Una metafísica de la energía

Patricio Valdés Marín
pvaldesmarin@hotmail.com

Este trabajo estará dedicado a explicar la naturaleza misma de la energía. Y podremos entender la energía, en el concepto más genérico, como un principio de actividad, cambio y estructuración. No es una cosa, una sustancia ni tampoco un fluido. No tiene existencia en sí misma, pero está presente en todo el universo. De hecho, el universo entero está construido de energía como su única materia prima.

La importancia de este trabajo radica en que intenta aproximarse a la realidad desde la perspectiva de la energía y no de la materia, pues esta última ha sido el objeto material de los filósofos desde la antigüedad. En cambio, ni Heráclito, para quien todo es devenir, filosofó sobre la energía. La razón es que el concepto de energía surgió con la ciencia moderna, recién en la segunda mitad del siglo XIX. Ello quiere decir también que este esfuerzo filosófico será hecho sobre fundamentos construidos por la ciencia.

El big bang marca el principio de universo y también lo más antiguo que nos es posible llegar a conocer. Antes de este singularísimo evento, no podemos conocer nada, pues nuestro conocimiento proviene de la experiencia acerca el universo. En la experiencia científica podemos observar y medir la energía –presión, temperatura, fuerza, etc.–, pero no directamente, sino que en los objetos materiales. Podemos concluir que la energía no tiene existencia en sí misma. Sin embargo, si afirmamos tal cosa, podemos inferir que ella debió previamente haber estado contenida en alguna entidad. El concepto bíblico de “creación” y del universo como “soplo divino” comienzan a adquirir significado objetivo.

Una característica de la energía es que no tiene ni tiempo ni espacio. Estos parámetros pertenecen a la materia. Por lo tanto, el big bang se originó en un punto atemporal y adimensional. Podemos inferir que en el mismo instante del big bang la energía se convirtió en materia. Y en su interacción la materia comenzó a desarrollar el tiempo y el espacio, y el universo comenzó a devenir, expandiéndose desde entonces y desde este origen a la velocidad constante de la luz. Dadas su densidad y su temperatura, en un comienzo y por algún tiempo el universo estuvo constituido por un plasma abrasador y superdenso, pero que tendía a enfriarse y a aligerarse por estar en expansión.

La energía primordial no comenzó como algo amorfo o indeterminado. Contenía en sí misma los modos precisos y específicos de su conversión en materia. Esta idea podría ser una salida para la absurda polémica entre evolucionistas y creacionistas que está en boga en EE.UU. Una parte de la energía se convirtió en masa y otra parte, en cargas eléctricas de dos signos. Desde luego, esta conversión no fue tan simple y los físicos nucleares hacen enormes esfuerzos para comprender las funciones y características de las decenas de partículas subatómicas que surgen de las colisiones que ellos producen en aceleradores de partículas.

Lo que puede concluirse de lo anterior es que la energía no es una capacidad indiferenciada y amorfa que posee un cuerpo, sino que puede transformarse en masa y carga eléctrica o ser usada por la masa o la carga eléctrica de manera tan distintiva que llega a poseer un comportamiento absolutamente determinado, y de este comportamiento se pueden reconocer leyes naturales. Desde el mismo comienzo del universo la energía se ha condensado en determinadas partículas fundamentales distintivas, siendo las pertenecientes a cada tipo idénticas entre sí, por lo que funcionan del mismo modo. Adicionalmente, éstas han podido interactuar e interactúan de modo absolutamente determinado en su propia escala, y pueden estructurar cosas en escalas superiores también de modo determinado, según las leyes naturales que devela la ciencia.

Algunos científicos creen observar un completo indeterminismo en el origen del universo, pudiendo éste haber evolucionado indistintamente y al azar en cualquier sentido. No logran considerar el hecho de que el universo ha seguido la dirección impresa desde su origen según las propiedades de la energía primordial, la que para nada ha sido azarosa. La energía primigenia ha ido dando origen a la estructura­ción ulterior de la materia, a partir de su condensación primera en partículas fundamentales, en un acto de creación que no tiene término y según un código preestablecido.

La conversión de la energía en materia requirió ingentes cantidades de energía. La conversión en masa obedece a la famosa fórmula de Alberto Eistein E = mc², que indica la enorme cantidad de energía requerida en su condensación en masa. Una energía (cinética) infinita –concepto aborrecible por la ciencia, que estudia lo que es delimitado– se requirió adicionalmente para proyectar la materia masiva desde su origen en el big bang a la velocidad de la luz hacia todas direcciones. La conversión en carga eléctrica requirió también mucha energía. La fuerza para vencer la resistencia entre dos cargas eléctricas del mismo signo es enorme. Se calcula que solamente 100.000 electrones reunidos en un punto ejercen la misma fuerza que toda la masa existente en la Tierra. Habiéndose transformado la energía en masa y carga eléctrica, podemos concluir entonces que la energía pasa a constituirse en una propiedad que poseen ambos tipos de concreciones materiales de la energía.

A partir del big bang, fue posible también el desarrollo del tiempo y la extensión del espacio. Este desarrollo y esta expansión no fueron independientes de la conversión de la energía en masa y carga eléctrica. Las partículas fundamentales responsables de estas dos propiedades son altamente funcionales y generan sus propios campos espaciales de fuerza, dentro de los cuales pueden interactuar causalmente. A partir de la transformación de la energía en partícu­las fundamentales que crean sus propios campos de fuerza, surgieron el tiempo y el espacio. El tiempo mide la duración que tiene una relación causal y el espacio mide su extensión. De este modo, ambos –el espacio y el tiempo– son las medidas de la extensión y de la duración de un proceso. En ambos casos el espacio y el tiempo miden una causa en relación a su efecto. Por una parte el espacio mide la distancia entre una causa y su efecto y el cambio operado por ambos. Por la otra el tiempo mide lo que demora una causa en afectar un efecto y cuanto demora un cambio mientras ocurre. Cuando el cambio se mide a través de la relación causal, el tiempo se vuelve irreversible, porque existe gasto de energía y estructuración de algo. El espacio y el tiempo no sólo dependen de la materia y la energía, sino que son posteriores temporal y naturalmente. El tiempo es la tasa a la cual la energía se transfiere.

El universo que devino del big bang se caracteriza por ser un continuo devenir y transformación. Pero todo cambio es un proceso que se desarrolla en el tiempo y abarca un espacio definido. Específicamente, tanto como la estructuración de la materia conformó el espacio (un espacio es inconcebible si no es parte de una estructura), la funciona­lidad de las estructuras que transforma la energía en fuerza hizo posible el tiempo (el tiempo es generado por la relación causal).

Para que estas partículas materiales puedan interactuar necesitan poseer energía. Pero el intercambio de energía entre las partículas fundamentales es discreto, es decir, la energía se traspasa en paquetes o cuánticamente. Esto quiere decir que ambos, el tiempo y el espacio, no son continuos ni infinitesimalmente pequeños, sino que son granulados, siendo el número de Planck sus dimensiones menores.

Desde el punto de vista de la materia, una cosa tiene energía si es capaz de ejercer una fuerza sobre una distancia. La física llama trabajo a esta capacidad. Así, la energía se distingue de la fuerza en el sentido de que la primera es un poder que tiene una cosa o un cuerpo, y la segunda es ejercida por una cosa o cuerpo en uso precisamente de ese poder. Específicamente, la energía es la medida de la fuerza que puede ejercer una cosa o cuerpo y está rela­cionada con su masa a través de la velocidad.

Aunque la masa de una cosa se conserva invariante a través de los procesos físi­cos y químicos, su energía sufre variaciones. Ésta depende tanto de la cantidad de masa como de su velocidad. Pero la velocidad de un cuerpo es siempre rela­tiva a otro cuerpo; está siempre referida a otro cuerpo. Luego, la energía de un cuerpo está en función de la velocidad que tenga respecto a este otro cuerpo.

Específicamente, la energía se relaciona con la masa en dos formas distintas: como energía potencial y como energía cinética. Esta distinción ayuda a comprender mejor la idea de una energía variable en razón de la velocidad y relativa a un segundo cuerpo. La cantidad de energía potencial que un cuerpo puede acumular en sí mismo depende primariamente de la cantidad de masa que contenga. Secundariamente, la energía potencial es una medida del efecto que un cuerpo es capaz de ejercer sobre otro en virtud de sus respec­tivas posiciones, direcciones y velocidades relativas.

Para ser utilizada, la energía potencial debe trans­formarse en energía cinética. Más aún, para volverse en otras formas de energía la energía potencial debe transformarse primero en energía cinética. Pero la transformación de la energía potencial en energía cinética es sólo un asunto de perspectiva. Con­forme se relaciona un cuerpo con otro en función del movimiento, la cantidad de masa específica que el primero contiene adquiere una energía cinética determinada por el movimiento relativo de ambos cuerpos. Luego, la energía cinética es la medida del efecto que la masa de un cuerpo puede ejercer sobre la masa de otro por obra de la velocidad.

Para la teoría especial de la relatividad de Einstein, el aumento de la energía cinética de un cuerpo ocurre simultáneamente con el de su masa, y llega a ser infinita para la velocidad de la luz. Por lo que la velocidad de la luz es una barrera infranqueable. Einstein dedujo que la energía de un cuerpo en reposo es el producto de su masa por el cuadrado de la velocidad de la luz. Así, la energía contenida en la masa es enorme (1 gramo de masa contiene 9 billones de julios, ó 25 millones de kilovatios hora). Significa también que la energía y la masa se pueden convertir una en la otra, por lo que la masa es un enorme acumulador de la energía.

El corolario que sigue es que la energía que se debe impri­mir a un cuerpo tendría que ser infinita para que llegara a alcanzar la velocidad máxima límite; o, desde el punto de vista complementario, la masa de tal cuerpo que alcance la velocidad de la luz llegaría a ser infinita en la perspectiva del observador ubicado ya sea en el punto de partida o en el de llegada; toda la energía que se le transfiera se va convirtiendo en masa a medida que el cuerpo se va desplazando cada vez más cercano a la veloci­dad de la luz, desde el punto de vista de dicho observador.

La energía infinita comprometida para proyectar la materia masiva desde su origen en el big bang a la velocidad de la luz hacia todas las direcciones ha generado la fuerza de gravedad. La gravitación universal es el producto de la masa que se aleja de su origen en el big bang a la velocidad de la luz y que se va separando del resto de la masa del universo, por lo que el universo es una enorme máquina que por causa de su expansión genera la fuerza de gravedad. Así, mientras la masa convierte la energía primordial de la expansión del universo en fuerza gravitacional, la carga eléctrica convierte usualmente la energía que se puede obtener de la fuerza de gravedad en fuerza electromagnética.

Toda relación de causa-efecto significa cambio, y el vínculo entre una causa y un efecto es la fuerza. Una causa es el ejerci­cio de una fuerza que tiene por término un efecto. En la relación causal la causa genera una fuerza que el efecto absorbe y, en esta acción, ambos son modificados de alguna manera. Pero el ejercicio de una fuerza requiere contener energía en alguna forma, ya sea acumulada como portadora (energía potencial), ya sea en movimiento como transmisora (energía cinética). Un efecto es producido por la fuerza, recibiendo la energía que ésta porta. La fuerza genera la relación causal al actualizar la energía. La fuerza es el vehículo de la energía que transita a lo largo de un acontecimiento entre una causa y un efecto. El cambio es el producto de la transferencia de energía por medio de la fuerza que produce estructuraciones y desestructuraciones en los cuerpos durante un acontecimiento o proceso.

Puesto que en toda relación causal se produce una secuencia temporal, la fuerza es aquello que se interpone entre el “antes” y el “después” de tal acontecimiento; ella constituye el “ahora” del acontecimiento. En todo cambio hay traspaso de energía de acuerdo a la primera ley de la termodinámica; todo cambio es irreversible, según su segunda ley. Por lo tanto, podemos subrayar que la fuerza genera el devenir y desarrolla el tiempo. Una relación causal determina un tiempo para efectuarse. Este depende de la cantidad de energía que se transfiere y de la velocidad de la transferencia. Un cambio puede ser tan impercep­tible como la evaporación del agua en un vaso en el ambiente de una pieza o tan explosivo como la oxidación de un volumen de hidrógeno.

El espacio es propio de la estructura, y el tiempo, de la fuerza. Entonces, nuestro universo no es el campo espacio-temporal donde juegan fuerzas y estructuras, sino que el juego mismo es el espacio-tiempo desarro­llado por la interacción fuerza-estructura. Si su origen pri­migenio fue una energía infinita contenida en un no-espacio, su evolución en el curso del tiempo ha seguido el transcurso de una continua y cada vez más compleja estructuración, la cual ha ido desarrollado el espacio. En el universo existen un límite inferior y un límite supe­rior para la acción de la causalidad. El límite inferior es la dimensión del cuanto de energía, dado por el número de Planck, y que determina la escala más pequeña para la existencia de la relación causal. El límite superior para la relación causal se refiere a la velocidad máxima que puede tener el cambio, que es la de la luz.

La primera ley de la termodinámica es la de la con­servación de la energía. Esta afirma que todo cambio en la mate­ria debe ser compensado exactamente por la cantidad de energía: “la energía no puede ser creada ni destruida, sólo se transfor­ma”. Como dije, la energía pasa desde una causa hacia un efecto. La energía total de un sistema aislado es siempre constante, a pesar de las transformaciones que haya sufrido.

Podemos distinguir, entre las energías, la térmica, la química, la ra­diante, la eléctrica, la mecánica y la atómica. Estas diversas formas de energía pueden transformarse unas en otras mediante un motor. Éste relaciona lo que tienen en común, que es la fuerza. Ésta se expresa en el cambio del movimiento de los cuerpos, desde partí­culas subatómicas hasta galaxias. Observemos que las estructuras no pueden interactuar si las fuerzas correspondientes no están relacionadas a energías del mismo tipo para que puedan sumarse, restarse o anularse.

El siguiente ejemplo puede ilustrar el caso: la reacción nuclear del Sol, asociada a las estructuras de los núcleos de hidrógeno, produce luz, la que es transmitida por radiación a la Tierra. Esta radiación produce la fotosíntesis, fenómeno químico asociado a una estructura molecular y que produce una estructura con un cierto contenido energético aprovechable. En su estado leñoso o de combustible fósil esta estructura puede combustionarse químicamente para generar calor. El calor, transmitido por radiación infrarroja, conducción y convección, excita los átomos de la estructura cristalográfica del receptor, logrando elevar su temperatura. Si es agua, puede transformarse en vapor, alterando su propia estructura intramole­cular, y adquirir presión, esto es, conservar en sí la energía inicial. La presión del vapor puede mover un mecanismo asociado con una estructura mecánica, como un pistón o una turbina, y hacer girar un eje. Su movimiento, transmitido a un rotor, puede, en combinación con un estator, generar electricidad, energía asociada a la estructura del manto electrónico de los átomos. Mediante una resistencia eléctrica esta energía puede transfor­marse en calor y proseguir por un ciclo diferente y así sucesiva­mente ad in aeternum de acuerdo a la primera ley de la termodiná­mica o ley de conservación de energía.

La segunda ley de la termodinámica nos señala no obstante que cada transformación efectuada es irreversible si no hay aporte adicional de energía, siendo la irreversibilidad una caracterís­tica fundamental de la naturaleza. La energía tiende a fluir desde el punto de mayor concentración de energía al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. Esto es, el flujo tiene un solo sentido y, por tanto, demuestra la irreversibilidad del tiempo, rompiendo la simetría entre el antes y el después y estableciendo la diferencia entre la causa y el efecto. La obten­ción de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

En toda transformación que resulte irreversible en un sistema aislado la entropía aumenta con el tiempo. Entropía es una palabra griega que significa transformación, pero es el término empleado usualmente en la dinámica para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía. Cuanto más uniforme, mayor es la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfecta­mente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cues­tión. Las concentraciones de energía tienden a igualarse y la entropía aumenta con el tiempo.

Sin embargo, la entropía se la representa usualmente como una medida de desor­den. Esta popular imagen se presta a muchos equívocos, pues el desorden se lo representa en forma estructural y, por lo tanto, estático, en circunstancias de que la entropía se trata de un fenómeno dinámico y se refiere únicamente a la energía. El error es explicar lo que ocurre con la energía recurriendo a la estruc­tura. Y así, se afirma que el desorden, imaginado como homogeneización estructural, siempre aumenta con cualquier proce­so que ocurra en un sistema aislado.

Puesto que toda estructura es funcional en toda escala a partir de la estructura más fundamental de todas, el resultado neto de la aplicación de trabajo, que termina en entro­pía, es recíprocamente una mayor estructuración de la materia. Si lo que antes era y ahora aparece disgregado, la disgregación es en efecto la estructura­ción de otra cosa probablemente más compleja y de una escala superior. De éste modo, todo trabajo se emplea en el proceso de estructuración, y toda trans­formación produce nuevas estructuras, incluso de escalas superio­res. En consecuencia, la entropía no significa sólo homogeneización, sino que su resultado es la estructuración, y que lo que la segunda ley de la termodinámica expresa realmente es que en un sistema cualquiera la energía disponible empleada para realizar trabajo no produce necesariamente uniformidad y mucho menos desorden. Por el contrario, esta energía se utiliza para estruc­turar la materia según la funcionalidad de las estructuras y depen­diendo de sus distintas escalas, desde las más simples hasta las más complejas.

Así, pues, la materia no es un algo indiferenciado, sino que estructurado. Y al decir estructurado, me refiero a dos características. En primer lugar, una estructura está compuesta por estructuras de escalas menores y forma parte de estructuras de escalas mayores, y en segundo término, toda estructura es específicamente funcional, es decir, emplea la energía para ejercer fuerza de manera específica. La energía puede medirse por la cantidad, pero en la energía convertida en fuerza gracias a la funcionalidad específica de cada estructura se mide más bien la calidad. Por ejemplo, la energía contenida en el azúcar que la sangre lleva al cerebro es transformada por las neuronas en complejos pensamientos, tales como relacionar conceptos tan abstractos como materia, energía, tiempo, espacio, fuerza y estructura.

Desde el big bang, toda la evolución del universo ha consistido en que la energía primordial se ha transformado en estructuras materiales cada vez más complejas y de escalas cada vez mayores siguiendo el código impreso en la misma energía, que son las leyes naturales. Con la aparición del ser humano, como ser inteligente y libre, por vez primera en esta historia la estructuración llega a ser de la misma energía. Una persona humana puede ser definida por las funciones de su cerebro material compuesto por neuronas, neurotransmisores e impulsos eléctricos. Éste es capaz de generar un pensamiento reflexivo que es tanto abstracto como racional, pudiendo producir primariamente conceptos y conclusiones lógicas, y secundariamente, a partir de la combinación con la afectividad y la efectividad, producir sentimientos e intenciones. En una primera instancia esta multifuncionalidad de sus subestructuras psíquicas es unificada por la conciencia de sí, preocupada como el resto de los seres vivos por sobrevivir y reproducirse. En una segunda instancia, cuando la persona reflexiona sobre el por qué de sí misma, llegando a la conclusión de su propia y radical singularidad, la multifuncionalidad psicológica es unificada por y en su conciencia profunda, o yo mismo.

Lo crucial de la acción intencional es que este yo mismo refleja el yo individual dentro de una cosmovisión particular que el ser humano va conformando, generando y creando en su propia historia consciente. Esta cosmovisión es variada y puede ir desde un egocentrismo enfermizo con la pérdida de la propia identidad, propia de las idolatrías, hasta una cosmovisión en sintonía con la realidad y el pleno ejercicio de la libertad personal, en la que se concretan lazos de amor, solidaridad, bondad, misericordia. En esta acción cognoscitiva, afectiva e intencional el yo adquiere, por así decir, autonomía e independencia de la materia del universo. La reflexión en esta cosmovisión amplía la conciencia de sí individual para descentrar la acción de sí mismo y considerar y valorizar toda la complejidad del universo, teniendo como centro a su creador.

La generación en una persona de una mismidad singular como reflejo de la actividad psicológica del pensamiento racional y abstracto es el máximo logro de la evolución de la materia. Ocurre cuando la materia-energía, a través de la actividad inteligente e intencional de la persona en su conciencia profunda, estructura la energía en una identidad psíquica que comprende la totalidad de la persona. Existe una conversión de lo material en energía en la generación de una estructura única inmaterial. En efecto, este yo mismo o mismidad es precisamente lo esencial de la persona, lo que la constituye. En tanto el yo mismo se establece en una escala superior a partir de una unidad discreta no material, sino únicamente de las energías que caracterizan las funciones psicológicas, esta reflexión introspectiva de la conciencia profunda va generando durante el curso de la vida individual una estructura inmaterial de energías diferenciadas, la que se va constituyendo en forma independiente de las leyes de la termodinámica y, por lo tanto, subsistente, única, irrepetible e inmutable. Esta estructuración es en efecto una estructuración de la energía. Y aunque estos contenidos de conciencia unificados ahora en la conciencia profunda estén asentados en el sustrato material de su estructura neuronal, con sus neurotransmisores y sus impulsos eléctricos, pasan a independizarse de la materia y a tener existencia subsistente en la unidad de esta conciencia, pues ésta ya no constituye una estructura de la materia, sino de la energía. Es así que los seres humanos somos los únicos seres del universo que producimos estructuras de energía.

Cuando la muerte sobreviene, destruyendo la maravillosa estructura corporal de un ser humano y degradándola hasta sus componentes moleculares y atómicos básicos, lo que subsiste sería la estructura puramente de energías diferenciadas del yo mismo que se unifica en la conciencia profunda. Esta estructura sería una síntesis psíquica de la persona singular, con sus experiencias, recuerdos, conocimientos, afectividades e intencionalidades. Ésta buscaría primeramente vincularse con materia para poder manifestarse y ser funcional. Aunque es una entidad absolutamente distintiva, no puede existir por sí misma. Necesita asociarse a la materia para reflexionar y llevar a cabo la acción intencional. Pero el efecto de la muerte de un ser humano es que el yo mismo pierde irreversiblemente la posibilidad de actuar a través de su cuerpo, manifiestamente incapaz de subsistir. En su nuevo estado de existencia el yo personal se libera de la entropía, del consumo de energía de un medio material, lo que significa también que su acción ya no puede tener efectos en el universo físico. La persona, ahora reducida a lo fundamental de su ser –una estructura muy especificada de energías unificadas en la conciencia profunda– necesita y buscaría afanosamente un contenedor de energías para poder manifestarse y expresarse. (Acerca de este último tema, ver más en www.flechavida.blogspot.com, capítulo 6)

Octubre, 2009

Este trabajo fue incluido en mi Libro I, La materia y la energía, pasando a constituir su capítulo 4. Puede verse en www.matener.blogspot.com.