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El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber.

De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.

Operamos con unidades

El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energía, potencia y fuerza.

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1818 – 1889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1736 – 1819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

E: representa la energía

m: la masa

c: la velocidad de la luz en el vacío ¡casi 300 000 km/s!

Einstein nos dijo: “la masa y la energía son manifestaciones de una misma cosa”.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c², que en su versión más famosa se escribe como E = mc²; la ecuación más conocida de la física.

El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

La energía química almacenada durante millones de años en los combustibles fósiles se libera por combustión en calderas y máquinas como energía termal (térmica), la cual, a través de muchos procesos se convierte en energía mecánica, química o electromagnética.

La colisión entre las placas terrestres lleva a que las rocas conformantes de la corteza puedan romperse (fallarse) o bien plegarse. Este último proceso ocurre en aquellos estratos rocosos que se ven sometidos a altas presiones y temperaturas, que permiten que las rocas se tornen dúctiles. Las cadenas montañosas o cordilleras se generan por la colisión de las placas tectónicas y, por lo general, se localizan cerca de sus márgenes.

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

emilio silvera

La idea de que el Universo puede ser en realidad un vasto y complejo holograma, un tipo de representación de un objeto tridimensional en una superficie bidimensional, tal como explicó Stephen Hawking, no es nueva. La polémica teoría de cuerdas, un gran marco teórico que pretende explicar el comportamiento de las partículas y las fuerzas de la Naturaleza, se ha inspirado desde hace décadas en la holografía para tratar de explicar el comportamiento de uno de los fenómenos que más intriga a los científicos: la gravedad. Según esta idea, se puede explicar este fenómeno con una teoría que no incluya este parámetro, lo que implica en definitiva eliminar una dimensión, la de la gravedad, en ese complejo Universo que observamos. Si una imagen bidimensional puede transformarse en una tridimensional en el cine, ¿una imagen más simple y sin gravedad puede explicar el comportamiento del Cosmos, tan influido por la gravedad?

En un artículo publicado en Physical Review Letters este lunes, un equipo de investigadores italianos, británicos y canadienses ha presentado la que dicen es la primera evidencia observacional de que el Universo es un complejo y vasto holograma. Dicho de otra forma, proponen que se puede explicar su comportamiento a partir de teoría cuánticas que no incorporan la dimensión de la gravedad.

«La holografía es un enorme paso adelante para entender la forma como el Universo se formó y adquirió su estructura», ha explicado en un comunicado Kostas Skenderis, investigador en la Universidad de Southampton. «Durante décadas los científicos han tratado de combinar la teoría de Einstein de la gravedad (explica el funcionamiento del Universo a gran escala) con la teoría cuántica (explica el funcionamiento de las pequeñas partículas que componen la materia). Algunos creen que el concepto de un Universo holográfico podría reconciliar ambas. Espero que nuestra investigación sea un paso adelante en esa dirección».

La teoría general de la Relatividad de Einstein explica el Universo a gran escala, pero no puede sumergirse en el misterioso mundo cuántico, habitado por partículas de extraño comportamiento. Y ese es el motivo por el que algunos proponen eliminar el escollo de la gravedad para tratar de unificar la física de lo extremadamente pequeño con la de lo extremadamente grande.

Ecos de la creación

En esta ocasión, los astrofísicos encontraron pruebas que, según ellos, apoyan la interpretación del Universo holográfico, o sea, que se puede explicar sin la dimensión de la gravedad. Descubrieron estas evidencias en algunas irregularidades de la radiación de fondo de microondas, ese eco de calor que queda hoy en día después del Big Bang.

«Imagina que todo lo que ves, sientes y oyes en tres dimensiones, (junto a tu percepción del tiempo), en realidad surge de un campo plano de dos dimensiones. Esta idea es similar a los hologramas típicos donde una imagen tridimensional se forma a partir de una superficie bidimensional, como en el holograma de una tarjeta de crédito. Pero en este caso, este holograma codifica al Universo entero».

¿Explica lo cuántico el Cosmos?

Gracias a los cada vez más sensibles telescopios y sensores, en las últimas décadas los investigadores han ido accediendo poco a poco a nuevas capas de información hallada en la radiación de fondo de microondas. En esta ocasión, estos científicos pudieron hacer complejas comparaciones entre esta red y lo predicho por la teoría de campos cuánticos. Así, concluyeron que algunas de las teorías cuánticas de campos podrían explicar casi todas las observaciones cosmológicas del Universo temprano.

La esperanza de los investigadores es poder explicar desde la física de lo más pequeño cómo surgió el tiempo y el espacio en el Universo, cuando este era un recién nacido.

Este esfuerzo de recurrir a la holografía, y explicar el comportamiento de las partículas quitando la dimensión de la gravedad, es especialmente importante para entender los misteriosos agujeros negros o las interacciones de las partículas. Sin embargo, esto no es precisamente una tarea sencilla: junto a la complejidad de las matemáticas asociada a este tipo de estudios, hay que contar con el desconocimiento que hay sobre la física de partículas y sobre los orígenes del Universo.

La investigación ha sido realizada por científicos de la Universidad de Southampton (Reino Unido), de la Universidad de Waterloo (Canadá), del Instituto Perimeter (también Canadá), del Instituto Nacional de Física Nuclear (Italia) y de la Universidad de Salento (también Italia).