Los problemas vinculados con el espacio, el tiempo y la materia han sido tradicionalmente centrales en la filosofía y la ciencia, desde los presocráticos hasta Kant, Bergson y Heidegger, así como Newton, Einstein, Heisenberg y Prigogine.
Al investigar espacio, tiempo y materia podemos poner una gran cantidad de las preguntas, que ocupan a los filósofos y científicos:
¿Qué es el tiempo? ¿Es independiente del sujeto y puede haberlo sin eventos? ¿El tiempo es circular o lineal, es homogéneo, universal, infinito? ¿Cómo están relacionados el pasado, el presente y el futuro y cómo explicar la flecha del tiempo? ¿Por qué el calor va de los objetos calientes a los fríos, y no al revés? ¿El más allá es espacio o es tiempo? ¿El espacio es finito o infinito, y si es finito, qué se encuentra más allá de sus paredes? ¿El espacio físico está hecho de cuantos (gránulos espaciales)? ¿Qué es la materia? ¿De qué está hecho el universo y por qué las constantes universales y las leyes físicas son tales como son? ¿Qué había antes del universo? ¿Cómo es que podemos conocer el universo? ¿Las cosas son en realidad como las percibimos? ¿Por qué hay algo en vez de nada y cuál es la causa de que el universo exista?
Espacio
El enfoque filosófico: Según Platón, el universo no se halla en un espacio vacío infinito, ni en un medio ambiente del que se nutre, como dicen los pitagóricos: es autosuficiente y, al no tener que entrar en relación con nada más, no necesita nada. Para Platón el espacio es receptáculo de todas las cosas y, al mismo tiempo, por ser nodriza de todo cuanto deviene, representa la materia primordial, que es invisible y amorfa.
De alguna manera este receptáculo-nodriza platónico puede ser identificado con algún vacío físico (cuántico) cargado de energía y partículas virtuales. Según las teorías de la física cuántica en el espacio no existe un vacío absoluto: el propio espacio está conformado por una suerte de estructura energética indeterminada fluctuando permanentemente con enorme rapidez. Es difícil entender que este objeto físico es a la vez vacío y plenitud, nada y algo, que dio origen al mundo manifestado.
Para la filosofía oriental, Akasha (espacio físico) es el quinto elemento omnipresente e imperceptible, el fundamento y la esencia de todas las cosas, que se convierte en el vehículo de la ideación cósmica (pensamiento eterno, nous de los griegos). Según Yoga Vashishta hay tres tipos de espacio: el espacio físico (akasha), el espacio psicológico (chittakasha) y el espacio infinito de la conciencia (chidakasha), que existe en el interior y exterior y es fuente y fin de todo lo existente.
El enfoque científico: : Las concepciones científicas formadas antes del siglo XX perciben el mundo como un estático “escenario” del espacio, y las partículas y fuerzas como actores que actúan en este “escenario”, moviéndose en el medio llamado tiempo. En la física clásica el espacio generalmente se considera que es un espacio euclidiano de tres dimensiones donde cualquier posición puede ser descrita mediante tres coordenadas. La teoría de la relatividad general funde por primera vez el espacio y el tiempo, totalmente separados desde Euclides, en un único continuo de cuatro dimensiones llamado espacio-tiempo. Las ideas de Demócrito subyacen en las teorías newtonianas de espacio absoluto y de tiempo absoluto, mientras que las ideas de Leibniz, en donde el espacio, el tiempo y los objetos están relacionados entre sí, están presentes en la teoría de la relatividad de Einstein.
El cuadro físico contemporáneo del mundo es muy diferente de lo clásico. En lugar del espacio y del tiempo estáticos que son independientes, tenemos un espacio-tiempo dinámico y dependiente de los objetos materiales. Según la teoría de Einstein la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores. Por el mero hecho de movernos, o encontrarse en uno u otro sitio del universo, nuestra percepción del espacio y el tiempo cambia. Al observar objetos en el espacio vemos su pasado, lo que ocurrió hace unos segundos (Luna), minutos (Sol), horas (Urano), años (Próxima Centauri), siglos o aun miles de millones de años. La relatividad desvela que objetos y espacio-tiempo no son totalmente independientes, los objetos deforman el espacio-tiempo y al resultado de estas deformaciones lo llamamos gravedad. Los planetas giran alrededor del Sol porque nuestra estrella “hunde” el espacio-tiempo de modo que los planetas caen hacia él, por el camino más corto. Cuando el tiempo está deformado vemos que los relojes corren más lento (las horas en un avión van más lentas que las horas en la tierra).
En el nivel microscópico los objetos se comportan también de una forma absolutamente inesperada; por ejemplo, no podemos medir simultáneamente y con infinita precisión un par de magnitudes conjugadas, tales como la posición y el momento lineal, o el tiempo de la existencia del sistema y su energía (principio de incertidumbre de Heisenberg). Uno de los fenómenos más sorprendentes de las partículas subatómicas es que, según las leyes de la física cuántica, se pueden relacionar entre ellas a distancia de manera instantánea aun si se encuentran en extremos opuestos de nuestra galaxia (entrelazamiento cuántico = la propiedad de no separabilidad). Están vinculadas más allá del espacio-tiempo, o, dicho de otra manera, parece que el espacio no tiene existencia en el mundo cuántico.
Tales características de tiempo, espacio y materia no parecen intuitivamente claras para nosotros, ya que no se corresponden con la experiencia cotidiana; se manifiestan ya sea a muy grandes velocidades y gravitación o a pequeñas escalas. Por su parte, la física clásica propone una aproximación bastante precisa para solventar la mayor parte de problemas técnicos y explicar muchos fenómenos que no requieren un tratamiento cuántico o relativista.
Desde el punto de vista de la física moderna, el universo surgió tras un evento conocido como el Big Bang (“gran explosión”), con el cual nacen el tiempo y el espacio, y se libera una gran cantidad de energía, que más tarde se transformó en la materia másica. Tomó varios miles de millones de años que las semillas de la materia diferenciada dieran origen a las estructuras cósmicas, galaxias, estrellas, planetas, incluida nuestra Tierra. Según este modelo, materia, tiempo y espacio nacieron de una fuente infinitamente pequeña (singularidad) hace unos 14 000 millones de años.
Después de la expansión inicial brusca, el universo (espacio) sigue su expansión más lentamente para comenzar a expandirse más rápidamente hace 4000 millones de años, y aún lo sigue haciendo. Dependiendo de las características intrínsecas del universo este proceso de expansión del espacio va a continuar para siempre, o se detendrá en un momento, después de lo cual el universo empezará a contraerse hasta que toda la materia en el universo se colapse en un punto donde comenzó todo y que volverá a explotar para comenzar todo de nuevo.
Tiempo
El enfoque filosófico: El tiempo es el medio del devenir, transformación, involución y evolución del mundo manifestado. Al ser el Alma del Universo, el tiempo abarca todas las cosas y las mantiene unidas, dirige la trayectoria de la vida de todos los seres hacia un único objetivo, preserva su identidad, el punto de convergencia del pasado, presente y posible futuro de cada ser.
Según Platón, el cosmos sensible fue creado por el demiurgo, el dios artesano, a imagen de un ser viviente eterno y perfecto (cosmos inteligible), y dado que el nacido no puede ser eterno, el demiurgo crea una imagen móvil de la eternidad, el tiempo, que en su movimiento circular siempre tiende hacia la eternidad.
Los textos sagrados de la India dicen que el Tiempo es el Creador y Señor de lo que ha sido y será.
El tiempo es un océano de creaciones, y es más antiguo que el espacio, ya que el espacio no se puede ver sin tiempo. Es una condición previa para la existencia de cualquier cosa y se manifiesta como un tiempo limitado y medible (Kála), así como un tiempo absoluto infinito y eterno (Mahákála). Pero, además, también existe el No-Tiempo (Akála), que está por encima del tiempo y corresponde a las ideas platónicas de la eternidad.
Podemos mencionar que el jainismo antiguo tuvo una concepción atomista del tiempo, el que estaría constituido por pequeñas unidades o instantes indivisibles del tiempo de mínima duración. Por su parte, la física contemporánea también propone unas teorías según las cuales el espacio-tiempo es discontinuo, tiene una estructura que consiste en pequeños elementos, es decir, es cuántico como lo son la materia y la energía que lo pueblan.
El enfoque científico: El tiempo se define generalmente como una magnitud física con que se mide la duración de las cosas sometidas a cambio, posibilita ordenar los sucesos, estableciendo un pasado, un presente y un futuro y comparar la duración de los eventos y los intervalos entre ellos. En la física clásica, el tiempo es una variable que hay que añadir al espacio, para poder situar con precisión cualquier objeto y su movimiento. Eso está de acuerdo con la concepción de Kant, que establece el espacio y el tiempo como necesarios para cualquiera experiencia humana
Podemos afirmar que el tiempo se define a través del presente; el pasado y el futuro solo pueden considerarse en términos de presente. El tiempo tiene su dirección, que se llama “flecha del tiempo”. Es una de las diferencias entre el tiempo y el espacio: podemos avanzar y retroceder en el espacio mientras que el tiempo no se puede retrasar, solo avanza sin interrupción en una dirección, desde el pasado inmutable hasta el futuro incierto, pasando por el presente, que es un lapso de tiempo de longitud cero. Por otra parte, las leyes fundamentales de la física (de la mecánica, la electrodinámica, la mecánica cuántica) son reversibles. Las ecuaciones que describen estas leyes no cambian si t se sustituye por –t. Aquí nos enfrentamos a la paradoja: las ecuaciones que describen los fenómenos fundamentales son reversibles en el tiempo, pero el universo macroscópico se caracteriza por una evolución temporal irreversible del pasado (“memoria caliente”) al futuro (“memoria fría”), dirigida en una dirección para todos los subsistemas observables del universo.
El tiempo y movimiento están estrechamente relacionados, pero esta relación no explica la naturaleza del tiempo. Cuando decimos “algo se está moviendo”, suponemos que hay un espacio donde ocurre el movimiento, hay un tiempo durante el cual ocurre este movimiento y hay un objeto en movimiento.
La ciencia moderna concibe que la formación del estado actual del universo tuvo lugar hace unos trece o quince mil millones de años, pero aún se cuestiona el hecho de si es este el comienzo absoluto. No se pretende afirmar que antes no hubiera nada, lo único que se afirma es que, si lo hubo, ese estado anterior no tuvo la menor intervención en el estado actual. La ciencia ni afirma ni niega, sino que desconoce, un comienzo absoluto del tiempo.
Materia
El enfoque filosófico: Platón la llama la matriz y omnirreceptiva nodriza y madre, espacio y substrato, es base de todos los fenómenos sensibles y el reino de la necesidad. Es algo no absolutamente homogéneo, siempre en movimiento, sin calidad como sin forma. No es ni corpórea ni incorpórea, sino cuerpo en potencia, así como el cobre es estatua en potencia. Es como una matriz o barro en el cual las ideas y formas son impresas y desde allí las cosas visibles son creadas. Partiendo de la premisa de que existe una fuente de orden y armonía, los platónicos no aceptan la idea de que la materia se ordena a sí misma, y que el orden y la organización aparecen en el proceso de la evolución de la materia: si la materia, de acuerdo con su propia definición, es sin medida, debe obtener las medidas de algo distinto, mejor e inmaterial.
Antes de que surgiera el tiempo, la materia estaba en un estado caótico, sin medida ni orden, y por lo tanto no podía formar estructuras estables, y mucho menos cuerpos capaces de servir como vehículos de la vida. Debido al impacto de las leyes-números en la materia, esta se diferencia en cuatro elementos (según la filosofía oriental, en siete), que en el cuerpo del universo ocupan una posición correspondiente a su peso y movilidad, de modo que el elemento tierra está en el centro, el fuego está afuera, y entre ellos agua y aire que los unen.
La idea platónica de los elementos (cuatro elementos) difiere de las enseñanzas de Aristóteles y los alquimistas medievales, y aún más de la idea de los químicos modernos, que conocen más de cien elementos (una sustancia simple que consiste en átomos con la misma carga en el núcleo atómico).
La descripción platónica o budista de los elementos de la materia no sirve para la ciencia moderna, pero sí en el campo de la filosofía, la medicina, las artes marciales, la psicología y muchas disciplinas tradicionales que clasifican las cosas según el principio de semejanza y de correspondencia que une varios niveles microcósmicos y macrocósmicos.
El enfoque científico: Debe enfatizarse que el concepto de materia se usa en diferentes contextos. En el lenguaje cotidiano, por material nos referimos a lo tangible, accesible a nuestra experiencia directa. En física, la materia es aquello de lo que están hechos los objetos que constituyen el universo observable. Durante un tiempo se consideraba que la materia tenía dos propiedades que juntas la caracterizan: que ocupa un lugar en el espacio y que tiene masa.
En la física moderna, la materia es una forma especial de energía; es todo aquello (masa, campo) que se extiende en el espacio-tiempo y afecta a su estructura. Así todas las formas de materia tienen asociada una cierta energía, pero solo algunas formas de materia tienen masa, que según la fórmula de Einstein (E = m*c2), puede ser transformada en energía y viceversa.
La materia másica ocupa un lugar en el espacio, resiste al cambio de su estado de movimiento o reposo (presenta inercia), es la causa de la gravedad (la atracción que actúa siempre entre objetos materiales, aunque estén separados por grandes distancias) y se organiza jerárquicamente en varios niveles.
El nivel más complejo de la materia es la agrupación en moléculas y estas a su vez son agrupaciones de átomos.
El concepto del átomo se ha cambiado en los últimos cien años. Para la escuela atomista y su fundador Demócrito los átomos son una cosa y otra para los químicos del siglo XIX, pero en uno y otro caso se piensan como partículas indivisibles, eternas, masivas, indestructibles y en movimiento. Este concepto de átomos, visualizados como esferas sólidas, aunque nos ayuda a entender los átomos es incorrecto. En el siglo XX fue descubierto que en realidad el átomo está formado por varias partículas subatómicas, y que además existen partículas más elementales que subyacen a todos los fenómenos materiales (modelo estándar). En la última década del siglo XIX fue descubierto el electrón, y en la primera década del siglo XX Rutherford descubrió el núcleo del átomo, y unos años después, protón y neutrón.
A partir de aquí hay todo un conjunto de partículas subatómicas que acaban finalmente en los constituyentes últimos de la materia. Según los conceptos modernos, hay un número limitado de partículas elementales (es decir, indivisibles). Puede ser que estos constituyentes más pequeños de la materia (leptones, quarks y bosones – portadores de fuerzas) no sean más que diferentes manifestaciones o “estados vibracionales” de una sustancia (cuerdas) más básica, que al vibrar da a las partículas sus propiedades únicas: masa, carga, espín, etc.
Al igual que la luz, las partículas elementales se comportan a veces como si fueran una onda, y otras veces como si fueran corpúsculos. Es decir, “poseen” las propiedades tanto de partículas como de ondas, dependiendo de cómo el sujeto decide observarlas. Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa” (S. Hawking).
En la segunda mitad del siglo XX, apareció una hipótesis sobre la existencia de materia oscura y energía oscura (oscuras por no poder detectarlas, pero vemos su influencia gravitacional en el universo), que constituyen más del 95% de toda la masa/energía de nuestro universo (solo el 5% se asigna a la materia ordinaria, accesible a la investigación científica). Materia oscura es algo que el modelo estándar no describe, ya que, de lo contrario, lo veríamos. Algo que no son ni átomos, ni neutrinos, ni fotones.
“Por el momento, eso es lo que sabemos de la materia: un puñado de tipos de partículas elementales, que vibran y fluctúan de continuo entre el existir y el no existir, pululan en el espacio incluso cuando parece que no hay nada, se combinan entre sí hasta el infinito como las letras de un alfabeto cósmico para contar la inmensa historia de las galaxias, las innumerables estrellas, los rayos cósmicos, la luz del sol, las montañas, los bosques, los campos de grano, las risas de los niños en las fiestas y el negro y estrellado cielo nocturno” (C. Rovelli).
Una de las lecciones más importantes que podemos aprender de la física moderna es que las cosas no son como aparecen a primera vista.
El espacio que nos parece “vacío” y “estático”, como hemos visto, es un entorno activo y dinámico. Por un lado, el espacio en su conjunto está en movimiento, como lo indican las observaciones que afirman el hecho de la expansión del universo. Por otro lado, no hay espacio “vacío”. Si con la ayuda de dispositivos modernos “se mira” a lo que parece ser un espacio “vacío”, se puede “ver” que está lleno de actividad.
La materia, percibida por nosotros como estable, sólida y realmente existente, es en realidad un movimiento incesante de entidades que nos resulta difícil relacionar con nuestra experiencia ordinaria.
El tiempo, aparentemente simple y claro, está plagado de muchos misterios irresolubles.
Uno de los objetivos de la física es entender cómo funciona el universo en el que vivimos, pero otro también es lograr entenderlo de la manera más transparente posible. Espacio, tiempo y materia/energía son, y seguirán siendo, una parte fundamental de la realidad física, pero tal vez (solo tal vez) algún día descubramos que son el reflejo de otra realidad, más profunda y elevada.
El origen de los elementos: El hidrógeno de su cuerpo, presente en cada molécula de agua, provino del Big Bang. No hay otras fuentes apreciables de hidrógeno en el universo. El carbono de su cuerpo se produjo por fusión nuclear en el interior de las estrellas, al igual que el oxígeno. Gran parte del hierro de su cuerpo se produjo durante las supernovas de estrellas que ocurrieron hace mucho tiempo y muy lejos. El oro de sus joyas probablemente se hizo a partir de estrellas de neutrones durante colisiones que pueden haber sido visibles como estallidos de rayos gamma de corta duración o eventos de ondas gravitacionales. Elementos como el fósforo y el cobre están presentes en nuestro cuerpo solo en pequeñas cantidades, pero son esenciales para el funcionamiento de toda la vida conocida. La tabla periódica presentada está codificada por colores para indicar la mejor suposición de la humanidad sobre el origen nuclear de todos los elementos conocidos. Los sitios de creación nuclear de algunos elementos, como el cobre, no son muy conocidos y son temas continuos de investigación observacional y computacional. (https://apod.nasa.gov/apod/ap200809.html)
Anton Musulin