cuerpos en función de principios atractivos fue estéril en este campo.

Boyle dejó obsoleto el concepto de alquimia y, gracias a un juego lingüístico, acuñó el vocablo que ahora poseemos. Definió los elementos químicos como "ciertos cuerpos primitivos y simples o perfectamente sin mezcla, ingredientes de los que se componen todos los cuerpos mixtos y en los que últimamente se resuelven." (El Químico Escéptico). Sin embargo, añadió que dudaba de ellos y de su capacidad de formar parte de todas las sustancias en mayor o menor medida. Como veremos, la química moderna tomará la vieja noción de elemento en tanto sustancia simple, indestructible y hallada exclusivamente en el laboratorio. Los principios químicos de los cuerpos dependerían de la naturaleza de sus partículas y de la configuración adoptada, así como de sus respectivas magnitudes y figuras. Sir Robert habló de la composición interna de la materia: una sustancia única distribuida en minúsculos átomos extensos, de tamaños y formas diversos, siendo el movimiento la afección o modo primero de la materia. Estos átomos serían los Mínima o Prima Naturalia y la agrupación de los mismos, a modo de racimos, permanecería íntegra en los cuerpos e imperceptible a los sentidos. La teoría boyleana es favorable a la transmutación de la materia y, en última instancia, a la obtención de oro, lo cual defendió secretamente Newton.

En la campana de vacío diseñada por el propio Boyle, se estudió la elasticidad del aire, su peso y su carencia (The New Experiments Physico-Mechanical, touching the Spring of the Air and its Effects, 1660), así como la imposibilidad de la propagación del sonido en el vacío. La famosa ley, que relaciona inversamente presión y volumen de un gas, apareció en A Defense of the Doctrine touching the Spring and Weight of the Air (1662). Mariotte se expresó de un modo más analítico acerca de idéntica cuestión en su Discours de la Nature de l'air, en 1676, donde especificaba que la presión atmosférica era la causante del efecto de succión.

Daniel Sennert (1572-1637) fundó la Escuela atomista alemana, influida por los principios alquímicos de Junguis: los cuatro elementos tradicionales repartidos en partículas homogéneas e indivisibles, con cualidades propias. La forma y magnitud de aquellas no determinan las propiedades de las sustancias. Su actividad científica se decantó hacia la iatroquímica, como anteriormente Paracelso o Bauer. El mecanicismo de Gassendi (1592-1655), por el contrario, se inscribió en la línea epicureísta, negando cualquier proximidad con Aristóteles. Tanto el frío, como el calor o la luz, se determinan por la figura, nunca por el movimiento de los átomos: el frío es provocado por átomos puntiagudos, el calor por otros pequeños y redondos, y la luz está constituida de partículas sutiles en rápido movimiento. La especificidad de los estados sólido, líquido o gaseoso, son expresados por Descartes (1596-1650) en función de la agitación de sus partículas, mientras Gassendi fue partidario de los átomos sueltos en medios fluidos.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
ASIMOV, Isaac: Historia de la química. Alianza, Madrid, 1988

ELIADE, Mircea: Herreros y alquimistas. Alianza, Madrid, 1990

ESTEBAN SANTOS, Soledad: Introducción a la historia de la química. Cuadernos de la UNED, Madrid, 2001
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