Estructuración del protoplasma de la Vida, uno de los muchos secretos que nos queda por desvelar y que la Naturaleza esconde con el celo propio de quién no quiere desvelar su intimidad más profunda y, al mismo tiempo compleja. ¿Qué podemos saber nosotros de tan maravilloso suceso?
En la Gran Nebulosa de Orión, también conocida como M42, y una de las nebulosas más famosas del cielo, podríamos encontrar ese Laboratorio natural en el que se cuecen los elemetos que dan lugar a las sustancias necesarias para la aparición de la vida. Este producto de una explosión supernova, contiene todos los ingredientes necesarios para ello y, de este conglomerado de gas y polvo en el que están presentes átomos y moléculas diversas, se encuentra la fuente, no sólo de nuevas estrellas y nuevos mundos, sino que, también están ahí los materiales necesarios para el surgir de la vida.
Muchas son las veces que aquí, en este lugar dedicado a distintas disciplinas de la Ciencia, hemos hablado de la Vida. Sin embargo, nunca nos hemos parado a explicar algunos de los procesos del origen de la vida, conociendo antes, aunque sea de manera sencilla y sin profundidad, aquellos principios básicos de la estructura del protoplasma, ese sustrato material que será la base de todos los seres vivos, sin excepción. Para poder alcanzar nuestro objetivo y así poder responder a la cuestión de la evolución y al proceso del orgien de la vida, una de las fuentes que debemos conocer, es, sin duda alguna, el protoplasma y, la mejor explicación la encontré en el Libro de Alesandr Ivanovich Oparín, El Origen de la Vida que nos lo cuenta como como sigue:
A finales del siglo XIX y principios del XX, había científicos que creían que los organismos sólo eran “máquinas vivientes” especiales, de estructuras muy complejas y, aseguraban que la estructura del protoplasma era algo así como una máquina, construido conforme a un determinado plan y que estaba formado por “vigas” y “tirantes” como si de un puente se tratara y que, de manera similar a éste, los lazos de unión tenían unida toda la estructura que, de esta manera, se mantenía firme, y, esa estructura de tan estricto orden en la colocación recíproca de las distintas partes del protoplasma, era precisamente, según ellos, la causa específica de la vida.
¿Será nuestro planeta como una gran célula viva con sus propias reglas biológicas?
Pero el estudio concreto del protoplasma desmintió esta teoría mecanicista. Fue probado que no existía ninguna estructura parecida a una máquina ni siquiera a las de máxima precisión, en el interior del protoplasma.
Es bien conocido que la masa básica del protoplasma es líquida; nos hallamos ante un coacervado complejo, constituido por una gran cantidad de sustancias orgánicas de un peso molecular considerable, entre estas destacan las proteínas y los lipoides. Por esta razón, se encuentran flotando a su libre albedrío en esa sustancia coacervática fundamental, partículas filamentosas coloides, quizás enormes moléculas proteínicas sueltas, y muy probablemente, auténticos enjambres de esas moléculas. El tamaño de las partículas es tan diminuto que no se distinguen ni a través de los microscopios actuales más sofisticados. Pero encontramos otros elementos visibles en el interior del protoplasma. Cuando las moléculas proteínicas y de otras sustancias se unen formando conglomerados, destacan en la masa protoplasmática en forma de pequeñas gotas, captadas a través del microscopio, o en forma de coágulos, con una determina estructura denominados elementos morfológicos. El núcleo, las plastídulas, las mitocondrias, etcétera.
Una célula es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo. De este modo, puede clasificarse a los organismos vivos según el número de células que posean: si sólo tienen una, se les denomina unicelulares (como pueden ser los protozoos o las bacterias, organismos microscópicos); si poseen más, se les llama pluricelulares En estos últimos el número de células es variable: de unos pocos cientos, como en algunos nematodos, a cientos de billones (1014), como en el caso del ser humano.. Las células suelen poseer un tamaño de 10 μm y una masa de 1 ng, si bien existen células mucho mayores.
Estos elementos protoplasmáticos, observables a través del microscopio, son, esencialmente, una manifestación aparente y externa de determinadas relaciones de solubilidad, enormemente complejas, de las distintas sustancias que conforman el protoplasma y que se ha podido comprobar que tiene, un papel determinante, en el curso del proceso de la vida, que no se puede comparar de ningún modo con el papel que desempeña una máquina en su trabajo específico. Esto queda totalmente justificado por la sencilla razón de que una máquina y el protoplasma son dos sistemas distintos y contrarios.
Sin duda, lo que caracteriza la función de una máquina es el desplazamiento mecánico de sus diferentes partes en el espacio. Por esa razón hay que insistir que el elemento más importante de la estructura de una máquina es, precisamente, la colocación de sus piezas; mientras que el proceso vital tiene un carácter totalmente distinto. Se manifiesta esencialmente con el recambio de sustancias, o sea, con la interacción química de las diferentes partes que conforman el protoplasma. Por esto deducimos que el elemento primordial en toda la estructuración del protoplasma es el orden concreto que siguen los procesos químicos en el tiempo, la forma tan armónica en que se combinan, siempre con tendencia a conservar en su conjunto el sistema vital.
Es de vital importancia para la formación del protoplasma que exista una estructura interna determinada. Pero otro factor no menos decisivo es la organización en el tiempo, o sea, que los procesos que se dan en el protoplasma lo hagan en armonía. Cualquier organismo, tanto animal, planta o microbio, vive únicamente mientras pasen por él, de forma continuada y constante, nuevas partículas de sustancias, cargadas de energía. Distintos cuerpos químicos pasan del medio ambiente al organismo; y cuando están dentro, sufren unos determinados y esenciales trastornos, mediante los cuales acaban convirtiéndose en sustancias del propio organismo invadido y serán iguales que aquellos cuerpos químicos que antes formaban parte del ser vivo. Este proceso se conoce con el nombre de asimilación. Sin embargo, de forma paralela a este proceso se da la desasimilación, que se trata precisamente del proceso contrario, es decir, las distintas sustancias que forman la parte del organismo vivo son sensibles a los cambios del propio organismo, se desintegran a menor o mayor velocidad, y son sustituidas por los cuerpos asimilados. De esta forma, los productos de la desintegración se echan al medio envolvente.
¡Y pensar que todo está formado por esas partículas infinitesimales que llamamos Quarks y Leptones!
Es muy cierto que la sustancia del organismo vivo siempre se encuentra en movimiento, desintegrándose y volviendo a formarse de manera continua en virtud de la gran cantidad de reacciones de desintegración y síntesis, que se dan guardando una fuerte relación entre ellas. Ya Heráclito, aquel gran dialéctico de la antigua Grecia, nos decía: “nuestros cuerpos fluyen como un arroyo, y de la misma manera que el agua de éste, la materia se renueva en ellos.” Está claro que una corriente o un chorro de agua pueden mantener su forma, su aspecto externo, durante un tiempo, pero su aspecto sólo es la manifestación exterior de ese proceso continuo y constante del movimiento de las partículas del agua. Incluso la misma existencia de este sistema depende, naturalmente, de que las renovadas moléculas de materia pasen constantemente, y a una velocidad determinada por el chorro de agua. Pero si interrumpimos este proceso, el chorro dejará de existir como tal. Lo mismo sucede en todos los sistemas conocidos como dinámicos, los cuales tienen un proceso concreto.
Es un hecho concreto e innegable que los seres vivos también son sistemas dinámicos. Igual que el chorro de agua al que antes hacíamos referencia, su forma y su estructura sólo forman parte de la expresión externa y aparente de un equilibrio, muy competente, formado por procesos que se dan en el ser vivo en sucesión permanente a lo largo de toda su vida. Sin embargo, el carácter de estos procesos es totalmente diferente a los que ocurre en los sistemas dinámicos de la naturaleza orgánica.
Las moléculas de agua llegan al chorro, ya como moléculas de agua, y lo atraviesan sin que se produzca ningún cambio. Pues el organismo toma del medio ambiente sustancias ajenas y desconocidas para él, pero a continuación, mediante procesos químicos muy complejos, son convertidos en sustancias del propio organismo, muy parecidas a los materiales que forman su cuerpo.
Precisamente esto es lo que hace posible las condiciones que mantienen constantemente la composición y estructura del organismo, ignorando este proceso continuo e ininterrumpido de desasimilación que se da en todos los organismos vivos.
Así pues, desde una perspectiva puramente química, el recambio de sustancias, también llamado metabolismo, es un conjunto enorme de reacciones más o menos sencillas, de oxidación, reducción, hidrólisis, condensación, etcétera. Lo que lo hace diferente del protoplasma, es que en el metabolismo, estas reacciones se encuentran organizadas en el tiempo de de cierto modo, las cuales se combinan para poder crear un sistema integral. Dichas reacciones no surgen por casualidad, y de forma caótica, sino que se dan en estricta sucesión, y en un orden armónico concreto.
Ese orden será la base de todos los fenómenos vitales conocidos. En la fermentación alcohólica, por ejemplo, el azúcar proveniente del líquido, que es fermentable, penetra en la célula de la levadura, sufriendo determinados trastornos químicos. O sea, primero se le incorpora el ácido fosfórico y luego se divide en dos partes.
Una de las cuales experimentará un proceso de reducción, mientras que la otra se oxidará, quedando convertida, finalmente, en ácido pirúvico, que más tarde se descompondrá en anhídrido carbónico y acetaldehído. Este último se reducirá, quedando transformado después en alcohol etílico. Como resultado, podemos observar que el azúcar queda convertido en alcohol y anhídrido carbónico.
Aquí podemos contemplar una célula de levadura. Se reproducen por germinación o sexualmente (…algo más interesante…). Las protuberancias de esta célula (esos círculos que parecen ojos de pescado) son las huellas de las cicatrices dejadas por las yemas al separarse. La fotografía aumenta el tamaño de la célula 12.500 veces.
Esto nos demuestra que en la célula de la levadura, lo que determina la producción de estas sustancias es el extraordinario rigor con que se dan todas estas reacciones, las cuales se suceden de forma muy ordenada. Sólo con que sustituyésemos en esta cadena de transmutaciones un único eslabón o si alterásemos en lo más mínimo el orden de dichas transmutaciones ya no tendríamos como resultado alcohol etílico, sino cualquier otra sustancia. En efecto, en las bacterias de la fermentación de la leche, el azúcar, al principio sufría los mismos cambios en la levadura, pero cuando se llega a la fermentación del ácido pirúvico, éste ya no se descompone, todo lo contrario, se reduce al instante. Esto explica que en las bacterias de la fermentación láctica el azúcar no se transforme en alcohol etílico, sino en ácido láctico.
Un estudio de la síntesis de distintas sustancias en el protoplasma demuestra que éstas no se crean de repente, y no provienen de un acto químico especial, sino que son el resultado de una cadena larguísima de trastornos químicos.
No puede constituirse un cuerpo químico complejo, propio de un ser vivo en concreto, sin que se produzcan centenares o miles de reacciones en un orden regular, constante, y ya previsto con rigurosidad, lo cual constituirá la base de la existencia del protoplasma.
Porque cuanto más compleja es la sustancia, más reacciones intervienen en su formación dentro del protoplasma y estas reacciones deben coordinarse entre sí con mayor rigor y exactitud. En efecto, investigaciones bastante recientes han demostrado que en la síntesis de las proteínas a partir de los aminoácidos toman parte gran cantidad de reacciones que se producen en una sucesión muy ordenada. Únicamente como consecuencia de esta rigurosa armonía, de esta sucesión ordenada de las reacciones, se da en el protoplasma vivo ese ritmo estructural, esa regularidad en la sucesión de los distintos aminoácidos que también podemos apreciar en las proteínas actuales.
Por consiguiente, las moléculas proteínicas, así originadas y con una estructura determinada se agrupan entre sí, y ciertas leyes las hacen tender a la formación de auténticos conglomerados moleculares que se acaban separando de la masa protoplasmática y se distinguen como elementos morfológicos, visibles a través del microscopio, como formas protoplasmáticas características por su gran movilidad. De esta manera, la composición química propia del protoplasma, como su estructura, son la manifestación del orden en que se producen estos procesos químicos que se dan de forma continua y permanente en la materia viva.
Las grandes moléculas de los sistemas vivos tienen una estructura modular mantenida mediante enlaces covalentes y formada esencialmente por tan sólo seis elementos químicos: Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxígeno, Fósforo y Azufre. Los azúcares (moléculas formadas en torno a un anillo de carbono, oxígeno e hidrógeno) son los bloques de construcción básicos de los carbohidratos. Los almidones y la celulosa están compuestos por cadenas de azúcares (glucosa), siendo utilizados los primeros como almacenamiento de energía y la celulosa como estructura de las paredes celulares vegetales. Las diferencias entre ambas moléculas son tan sutiles como pequeñas variaciones en los enlaces intermoleculares, pero el resultado es tan diferente que nuestro organismo, por ejemplo, puede digerir el almidón y no la celulosa.
Pues bien, debemos preguntarnos de qué depende ese orden, propio de la organización del protoplasma, y cuáles son sus causas inmediatas. Un estudio minucioso sobre esta cuestión dejará demostrado que el orden indicado no es simplemente algo externo, que queda al margen de la materia viva, teoría defendida por los idealistas; en cambio, hoy día, sabemos perfectamente que la velocidad, la dirección y el encadenamiento de las diferentes reacciones, todo lo que forma el orden que estamos viendo, depende totalmente de las relaciones físicas y químicas que se establecen en el protoplasma vivo.
Las propiedades químicas de las sustancias integradoras del protoplasma, en primer lugar, y también las de las sustancias orgánicas que intervienen son las que constituyen la base de todo ello. Dichas sustancias orgánicas poseen enormes posibilidades químicas y pueden generar gran variedad de reacciones. Pero, aprovechan estas posibilidades con mucha “pereza”, lentamente, a veces a una velocidad ínfima. En muchas ocasiones, se necesitan meses e incluso años, para que llegue a producirse alguna de las reacciones efectuadas entre las mismas sustancias orgánicas. Por esto, los químicos, para acelerar el proceso de las reacciones entre las sustancias orgánicas, usan a menudo en su trabajo diferentes sustancias de acción enérgica-ácidos y álcalis fuertes, etcétera.
Para conseguir tal aceleramiento cada vez con más frecuencia, los químicos recurren a la utilización de los catalizadores. Hace ya mucho tiempo que habían notado que sólo con añadir una pequeña dosis de algún catalizador a la mezcla donde se estaba realizando una reacción, se producía un gran aceleramiento de ésta. Además, otra propiedad propia e los catalizadores es que no se destruyen durante el proceso de la reacción, y cuando esta finaliza, comprobamos que queda exactamente la misma cantidad de catalizador que añadimos a la mezcla al principio. Así que, cantidades insignificantes de catalizador son suficientes, muchas veces, pata provocar la rápida transmutación de masas considerables de diferentes sustancias. Esta cualidad, hoy día, es de gran utilidad para la industria química, que usa como catalizadores distintos metales, sus óxidos, sus sales y otros cuerpos orgánicos o inorgánicos. Las reacciones químicas dadas en animales y vegetales entre las distintas sustancias orgánicas se suceden a gran velocidad. De lo contrario, la Vida no pasaría tan rápida como en realidad pasa. Se sabe que la gran velocidad de las reacciones químicas producidas en el protoplasma es debida a la presencia constante de catalizadores biológicos especiales llamados fermentos.
Leyendo sobre el Protoplasma y sus complejos caminos, podemos llegar a comprender que, efectivamente, todos somos uno, y, sin embargo, diferentes. ¡Ese largo camino recorrido hasta llegar aquí! No sabemos mediante qué mecanismos llegan a nuestros cerebros esas ráfagas luminosas del saber que, a unos les hace comprender ciertas cuestiones complejas y, a otros no nos llegan esos fogonazos de luz que alumbren los rincones oscuros existentes en nuestras mentes. Así, para unos es el futbol y para otros las estrellas su mayor preocupación.
Hace tiempo que estos fermentos fueron descubiertos, y ya con anterioridad, los científicos se habían fijado en ellos. Pues resultó que los fenómenos se podían extraer del protoplasma vivo y así separarse en forma de solución acuosa o como polvo seco de fácil solubilidad. Esto me hace pensar en lo que ocurre en las Nebulosas. No hace mucho se consiguieron fermentos en forma cristalina y se resolvió su composición química. Estos resultaron ser proteínas, y muchas veces, en combinación con otras sustancias de distinta naturaleza. Estos fermentos, por el carácter de su acción, se asemejan a los catalizadores inorgánicos. Sin embargo, se diferencian de ellos por la increíble intensidad de sus efectos.
En este sentido, los fermentos superan a los catalizadores inorgánicos de acción en centenares de miles, y en ocasiones hasta en millones de veces. Así que en los fermentos de naturaleza proteínica se da un mecanismo increíblemente perfecto y racional que hace posible acelerar las reacciones químicas entre las distintas sustancias orgánicas. Los fermentos también se caracterizan por la excepcional especifidad de su acción.
Por supuesto, esto es a causa de las particularidades del efecto catalítico de las proteínas; pues la sustancia orgánica (el sustrato) que sufre alteraciones en el transcurso del proceso metabólico, forma ya al principio, una unión bastante compleja aunque de corta duración, con la correspondiente proteína-fermento. Esta fusión tan completa, no es estable, pues sufre distintos trastornos con mucha rapidez: el sustrato sufre las transformaciones correspondientes y el fermento se regenera, para poder unirse de nuevo a otras porciones del sustrato.
Entonces, para que las sustancias integradoras del protoplasma vivo puedan participar realmente con el metabolismo, debe combinarse con una proteína y constituir con ella un enlace complejo. De no ser así, sus posibilidades químicas se producirán muy lentamente y entonces perderán toda su importancia en el impetuoso proceso vital. Por esta razón el cómo se modifique una sustancia orgánica en el transcurso del metabolismo, depende, además de la estructura molecular de esta sustancia, y de las posibilidades químicas de la misma, también de la acción de fermentación de las proteínas protoplasmáticas, las cuales se encargan de llevar esa sustancia al proceso metabólico general.
Los fermentos, además de ser un poderoso acelerador de los procesos químicos sufridos por la materia viva; son también un mecanismo químico interno, el cual se encarga de que esos procesos sean conducidos por un cauce muy concreto. La gran especificidad de las proteínas-fermentos consigue que cada una de ellas forme enlaces complejos sólo con determinadas sustancias y catalice solamente algunas reacciones. Por esto, cuando se produce éste o el otro proceso vital, y con más motivo, cuando se verificas todo el proceso metabólico, actúan miles de proteínas-fermento de distintas clases. Cada una de estas proteínas puede catalizar de forma específica una sola reacción, y sólo el conjunto de acciones de todas ellas, en muy precisa combinación, hará posible ese orden regular de los fenómenos que entendemos como base del metabolismo.
¡Es tanta la diversidad de la Vida!
Con el uso de los distintos fermentos específicos que se obtienen a partir del organismo vivo, en el laboratorio, pueden reproducirse de forma aislada cada una de las reacciones químicas, y todos los eslabones que forman el proceso metabólico. Así desenredamos el ovillo tan sumamente complicado de las transmutaciones químicas producidas durante el metabolismo, donde miles de reacciones individuales se mezclan. Por este mismo procedimiento se puede descomponer el proceso metabólico en sus diferentes etapas químicas, se puede analizar las sustancias integradora de la materia viva, y además los distintos procesos realizados en ella.
De esa manera se demostró que la respiración funciona a partir de una serie de reacciones como la oxidación o la reducción, dichas reacciones se dan con muchísimo rigor en un orden estricto y cada una de éstas es catalizada por un fermento específico (S.Kóstichev, A. Liédev y otros autores).
Hoy día, ya hemos dado el salto del análisis de los procesos vitales a su reproducción, a su síntesis. De esta forma, combinando de manera precisa en una solución acuosa de azúcar, una veintena de fermentos distintos, obtenidos a partir de seres vivos, pueden reproducirse los fenómenos propios de la fermentación alcohólica. En este líquido, donde gran cantidad de proteínas distintas se hallan disueltas, los trastornos que sufre el azúcar son verificados en el mismo orden regular que siguen en la levadura viva, aunque aquí no existe ninguna estructura celular.
Todos estos procesos son, en realidad, terriblemente complejos y están expuestos a que, cualquier alteración del medio incida de manera directa en su devenir. Pero, por otra parte y en las circunstancias adecuadas, no existe ningún factor físico o químico, ni sustancia orgánica o sal inorgánica que, de alguna manera, puedan alterar el curso de las reacciones fermentativas. Cualquier aumento o disminución de la temperatura, alguna modificación de la acidez del medio, del potencial oxidativo y de la composición salina o de la presión osmótica, alterará la correlación entre las velocidades de las distintas reacciones de fermentación, y de esta forma cambia su sucesión temporal. Es aquí donde se asientan todas las premisas de esa unidad entre el organismo y el medio, tan característica de la vida.
Esta organización tan especial de la sustancia viva influye en gran manera, en las células de los organismos actuales, en el orden y la dirección de las reacciones fermentativas, las cuales son la base del proceso metabólico. Cuando se agrupan las proteínas entre sí pueden quedar aisladas de la solución general y conseguir diferentes estructuras protoplasmáticas de muy ágil movimiento. Con total seguridad, sobre la superficie de estas estructuras se encuentran concentrados gran cantidad de fermentos.
Aparato de Miller que buscaba la Actividad integradora del
Origen de la vida
Está claro que el orden característico de la organización del protoplasma está basado en las distintas propiedades químicas de las sustancias integradoras de la materia viva. Esta gran variedad de sustancias existentes y su increíble capacidad de originar gran cantidad de reacciones químicas, pueden generar incalculables trastornos y cambios químicos. Pero debemos tener en cuenta que en el protoplasma vivo existen una serie de factores externos e internos que rigen estas transmutaciones, son factores como la presencia de conjuntos de fermentos; su relación cualitativa; la acidez del medio circundante; el potencial de oxido-reducción; las propiedades coloidales del protoplasma y su estructura, entre otros.
Todos estos fenómenos entrelazados entre sí y fuertemente relacionados con el orden regular de las reacciones químicas son propios del protoplasma vivo que desemboca en la muestra de estructuras morfológicas muy variadas. Pues bien, todo este orden sigue una dirección muy concreta, persigue un objetivo que al final desemboca en eso que llamamos vida y es verdaderamente importante darse cuenta de que, la dinámica del Universo, a través de las estrellas, de las explosiones supernovas, de las nebulosas y, finalmente, de los mundos, se vale de un conjunto de sucesos que vistos desde fuera pudieran parecer inmersos en un inmenso Caos pero que, en realidad, son simplemente pasos necesarios para que, la materia inerte, tome forma y evolucione hasta la vida que, de una u otra manera siempre se abrirá paso y estará presente en los lugares más insospechados que imaginar podamos, ya que, la vida, es algo irreversible en nuestro universo y está llamada a poblar miles de millones de mundos donde tomará las más variadas formas, unas veces conscientes y otras no, conformando un escenario de diversidad en el que, como ahora sabemos, prevalecerá aquella forma de vida que es consciente de SER.
Ahora conocemos las leyes de la Naturaleza, sabemos cómo se forman las distintas sustancias y elementos y que es, lo que de ellas puede surgir cuando se mezclan de una manera determinada y qué es lo que puede pasar cuando todo esto ocurre en el marco adecuado y en presencia de las condiciones idóneas para que surja el orden vital y su carácter perfectamente armónico que le hace estar siempre en consonancia con las condiciones del medio ambiente.
Todo esto nos lleva a comprender que es necesario e ineludible profundizar mucho más en la evolución de la materia a lo largo de la historia del mundo, del Sistema Solar, del Universo en los que, no puede caber ninguna duda, surgió, a partir de esa materia “inerte” lo que conocemos como ¡Vida! En sus miles de formas y colores (también olores y diversa y maravillosa hermosura) que, se podría decir, sin lugar a equivocarnos que, la esencia del Universo es, precisamente la Vida.
Todo fue posible a que, de alguna manera que no hemos llegado a comprender (aún), la vida surgió durante toda esta serie de procesos complejos inmersos en el Caos de una Complejidad que transmutaba la materia simple en otra, cada vez más compleja y organizada que seguía unos pasos que la llevaba a conseguir estructuras impensables de un orden superior y mucho más elevado de lo que, la “simple” materia, nos haría suponer que sería posible. Claro que, todo ello, sólo y únicamente fue posible gracias a la interrelación de la materia con el medio donde se dieron las bases para hacer posible la formación de sistemas individuales de orden plurimolecular que fue el factor determinante para la aparición de la vida y su posterior desarrollo en el planeta tal como la conocemos.
En el Universo todo es energía…la Vida, también.
emilio silvera
Es grato levantarse cada día y, antes de marchar hacia el trabajo, dedicar un par de horas a contestar posibles comentarios y poner aquí algún nuevo trabajo y rememorar algún trabajo viejo que ya antes, pasó por aquí. En esto de dibulgar la ciencia en los apartados de la física o la astronomía, así como el recordar suscesos e historias antiguas, me viene a la memoria aquel dicho de Edith Wharton:
“Hay dos maneras de difundir la luz: ser la vela encendida o el espejo que la refleja.”
Las branas son entidades físicas conjeturadas por la teoría M y su vástago, cosmología de branas. En la teoría M, se postula la existencia de p-branas y d-branas (ambos nombres provienen parasintéticamente de “membrana”). Las p-branas son objetos de dimensionalidad espacial p (por ejemplo, una cuerda es una 1-brana). En cosmología de branas, el término “brana” se utiliza para referirse a los objetos similares al universo cuadridimensional que se mueven en un sustrato de mayor dimensión. Las d-branas son una clase particular de p-branas.
Aquí estaría representada la membrana y la materia oscura.
Según la teoría de cuerdas, las membranas existen en la undécima dimensión, en realidad son infinitas. Se dice que cada membrana corresponde a un un universo, por ejemplo a nuestro universo le corresponde una membrana y las otras membranas serían universos paralelos. Según algunos físicos el universo es una membrana esférica, los bordes de las membranas forman ondulaciones las cuales están en constante movimiento, se dice que estas membranas se mueven con “forma de olas” en esta dimensión (11ª). Esta dimensión es sumamente delgada e infinitamente larga, estas membranas están en movimiento como las olas en el mar, es decir, las membranas serían burbujas en olas de mar que al chocar inician el big bang; es decir, el big bang es un fenómeno que ocurre una y otra vez.
En el marco de la teoría de cuerdas, la membrana(M) es un conjunto de dimensiones presente, ampliando sus límites. Se ha llegado a explicar la causa del “Big Bang”por el choque de dos membranas, así, la explosión producida sería la causa del nacimiento y expansión del universo. La materia y la energía sólo puede transmitirse a través de las cuatro primeras dimensiones excepto la gravedad, que puede difundirse en las once. La materia de una puede alterar el espaciotiempo de otra paralela. De hecho, fenómenos similares fueron los que indujeron la teoría.
Hiperbólico (silla de montar)
Las membranas podrían estar separadas por distancias pequeñísimas unas de otras, incluso, según resultados experimentales, a millonésimas de milímetro. Gracias a este hecho se intentaría explicar por qué la gravedad parece menos fuerte de lo que en realidad es. Las formas más postuladas son la de membranas planas y paralelas entre sí y la de paraboloide hiperbólico (silla de montar).
Si las membranas son planas y paralelas, la gravedad quedaría encajonada entre ambas, fluctuando entre una y la otra, pero siempre manteniéndose constante. Por el contrario, si las membranas adoptaran la forma de silla de montar, irían perdiendo paulatinamente energía y, por tanto, materia, hasta desaparecer sumido en la difusión por las once dimensiones.
El modelo Steinhardt–Turok
En este modelo cíclico basado en la cosmología de branas, rival del modelo inflacionario, dos láminas tridimensionales o 3-branas colisionan periódicamente. Según esta teoría la parte visible del universo de cuatro dimensiones representa una de esas branas, quedando la otra brana oculta a todas las fuerzas de la naturaleza excepto la gravedad. Cada ciclo consiste en que cada una de las branas dentro de un espacio-tiempo tetradimensional y separadas por una dimensión espacial muy corta y seis enrolladas chocan con cierta periodicidad creando condiciones parecidas a las del big bang del modelo inflacionario.
Según la teoría, después de millones de años, al aproximarse el final de cada ciclo la materia y la radiación se diluyen a casi cero debido a una expansión acelerada del universo alisando las dos branas pero con pequeños rizos o fluctuaciones cuánticas aún presentes que imprimirán en el próximo choque con no uniformidades que crearán grumos o cúmulos que generarán estrellas y galaxias.
Cuando todo termina se dan las circunstancias necesarias para que todo comience de nuevo
Pero sigamos con las dimensiones y las consecuencias más interesantes de añadir dimensiones espaciales extra que hacen posible que cambien las constantes de la Naturaleza observadas. Si el mundo tiene realmente cuatro dimensiones espaciales, entonces las verdaderas constantes de la Naturaleza existen en cuatro dimensiones. Si nosotros nos movemos sólo en tres de esas dimensiones, veremos y sentiremos sólo “sombras” tridimensionales de las auténticas constantes tetradimensionales.
En un lugar de más dimensiones que no vemos, el espacio y el tiempo pueden ser encubiertos y podría dar lugar a que se formen galaxias en un plano de sombras que no podemos alcanzar a ver en nuestro mundo tridimensional. sería como si un universo paralelo al nuestro estuviera llevando un ritmo en el que, las cosas podrían ser iguales pero distintas.
Claro que esas sombras de las que hablo, no tienen por qué ser constantes. Si la dimensión extra aumenta en tamaño, igual que se están expandiendo nuestras tres dimensiones del Universo, entonces nuestras constantes tridimensionales decrecerán al mismo ritmo. Esto nos dice inmediatamente que si algunas dimensiones extra están cambiando, deberán hacerlo de una forma bastante lenta; de lo contrario nosotros no las hubiéramos llamado “constantes” en absoluto.
La constante de estrucvtura fina ha sido medida de mil manera
Tomemos una constante tradicional de la Naturaleza, como la constante de estructura fina, normalmente representada por el símbolo 
, es la constante física fundamental que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética. Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.
La expresión que la define es:
.
donde 
es la carga elemental, la 
es la constante reducida o racionalizada de Planck, 
es la velocidad de la luz en el vacío, y 
es la permitividad del vacío. Si el tamaño de la dimensión extra del espacio es R, entonces el valor de la “constante” de estructura fina tridimensional α, variaría en proporción a 1/R2 cuando cambia R.
Imaginemos que estamos en un universo en expansión de cuatro dimensiones pero sólo podemos movernos en tres de ellas. Las fuerzas de la electricidad y el magnetismo pueden “ver” las cuatro dimensiones y encontraremos que nuestra parte tridimensional de ellas se debilitará cuando la cuarta dimensión se haga mayor.
Sabemos que si la constante de estructura fina tridimensional está cambiando no puede hacerlo en ninguna parte tan rápido como se expande el Universo. Esto nos dice que cualquier cuarta dimensión debe ser muy diferentes de las otras. La idea de Klein consistía en que es a la vez muy pequeña y estática y que está confinada en el límite de Planck. Alguna fuerza extra atrapa las dimensiones extra y las mantiene pequeñas. Si no cambian de tamaño de forma significativa no tenemos por qué ver ninguna de nuestras constantes cambiando.
Un escenario posible imagina que el Universo empieza con todas sus dimensiones espaciales comportándose de una manera democrática, pero luego, algunas de las dimensiones quedan atrapadas y permanecen compactadas de manera tal que son infinitesimales, están el el límite de Planck y permanecen, como digo, estáticas y muy pequeñas desde entonces en ese lugar invisible al que no podemos llegar y que se significa con:
| Lp = |
(Gh/c3) ½ = |
4’13 × 10-33 centímetros |
Las otras tres dimensiones que sí consiguieron expandirse, son las que vemos y en las que vivímos, las que forman y hacen de nuestro universo el que podemos observar hoy, en el que se han conformado las galaxias y los mundos que, en alguna ocasión, han podido surgir criaturas que, como ha pasado aquí en la Tierra, hablen de estas cuestiones complejas que no llegan a entender… del todo.
Como no dejamos de pretender alcanzar lo “inalcanzable”, allá por el año 1982, los teóricos de cuerdas sugirieron por primera vez una respuesta a un viejo problema: cómo casar la teoría cuántica con la teoría de la gravedad de Einstein. Todos los intentos previos habían fracasado miserablemente. Predecían invariablemente que alguna cantidad medida debería ser infinita. Estos “infinitos” plagaban todas las teorías con sólo tres dimensiones de espacio y una de tiempo. Sin embargo, en 1984 Michael Green y John Wchwarz demostraron que este problema podía subsanarse combinando dos ideas radicales.
Einstein, desde allí donde se pueda encontrar, estará sonriendo al comprobar con satisfacción que sus ecuaciones de campo de la relatividad general, sin que nadie las llame y como por arte de magia, surgen de la Teoría M de cuerdas en la que subyacen sus ideas. Y, al contemplar, no sin cierto grado de asombro cómo se pueden unir las dos teorías (la suya y la de Planck, la de lo muy grande y lo muy pequeño), los que le siguieron habían conseguido lo que él mismo persiguió, sin conseguirlo durante más de treinta años.
Green y Wchwarz sugerían que, si se abandona la idea de que las entidades más básicas son puntuales (se referían a las partículas subatómicas), con tamaño cero, y se permite que haya más de tres dimensiones espaciales, entonces los infinitos desaparecen milagrosamente, cancelándose. Como sucede con la anterior teoría de Kaluza-Klein. Es apasionante y misterioso el hecho de que, en esa escala tan pequeña de 10-33 cm, la longitud fundamental de Planck, se puedan encontrar “escondidas” las dimensiones que nos permiten unificar las dos teorías más importantes de nuestro tiempo.
¿Habrá un Universo en la sombra que no podemos ver?
Claro que, tendremos que poner los pies en el suelo y centrarnos en lo que “sabemos” y “vemos”: Neutrinos, fotones, quarks, leptones, hadrones: bariones y mesones, todos, en definitiva son lo mismo, distintos estados de la materia que conforman unos y otros en determinadas ocasiones, y, en cada momento, ocupan el lugar que les destina en Universo adoptando la forma que en ese preciso instante les corresponde. Claro que, todos estos, son objetos de nuestro Universo luminoso, el otro, el Universo en la Sombra, ni sabemos si puede estar realmente ahí.
Durante mucho tiempo, los físicos han sabido que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la partícula hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reserva del Tiempo (pasar la partícula al revés).
Claro que, todo lo anteriormente expuesto son sólo sugerencias del momento y que duran y tienen vigencia durante un tiempo impredecible, ya que, el tiempo sigue su marcha, el universo continúa expandiéndose y, nuestras mentes evolucionan para poder “ver” otras teorías y otros horizontes nuevos y más avanzados, complejos y profundos que nos acercan a la verdadera naturaleza del Universo que no comprendemos…, lo suficiente.
emilio silvera
Los Medios de Comunicación, no siempre son fieles “comunicadores” y, para realzar las noticias, las expresan con un grado extra de exaltación, o, licencia poética que, distorsiona la realidad de lo que realmente deberían comunicar, y, no pocas veces, tal hecho se debe a que (sobre todo en noticias relativas a cuestiones científicas) no se elige a la persona debidamente preparada y adecuada a la noticia que se quiere ofrecer al público.
La supueta aparición del Bosón de Higgs
Escribo esto a partir de un artículo leído en la prensa diaria que, tratando de hablar de exóticos objetos que existen en el Universo, llegan a hablarnos de estrellas masivas con 400 veces la masa del Sol, y, tal barbaridad, nos lleva a pensar que, para hacer un reportaje o comentario de estos temas, los diferentes medios, deberían acudir a personas versadas en los temas tratados, y, de esa manera, además de quedar mucho mejor, evitarían el ridículo de publicar las cosas alejadas de la realidad.
Buscando en mi documentación, un buen ejemplo de lo que digo, por suerte, me encuentro con un artículo escrito por Don Carlos Miguel Madrid Casado del Departamento de Lógica y Filosofía de la Ciencia en la Facultad de Filosofía de la Universidad Complutense de Madrid, dónde nos deja un claro ejemplo de lo que no debiera ser. Aquí os lo dejo.
Nubes moleculares en Orión que son los materiales primigenios para complejidades futuras
“Edward Lorenz (1917-2008): ¿Padre de la Teoría del Caos?
El miércoles de 16 de abril de 2008, a los 90 años de edad, moría Edward Norton Lorenz. Los periódicos de medio mundo pronto se hicieron eco de la noticia. Todos los obituarios recogieron que había muerto “el Padre de la Teoría del Caos”. Lorenz, escribían, fue el primero en reconocer el comportamiento caótico de ciertos sistemas dinámicos, como el atmosférico. El estudio de este comportamiento altamente inestable y errático le condujo, continuaban, a formular una de las principales características de lo que hoy se llama “caos determinista”: la dependencia sensible a las condiciones iniciales, popularmente conocida como “efecto mariposa”. Lorenz, concluían, fue el artífice de la tercera revolución científica del siglo XX, después de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica.
Pero, alto ahí, ¿ha sido realmente Edward Lorenz el “creador” de la Teoría del Caos? ¿O acaso su papel de estrella protagonista se debe más bien a una inusitada alianza entre mérito y fortuna? El propósito de esta nota es ofrecer una panorámica de la Historia de la Teoría del Caos que complique su nacimiento y enriquezca su evolución, sacando a la luz la figura de ciertos científicos que el gran talento de Lorenz ha ensombrecido y ocultado.Comenzamos nuestra panorámica retrocediendo hasta los tiempos de la Revolución Científica. El intento por comprender las trayectorias planetarias observadas por Kepler condujo a Newton a modelarlas matemáticamente, siguiendo la estela de Galileo. Newton formuló sus leyes de una forma matemática que relacionaba entre sí las magnitudes físicas y sus ritmos de cambio. Las leyes físicas quedaron expresadas como ecuaciones diferenciales. Estudiar un fenómeno físico y hallar las ecuaciones diferenciales que las gobernaban eran las dos caras de la misma moneda.
Desde el siglo XVII, toda la naturaleza –sólidos, fluidos, sonido, calor, luz, electricidad- fue modelada mediante ecuaciones diferenciales. Ahora bien, una cosa era dar con las ecuaciones del fenómeno en cuestión y otra, bien distinta, resolverlas. La teoría de las ecuaciones diferenciales lineales fue desarrollada por completo en poco tiempo. No así la teoría gemela, la teoría de las ecuaciones diferenciales no lineales.
Uno de los problemas no lineales que trajo de cabeza a físicos y matemáticos fue el problema de los n cuerpos de la Mecánica Celeste: dados n cuerpos de distintas masas bajo atracción gravitacional mutua, se trataba de determinar el movimiento de cada uno de ellos en el espacio. Newton resolvió geométricamente el problema de los dos cuerpos en los Principia. Posteriormente, Bernoulli y Euler lo resolvieron analíticamente con todo detalle. Sin embargo, no ocurrió así con el problema de los tres cuerpos. Newton sabia que, cuando un tercer cuerpo entraba en escena, el problema no era fácilmente resoluble, y que esto traía serias consecuencias para la cuestión de la estabilidad del Sistema Solar (que, a fin de cuentas, en la época, pasaba por ser un sistema de siete cuerpos). Aunque débiles en comparación con la fuerza de atracción del Sol, las fuerzas gravitatorias entre los planetas no eran ni mucho menos despreciables, por cuanto a la larga podían desviar algún planeta de su órbita e incluso, en el límite, expulsarlo fuera del Sistema Solar.
El matemático suizo Leonhard Euler
Las fuerzas interplanetarias podían estropear las bellas elipses keplerianas, sin que fuera posible predecir el comportamiento del Sistema Solar en un futuro lejano. En Motu corporum in gyrum, Newton afirmaba que los planetas no se mueven exactamente en elipses ni recorren dos veces la misma órbita, y reconocía que definir estos movimientos para todo futuro excedía con mucho la fuerza entera del intelecto humano. Si el Sistema Solar se iba desajustando, era necesaria una solución drástica: la Mano de Dios tenía que reconducir cada planeta a su elipse, reestableciendo la armonía. Este Deus ex machina newtoniano provocó, como es bien sabido, la ira de Leibniz, para quien Dios no podía ser un relojero tan torpe.
Tiempo después, Laplace creyó explicar las anomalías orbitales que preocuparon a Newton como meras perturbaciones que sólo dependían de la Ley de Gravitación y tendían a compensarse en el transcurso del tiempo. Así, al presentar su Mecánica Celeste a Napoleón, exclamó que Dios no era una hipótesis necesaria en su sistema del mundo. Sin embargo, en sus ecuaciones del sistema Sol-Júpiter-Saturno (problema de los tres cuerpos), Laplace despreció un término matemático que creía muy pequeño pero que, en contra de lo por él supuesto, podía crecer rápidamente y sin límite, hasta desestabilizar el Sistema Solar.
Muchos físicos y matemáticos decimonónicos dedicaron sus esfuerzos a dar una respuesta completa al problema de los tres cuerpos y a la cuestión de la estabilidad del Sistema Solar. Entre ellos, uno de los personajes clave en la configuración de la Teoría del Caos: Henri Poincaré.
Henri Poincaré
En 1855, los matemáticos europeos tuvieron noticia de que un importante concurso internacional iba a ser convocado bajo el auspicio de Oscar II, rey de Suecia y Noruega, para celebrar su sesenta aniversario en el trono. Se ofrecía un sustancioso premio al matemático capaz de resolver el problema de los tres cuerpos y, de este modo, avanzar en el estudio de la estabilidad del Sistema Solar. Alentado por la competencia, Poincaré procedió a sintetizar muchas de sus ideas acerca del estudio cualitativo o topológico de las ecuaciones diferenciales no lineales. El Jurado declaró ganador a Poincaré por una compleja resolución del problema restringido de los tres cuerpos, en que un planeta ligero se mueve bajo la atracción gravitatoria de dos estrellas iguales que giran una alrededor de la otra describiendo dos elipses confinadas en un mismo plano. Sin embargo, el artículo de Poincaré contenía un error y una tirada completa de la prestigiosa revista Acta Mathemática hubo de ser destruida.
A toda prisa, Poincaré revisó su trabajo y descubrió que, en verdad, no podía probarse la estabilidad del sistema, porque su dinámica no seguía pauta regular alguna. Su revisión del problema contiene una de las primeras descripciones del comportamiento caótico en un sistema dinámico. Poincaré fue, desde luego, el abuelo de la Teoría del Caos. Además, a partir de entonces, Poincaré contribuyó como pocos, a popularizar la idea de que existen sistemas deterministas cuya predicción a largo plazo resulta imposible. En Ciencia y Método, escribía: “Puede suceder que pequeñas diferencias en las condiciones iniciales produzcan algunas muy grandes en los estados finales. Un pequeño error al inicio engendrará un enorme error al final. La predicción se vuelve imposible”.
¡Caramba! Medio siglo antes que Lorenz, Poincaré se había topado con… ¡el efecto mariposa! Aún más: el genial matemático francés señaló que el tiempo meteorológico hacía gala de esta clase de inestabilidad y apuntó qué dificultades se derivarían para la predicción meteorológica. En su labor divulgadora no estuvo solo: su compatriota Pierre Duhem difundió las investigaciones de Poincaré y, también, de Jacques Hadamard, quien fue pionero en demostrar matemáticamente que, para cierto sistema dinámico hoy conocido como el Billar de Hadamard, un pequeño cambio en las condiciones iniciales provoca un notable cambio en la posterior evolución del sistema.
Durante el primer cuarto del siglo XX, la influencia de Poincaré no desapareció y se dejó notar en los trabajos de George David Birkhoff a propósito de las características cualitativas y topológicas de los sistemas dinámicos. Tampoco puede olvidarse el papel de Stephen Smale, que ganaría la Medalla Fields –el Premio Nobel de los matemáticos- en 1966 por sus contribuciones a la Teoría de los Sistemas Dinámicos. Mediado el siglo XX, este topólogo continuó la senda trazada por Poincaré t Birkhoff, y descubrió la Herradura de Smale, que pasa por ser el mecanismo topológico que da lugar al caos (efecto mezcla).
George David Birkhoff
Simultáneamente, cruzando el telón de acero, existía otra fértil tradición: la Escuela Rusa. En la U. R. S. S., los físicos y matemáticos habían heredado de Alexander Liapunov sus influyentes nociones acerca de la estabilidad del movimiento de los sistemas dinámicos. Si Poincaré se había ocupado de la teoría de la estabilidad desde una perspectiva cualitativa, Liapunov lo hizo cuantitativamente (exponentes de Liapunov). Recogiendo el testigo de ambos, Kolmogorov y Arnold se concentraron en el estudio de la estabilidad de los sistemas dinámicos de la Dinámica Celeste. Durante la guerra fría, los principales resultados de los matemáticos soviéticos fueron traducidos al inglés y dados a conocer al resto de matemáticos, europeos y norteamericanos, gracias al providencial trabajo de Solomon Lefschetz.
Y en éstas, apareció Lorenz… En 1963, este matemático y meteorólogo, antiguo alumno de Birkhoff en Harvard, estaba trabajando en el pronóstico del tiempo en el MIT. Estudiando la convección en la atmósfera, Lorenz planteó un modelo matemático formado por tres ecuaciones diferenciales ordinarias para describir el movimiento de un fluido bajo la acción de un gradiente térmico. Mientras buscaba soluciones numéricas con la ayuda de una computadora, se encontró –al volver de tomar una taza de café- con que se producía un dramático comportamiento inestable, caótico. Lorenz se había topado por casualidad con el fenómeno de la sensibilidad a las condiciones iniciales, que hacía de su sistema algo en la práctica impredecible. En efecto, tras establecer las propiedades básicas del flujo, Lorenz reparó en que una pequeña variación en las condiciones iniciales ocasionaba estados finales completamente diferentes. Lorenz había descubierto, tomando prestada la indeleble metáfora que forjaría más tarde, el efecto mariposa: el aleteo de una mariposa en Brasil puede ocasionar un tornado en Texas. Ahora bien, sería el matemático norteamericano Guckenheimer el que, allá por los años 70, acuñara la expresión “dependencia sensible a las condiciones iniciales”.
Lorenz publicó su hallazgo en una revista de meteorología, en un artículo titulado Deterministic Nonperiodic Flow, en que citaba expresamente a Poincaré y Birkhoff (aunque desconocía las ideas del primero sobre predicciones meteorológicas), pero que pasó prácticamente desapercibido. Sólo Stephen Smale y James Jorke –el introductor del término caos en la literatura científica- reconocieron las repercusiones filosóficas de la investigación de Lorenz y la dieron a conocer. Si Edward Lorenz ofreció a la comunidad científica el paradigma de sistema dinámico caótico continuo, el zoólogo Robert May dio a conocer en su artículo Simple Mathematical Models with Complicated Dynamics el paradigma del sistema dinámico caótico discreto: la aplicación logística.
A finales de los 70 y principios de los 80, la exploración de aplicaciones de la Teoría del Caos comenzó a dar sus frutos más allá de las simulaciones en las pantallas de ordenador. Entre los fenómenos físicos estudiados destaca, sin duda, la transición a la turbulencia en los fluidos, cuyo estudio contaba con el precedente que suponía el artículo On the nature of turbulence de David Ruelle y Floris Takens, quiénes introdujeron la noción de atractor extraño. Paralelamente, el físico Mitchell Feigenbaum descubrió heurísticamente ciertas constantes universales que caracterizan la transición del movimiento periódico al movimiento caótico, dando inicio a una de las ramas más prometedoras de la Teoría del Caos a día de hoy: la Teoría de la Bifurcación.
En resumidas cuentas, a comienzos del siglo XXI, la Teoría del Caos se nos aparece como la ciencia fisicomatemática que estudia el comportamiento aperiódico e inestable en sistemas deterministas no lineales. Mientras que la revolución relativista fue, prácticamente, fruto de un único hombre (Albert Einstein), y la revolución cuántica lo fue de apenas un puñado (Planck, Bhor, Heisenberg, Schrödinger, Dirac), la revolución del caos determinista es, en cambio, obra de múltiples. La Teoría del Caos es hija tanto de matemáticos (Poincaré, Hadamard, Birkhoff, Smale, Yorke…) como de físicos, biólogos y otros tantos científicos de campos dispares (Lorenz, May, Feigenbaum…). Atribuir su paternidad únicamente a un hombre, aun cuando sea Lorenz, es una simplificación excesiva. Lorenz fue, por así decirlo uno de los muchos padres.”
Hasta aquí el artículo que el Señor Madrid Casado escribió y fue publicado en el número 3 del volumen 22 de la Revista Española de Física en 2008.
El trabajo está bien y nos introduce en la historia de la Teoría del Caos desde sus raíces, y, lo único en lo que podemos disentir del autor es, en el hecho cierto de que, Einstein, autor de la relatividad, también se apoyó en muchos (Mach, Maxwell, Lorentz, -en la primera parte, y, sobre todo en Riemann, en la segunda), aunque eso no le quita ni una pizca del mérito que tiene como científico que supo aunar muchos conocimientos dispersos, unirlos en una sola entidad y hacer ver al mundo lo que allí había. Y, por otra parte, al hablar de la Mecánica Cuántica, excluye a Einstein que, en verdad (aunque la combatió) fue uno de sus padres en aquellos primeros momentos, su trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le dio el Nobel de Física) así lo demuestra. Por otra parte, no habría estado de más y de pasada, comentar que Poincaré fue el autor de la “Conjetura” que lleva su nombre y que ha estado ahí 100 años sin que nadie la resolviera hasta que llegó, un matemático extraño, llamado Perelman (ruso) que sin tener el premio que ofrecían al ganador, puso en Internet la solución. Este personaje, no acudió a la cita en Madrid, donde se celebraba el Año Internacional de las Matemáticas y el rey le entregaría la Medalla Field. Todos se quedaron esperando y él, que vicía con su madre en un apartamento de 65 m2, estaba con su cestita al brazo cogiendo setas en el campo.
De todo esto podemos obtener la consecuencia de que, todo tiene otra historia detrás, y, si profundizamos, la podemos descubrir para conocer de manera completa y precisa, el transcurso de los hechos y los personajes que en ellos tomaron parte.
emilio silvera
¡Preludio a la relatividad! -Las ecuaciones de Lorentz-Fitzgerald- Éste último pensaba y decía cosas comos estas:
George FitzGerald
“…telegrafía debe mucho a Euclides y otros geómetras puro, al griego y árabe matemáticos que inventó nuestra escala de numeración y álgebra, de Galileo y Newton, quien fundó la dinámica, para que Newton y Leibniz inventó el cálculo, para que Volta descubrió la galvánica bobina, a Oersted quien descubrió la acción magnética de las corrientes, que a Ampère descubrió las leyes de su acción, a Ohm que descubrió la ley de la resistencia de los cables, a Wheatstone, de Faraday, a Lord Kelvin, a Clerk Maxwell, Hertz a .Sin los descubrimientos, invenciones, y las teorías científicas resumen de estos hombres telegrafía, ya que ahora es, sería imposible.”
“La función de la Universidad es, sobre todo, enseñar a la humanidad...en todo momento los más grandes hombres siempre han sostenido que su deber principal es el descubrimiento de nuevos conocimientos, la creación de nuevas ideas para toda la humanidad, y no la instrucción de los pocos que encuentran conveniente a residir en su vecindad inmediata.…Åre las Universidades de dedicar las energías de los intelectuales más avanzados de la edad a la instrucción de toda la nación, o en las instrucciones de los pocos cuyos padres pueden pagar a uno – en algunos lugares de lujo – la educación que en la naturaleza de las cosas sólo al alcance de los ricos?”
Hendrik Antoon Lorentz
Se le deben importantes aportaciones en los campos de la termodinámica, la radiación, el magnetismo, la electricidad y la refracción de la luz. Formuló conjuntamente con George Francis FitzGerald una teoría sobre el cambio de forma de un cuerpo como resultado de su movimiento; este efecto, conocido como “contracción de Lorentz-FitzGerald”, cuya representación matemática de ella es conocida con el nombre de transformación de Lorentz, fue una más de las numerosas contribuciones realizadas por Lorentz al desarrollo de la teoría de la relatividad.
Fue, al igual que Henri Poincaré, uno de los primeros en formular las bases de la teoría de la relatividad (frecuentemente atribuida primaria o solamente a Albert Einstein). Fue ganador del Premio Nobel de Física en 1902, junto con su pupilo Pieter Zeeman, por su investigación conjunta sobre la influencia del magnetismo en la radiación, originando la radiación electromagnética. También fue premiado con la Medalla Rumford en 1908 y la Medalla Coplay en 1918. Lorentz era hombre humilde y sencillo y le gustaba resaltar los logros de los demás:
“Como es probable que sepas, gran parte de nuestro conocimiento sobre la electricidad y el magnetismo se basa en los experimentos ingeniosísimos realizados por Michael Faraday en la primera parte del siglo XIX. Faraday era un experimentador genial, y descubrió numerosos fenómenos desconocidos hasta entonces, como la inducción mutua. Estableció diversas leyes, pero no pudo elaborar una teoría global acerca del electromagnetismo porque sus conocimientos matemáticos no iban más allá de la trigonometría: hacía falta un teórico capaz de amalgamar el conocimiento adquirido por Faraday y otros experimentadores, como Hans Christian Ørsted, en una teoría general.
Ese teórico era otro genio, James Clerk Maxwell, que estableció un conjunto de cuatro ecuaciones diferenciales bellísimas que describían de una manera extraordinariamente precisa los resultados de casi todos los experimentos de Faraday, Ørsted y compañía. Lo más sorprendente, para el propio Maxwell y sus contemporáneos, fue una de las consecuencias inevitables de sus ecuaciones: la existencia de perturbaciones del campo eléctrico y el magnético que se propagaban por el espacio.”
A la contracción, Einstein le dio un marco teórico en la teoría especial de la relatividad. En esta teoría, un objeto de longitud l0 en reposo en un sistema de referencia parecerá, para un observador en otro sistema de referencia que se mueve con velocidad relativa v con respecto al primero, tener longitud 
, donde c es la velocidad de la luz. La hipótesis original atribuía esta contracción a una contracción real que acompaña al movimiento absoluto del cuerpo. La contracción es en cualquier caso despreciable a no ser que v sea del mismo orden o cercana a c.
Un objeto que se moviera a 11,2 Km/s (la velocidad de escape de nuestro planeta) experimentaría sólo una contracción equivalente a 2 partes por cada 1.000 millones en el sentido del vuelo. Pero a velocidades realmente elevadas, tal contracción sería sustancial. A unos 150.000 Km/s (la mitad de la velocidad de la luz) sería del 15%; a 262.000 Km/s (7/8 de la velocidad de la luz), del 50%. Es decir, que una regla de 30 cm que pasara ante nuestra vista a 262.000 Km/s nos parecería que mide sólo 15’24 cm, siempre y cuando conociéramos alguna manera para medir su longitud en pleno vuelo. Y a la velocidad de la luz, es decir, 300.000 Km/s en números redondos, su longitud en la dirección del movimiento sería cero. Puesto que, presuntamente, no puede existir ninguna longitud inferior a cero, se deduce que la velocidad de la luz en el vacío es la mayor que puede imaginarse el universo.
experimento conocido de Michelson-Morley
Todo aquello fue posible gracia a que en 1893, el físico irlandés George Francis FitzGerald emitió una hipótesis para explicar los resultados negativos del experimento conocido de Michelson-Morley. Adujo que toda materia se contrae en la dirección del movimiento, y que esa contracción es directamente proporcional al ritmo (velocidad) del movimiento.
Según tal interpretación, el interferómetro se quedaba corto en la dirección del “verdadero” movimiento terrestre, y lo hacía precisamente en una cantidad que compensaba con toda exactitud la diferencia de distancias que debería recorrer el rayo luminoso. Por añadidura, todos los aparatos medidores imaginables, incluyendo los órganos sensoriales humanos, experimentarían ese mismo fenómeno.
Parecía como si la explicación de FitzGerald insinuara que la Naturaleza conspiraba con objeto de impedir que el hombre midiera el movimiento absoluto, para lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento.
Este asombroso fenómeno recibió el nombre de “contracción de FitzGerald”, y su autor formuló una ecuación para el mismo que, referido a la contracción de un cuerpo móvil, fue predicha igualmente, y de manera independiente, por H.A.Lorentz (1853-1928) de manera que, finalmente, se quedaron unidas como “Contracción de Lorentz-Fitz Gerald”.
El efecto Fitzgerald sobre longitudes y el efecto Lorentz sobre masas mantuvieron una conexión tan estrecha que aparecieron a menudo agrupadas como las ecuaciones Lorentz-Fitzgerald.
Después llegó Einstein que se apropió de aquella idea y, además, la amplió al contraer también el Tiempo. La contracción de la longitud ha sido verificada en el diseño, por ejemplo, del acelerador lineal de la Universidad de Stanford. Las partículas salen con una velocidad v = 0,999975c, por tanto, cada metro de tubo acelerador es “visto” por los electrones como 144 metros. Si, según la expresión anterior, un cuerpo con masa se moviera a la velocidad c desaparecería por contracción de su longitud para un observador en reposo, lo cual refuerza el carácter inalcanzable de esta velocidad. Si los objetos con masa alcanzan este límite de velocidad la estructura básica de la realidad se desvanece. Por otra parte, vemos que cualquier influencia que afecte al tiempo también lo hará con el espacio. Esto no nos debe de extrañar, ya que ambas magnitudes se encuentran íntimamente relacionadas por lo único que se nos mantiene invariable: la velocidad de la luz. En relatividad hablamos de espacio-tiempo ya que son inseparables.
A la contracción, Einstein, le dio un marco teórico en la teoría especial de la relatividad. En esta teoría, un objeto de longitud /0 en reposo en un sistema de referencia parecerá, para un observador en otro sistema de referencia que se mueve con velocidad relativa v con respecto al primero, tener longitud /0 , donde c es la velocidad de la luz. La hipótesis original atribuía esta contracción a una contracción real que acompaña al movimiento absoluto del cuerpo. La contracción es en cualquier caso despreciable a no ser que v sea del mismo orden o cercana a c.
Un objeto que se moviera a 11 km/s (la velocidad de escape de nuestro planeta) experimentaría sólo una contracción equivalente a 2 partes por cada 1.000 millones en el sentido del vuelo. Pero a velocidades realmente elevadas, tal contracción sería sustancial. A unos 150.000 km/seg. (la mitad de la velocidad de la luz, c), sería del 15%; a 262.000 km/seg. (7/8 de la velocidad de la luz), del 50% Es decir, que una regla de 30 cm. que pasara ante nuestra vista a 262.000 km (seg., nos parecería que mide sólo 15’54 cm…, siempre y cuando conociéramos alguna manera para medir su longitud en pleno vuelo. Y a la velocidad de la luz, es decir, 300.000 km/seg., en números redondos, su longitud, en la dirección del movimiento, sería cero. Puesto que, presuntamente, no puede existir ninguna longitud inferior a cero, se deduce que la velocidad de la luz en el vacío es la mayor que puede imaginarse en el Universo. (Pero ¿existir también?).
El físico holandés Hendrik Antón Lorentz, como hemos dicho, promovió ésta idea pensando en los rayos catódicos (que ocupaban su actividad por aquellas fechas), se hizo el siguiente razonamiento: si se comprimiera la carga de una partícula para reducir su volumen, aumentaría su masa. Por consiguiente, una partícula voladora, escorzada en la dirección de su desplazamiento por la contracción de Fitz Gerald, debería crecer en términos de masa.
Un objeto que corra a velocidades cercanas a la de la luz, verá incrementada su masa
Lorentz presentó una ecuación sobre el acrecentamiento de la masa, que resultó muy similar a la ecuación FitzGerald sobre el acortamiento. A 149.637 kilómetros por segundo, la masa de un electrón aumentaría en un 15%; a 262.000 km/seg., en un 100% (es decir, la masa se duplicaría); y a la velocidad de la luz, su masa sería infinita. Una vez más pareció que no podría haber ninguna velocidad superior a la de la luz, pues, ¿cómo podría ser una masa mayor que infinita? El efecto FitzGerald sobre longitudes y el efecto Lorentz sobre masas mantuvieron una conexión tan estrecha que aparecieron a menudo agrupadas como las “ecuaciones Lorentz-FitzGerald.”
Mientras que la contracción FitzGerald no podía ser objeto de mediciones, el efecto Lorentz sobre masas si podía serlo…, aunque indirectamente. De hecho, el muón, tomó 10 veces su masa original cuando fue lanzado, a velocidades relativistas, en el acelerador de partículas, lo que confirmó la ecuación de Lorentz. Los experimentos posteriores, han confirmado las ecuaciones de ambos: a velocidades relativistas, las longitudes se contraen y las masas se incrementan.
Nada puede viajar a la velocidad de la luz
Como es conocido por todos, Einstein adoptó estos descubrimientos y los incorporó a su teoría de la relatividad especial que, aunque mucho más amplia, recoge la contracción de FitzGerald y el aumento de la masa de Lorentz cuando se alcanzan grandes velocidades.
¡Qué cosas!
Algunas veces pienso que, los artistas en general, y los poetas en particular, tendrían que adaptar e incluir a sus esquemas artísticos y poéticos, los adelantos científicos, para asimilarlos en las diversas expresiones y sentimientos que serán después puestos al servicio del consumo humano.
Estos adelantos científicos serían así coloreados con las pasiones humanas y transformadas, de alguna forma, en la sangre, y por qué no, los sentimientos de la naturaleza humana.
Posiblemente, de haberlo hecho así, el grado general de conocimiento sería mayor.
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