De las muchas ciencias que ha cultivado el ser humano, acaso la cosmolog\u00eda sea la m\u00e1s singular. Es, sin duda, la m\u00e1s antigua. En las costas j\u00f3nicas del Asia Menor, los primeros fil\u00f3sofos-cient\u00edficos que el mundo conoci\u00f3, Thales, Anaximandro, Anax\u00edmenes, y otros hoy olvidados comenzaron por preguntarse sobre la naturaleza del mundo: \u00bfqu\u00e9 es? \u00bfc\u00f3mo se gener\u00f3? \u00bfcu\u00e1l es su constituci\u00f3n? Esa indagaci\u00f3n luego de 25 siglos llevar\u00eda a la rama de la f\u00edsica hoy conocida como \u201ccosmolog\u00eda\u201d. Lo que distingue a esta ciencia de las dem\u00e1s es que s\u00f3lo tiene un objeto de estudio: el universo. Todas las dem\u00e1s disciplinas investigan clases de cosas. Por ejemplo, la biolog\u00eda investiga a los seres vivos. La qu\u00edmica a las entidades que experimentan reacciones que cambian su naturaleza. La f\u00edsica a las cosas fundamentales y los resultados de sus combinaciones y asociaciones. La astrof\u00edsica a los objetos que pueblan el universo. La sociolog\u00eda estudia sociedades. S\u00f3lo la cosmolog\u00eda estudia una sola cosa: <\/em>el mundo, el cosmos, o, como tambi\u00e9n lo llamamos, el universo. <\/p>\n\n\n\n Ese hecho singular de tener un objeto \u00fanico de estudio se ve agravado por otras peculiaridades. A diferencia de lo que sucede en la f\u00edsica, la qu\u00edmica o la biolog\u00eda con sus objetos de investigaci\u00f3n, no podemos experimentar ni manipular el universo \u2014 debemos limitarnos a observarlo. Peor a\u00fan, somos parte del universo, por lo que este es necesariamente m\u00e1s complejo que nosotros. \u00bfC\u00f3mo una entidad puede comprender a otra que es m\u00e1s compleja que ella misma? <\/p>\n\n\n\n Pero tal vez, la m\u00e1s extra\u00f1a de la cosmolog\u00eda, es que nadie sabe qu\u00e9 cosa<\/em> es el universo. En palabras de Jorge Luis Borges, en su notable cuento \u201cEl Aleph\u201d:<\/p>\n\n\n\n \n\u2026y\nsent<\/em>\u00ed\nv<\/em>\u00e9<\/em>rtigo\ny llor<\/em>\u00e9<\/em>,\nporque mis ojos hab<\/em>\u00ed<\/em>an\nvisto ese objeto secreto y conjetural, cuyo nombre usurpan los\nhombres, pero que ning<\/em>\u00fa<\/em>n\nhombre ha mirado: el inconcebible universo.<\/em><\/p>\n\n\n\n \nMuchas\nveces damos un nombre a algo, y sentimos que tenemos un cierto\nentendimiento de lo que ese nombre designa. Esta ilusi\u00f3n es\npersistente en los hombres de todas las \u00e9pocas. Palabras como\n\u201cDios\u201d, \u201calma\u201d, \u201ctiempo\u201d, \u201cinfinito\u201d, \u201ceternidad\u201d\ny otras similares pertenecen a esa extra\u00f1a categor\u00eda de vocablos\nque tendemos a usar pero que tendr\u00edamos acaso serios problemas para\ndefinir claramente. Este es el caso tambi\u00e9n del \u201cuniverso\u201d. \u00bfEs\nuna cosa real? \u00bfUn conjunto? \u00bfUna fantas\u00eda con la que llenamos\nnuestra ignorancia? \u00bfEs una totalidad de alg\u00fan tipo? \u00bfUna mera\ncolecci\u00f3n de toda clase de existentes?<\/p>\n\n\n\n \nEn\nesta breve nota tratar\u00e9 de mostrar que el universo es un sistema\nmaterial<\/em>.\nAunque sugerir\u00e9 que es un sistema material particular: es el sistema\nmaterial maximal<\/em>.\nNo es un conjunto, porque los conjuntos son conceptos, y el universo\nes m\u00e1s que eso. El universo es una entidad formada por todas las\nentidades existentes, pero que tiene propiedades emergentes respecto\na la de sus componentes. \n<\/p>\n\n\n\n \nLa\nemergencia de propiedades es algo bastante com\u00fan de observar en el\nmundo natural. Por ejemplo, yo estoy hecho de c\u00e9lulas, mi est\u00f3mago\nest\u00e1 hecho de c\u00e9lulas, pero mi est\u00f3mago puede hacer cosas que las\nc\u00e9lulas individuales no pueden; por ejemplo, puede digerir. O mi\ncerebro, tambi\u00e9n formado de c\u00e9lulas, parece ser\ncapaz de pensar. Sin embargo, ninguna c\u00e9lula, ninguna neurona, puede\npensar por s\u00ed misma. El agua est\u00e1 hecha por mol\u00e9culas, y el agua\ntiene propiedades como la fluidez, que las mol\u00e9culas individuales no\ntienen. Tambi\u00e9n tiene temperatura, algo que no est\u00e1 presente en las\npart\u00edculas individuales. Lo mismo puede decirse de la presi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n Una propiedad es simplemente la forma de ser de una cosa. As\u00ed, una part\u00edcula elemental tiene propiedades elementales, por ejemplo puede tener carga el\u00e9ctrica o masa en reposo. Decimos que algo es material cuando puede cambiar, mutar de estado, esto es, modificar alguna de sus propiedades. Por ejemplo, una part\u00edcula puede cambiar su estado de movimiento, su impulso o su energ\u00eda. Esa mutabilidad es la caracter\u00edstica de lo material. Los n\u00fameros, en cambio, no pueden cambiar. Son como son de acuerdo a los axiomas de la aritm\u00e9tica. Por eso 2+2 siempre ser\u00e1 4 y el n\u00famero 4 siempre ser\u00e1 par. Los n\u00fameros son como las jugadas del ajedrez: obedecen a reglas que nosotros mismos, los seres humanos, hemos fijado. A las mismas reglas, las mismas consecuencias. <\/p>\n\n\n\n Los sistemas materiales no son as\u00ed. Pueden interactuar entre ellos, cambiar, evolucionar, asociarse, formar sistemas m\u00e1s complejos. A medida que aumenta la complejidad, van surgiendo nuevas formas de ser, nuevas posibilidades de propiedades. Los sistemas qu\u00edmicos experimentan reacciones, los sistemas vivos pueden reproducirse, las sociedades pueden experimentar revoluciones. A medida que avanzamos en la complejidad, cada vez aparecen m\u00e1s y m\u00e1s funciones nuevas que un sistema puede ejecutar. <\/p>\n\n\n\n En general, representamos a un sistema material x<\/em> por cuatro caracter\u00edsticas distintivas: su composici\u00f3n, su estructura, sus mecanismos, y su entorno. En s\u00edmbolos: <\/p>\n\n\n\n \nSyst\nx<\/em>\n= < Comp (x<\/em>),\nEstr (x<\/em>),\nMec (x<\/em>),\nEnt (x<\/em>)\n>.<\/p>\n\n\n\n La composici\u00f3n es la colecci\u00f3n de las partes del sistema. La composici\u00f3n siempre es relativa a un determinado nivel de organizaci\u00f3n. Por ejemplo, a un cierto nivel biol\u00f3gico estoy hecho por tejidos agrupados en \u00f3rganos, que conforman subsistemas funcionales como el sistema muscular, el respiratorio, etc. A otro nivel biol\u00f3gico m\u00e1s b\u00e1sico estoy compuesto por distintos tipos de c\u00e9lulas. A otro nivel estoy hecho de mol\u00e9culas. Y como las mol\u00e9culas est\u00e1n conformadas por \u00e1tomos, hay un cierto nivel f\u00edsico en el que puede decirse que mi composici\u00f3n es de tales y tales \u00e1tomos. Y as\u00ed podemos seguir hasta que lleguemos a un nivel b\u00e1sico, que puede estar formado por campos cu\u00e1nticos o quiz\u00e1s por algo a\u00fan m\u00e1s b\u00e1sico y desconocido. <\/p>\n\n\n\n La estructura de un sistema es la colecci\u00f3n de todos los v\u00ednculos y conexiones que existen entre las componentes. Son esos v\u00ednculos los que hacen que las componentes no sean un mero conjunto sino que den lugar a una nueva entidad. Y esa entidad podr\u00e1 experimentar cambios por interacci\u00f3n entre las componentes o por su reemplazo por otras o incluso por su desaparici\u00f3n. <\/p>\n\n\n\n A las series de cambios espec\u00edficos de una cosa formada por componentes vinculadas les llamamos \u2018mecanismos\u2019. Son los procesos que conforman las tareas espec\u00edficas que una cosa puede realizar. Por ejemplo, una serie de procesos electroqu\u00edmicos en mi cerebro producen la activaci\u00f3n de mis cuerdas vocales y posibilitan que yo pueda realizar una funci\u00f3n que ninguna de mis partes puede hacer: hablar. Otra serie de procesos qu\u00edmicos en mi est\u00f3mago y mis intestinos me permite digerir. Cambios en mis pulmones unidos a la acci\u00f3n del sistema circulatorio y sistemas subcorticales me permiten respirar. Reacciones termonucleares en el interior de una estrella le permiten a esta brillar, o sea, emitir radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica. Y as\u00ed, en forma an\u00e1loga, cada sistema material tiene diferentes mecanismos que les permiten realizar funciones espec\u00edficas. Esos mecanismos son siempre legales, en el sentido de que ocurren de acuerdo a las restricciones que denominamos \u201cleyes naturales\u201d: no cualquier cambio es posible.<\/p>\n\n\n\n El entorno, finalmente, es el conjunto de entidades con las cuales interact\u00faa el sistema material. Por ejemplo, para una persona es el medio ambiente, la familia, el \u00e1mbito laboral. Para un planeta de nuestro Sistema Solar, el Sol, los dem\u00e1s planetas, los asteroides, campos magn\u00e9ticos y los vientos de part\u00edculas son los que conforman su medio. <\/p>\n\n\n\n Veamos, entonces, si el universo satisface estas caracter\u00edsticas y califica como sistema material. <\/p>\n\n\n\n El universo tiene una composici\u00f3n a nivel macrosc\u00f3pico dada por estrellas, nubes de gas y polvo, galaxias, c\u00famulos de galaxias, agujeros negros estelares y supermasivos, radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica libre, neutrinos, gas difuso interestelar e intergal\u00e1ctico, campos magn\u00e9ticos a gran escala, y, tal vez, materia oscura (o sea materia que no emite radiaci\u00f3n ni interact\u00faa electromagn\u00e9tica o fuertemente con la materia normal \u2014 a la que llamamos bari\u00f3nica). Adem\u00e1s, el universo consta de espacio-tiempo, sobre el cual existen todos los objetos mencionados. El espacio-tiempo tiene propiedades como curvatura, energ\u00eda y momento, por lo que lo podemos considerar como una componente material m\u00e1s. Todas estas componentes del universo son materiales en el sentido de que pueden interactuar de una forma u otra, son mutables y tienen energ\u00eda. Por supuesto, la composici\u00f3n del universo puede analizarse a muchos niveles. En el m\u00e1s b\u00e1sico s\u00f3lo tenemos campos cu\u00e1nticos y espacio-tiempo, pero en niveles de organizaci\u00f3n superiores emergen los planetas, las estrellas, galaxias, etc\u00e9tera, llegando a las formas vivientes que son lo m\u00e1s complejo que conocemos y tambi\u00e9n forman parte del universo. <\/p>\n\n\n\n Todas estas componentes materiales presentan multitud de propiedades que pueden ser estudiadas por la astronom\u00eda, la astrof\u00edsica, la biolog\u00eda, y, a gran escala, por la cosmolog\u00eda. Esta \u00faltima rama de la f\u00edsica, por ejemplo, nos muestra que el universo evoluciona, en el sentido de que cambia con el tiempo: se expande, alej\u00e1ndose las galaxias unas de otras. Adem\u00e1s, el universo presenta una densidad, presi\u00f3n, temperatura media y entrop\u00eda que cambian con el tiempo c\u00f3smico (el tiempo que mide un sistema \u2014reloj\u2014 que evoluciona junto al universo). <\/p>\n\n\n\n \nEl\nuniverso presenta una estructura que podemos investigar con nuestros\ntelescopios. Las galaxias forman gigantescos c\u00famulos, hay enormes\nfilamentos entre ellos y tambi\u00e9n regiones con vac\u00edos inmensos (ver\nFig. 1). Estas y otras estructuras, redes de conexiones entre los\ncomponentes del universo, son esencialmente debidos a la gravedad. \n<\/p>\n\n\n\n Fig. 1. <\/strong>C\u00famulo de galaxias Abel 2218. Imagen del Telescopio Espacial Hubble (NASA).<\/p>\n\n\n\n La gravedad es, de acuerdo a la teor\u00eda general de la relatividad, el resultado de la curvatura del espacio-tiempo resultante de la acci\u00f3n sobre este de los sistemas materiales que contiene. A mayor concentraci\u00f3n de energ\u00eda y momento, mayor curvatura, o sea m\u00e1s atracci\u00f3n gravitatoria. El espacio-tiempo es el medio que conecta a los diferentes componentes del universo y que causa la expansi\u00f3n c\u00f3smica, que no debe entenderse como una separaci\u00f3n entre cosas en un espacio existente, sino como un cambio de escala del espacio con el tiempo. Ver la Fig. 2. <\/p>\n\n\n\n Fig. 2.<\/strong> Esquema de la expansi\u00f3n del universo. En realidad, las galaxias no se alejan en un espacio pre-existente, sino que es el espacio mismo el que se dilata. <\/p>\n\n\n\n El universo tambi\u00e9n presenta mecanismos, procesos que operan en \u00e9l de acuerdo a las leyes naturales, y que van evolucionado a medida que las condiciones del universo cambian por la expansi\u00f3n. Por ejemplo, a poco del comienzo de la expansi\u00f3n, el universo era un plasma que se fue enfriando hasta que los n\u00facleos pudieron captar a los electrones produciendo los \u00e1tomos de hidr\u00f3geno y algunos de helio. Eso llev\u00f3 a un gran cambio en el universo, unos 380.000 a\u00f1os luego del comienzo de la expansi\u00f3n, conocido como la era de recombinaci\u00f3n. Se formaron los \u00e1tomos y la radiaci\u00f3n, hasta entonces atrapada, escap\u00f3. Esa radiaci\u00f3n hoy se detecta como radiaci\u00f3n c\u00f3smica de fondo, con una temperatura de 2.7 K. La recombinaci\u00f3n fue seguida por una \u00e9poca donde la materia neutra era la principal componente del universo. Esa \u00e9poca se conoce como \u201cedad oscura\u201d, por la ausencia de fuentes de luz. Con el tiempo, se formaron las primeras estrellas, y luego las primeras galaxias, y el universo en parte se volvi\u00f3 a reionizar en otro cambio de fase conocido como \u201cla reionizaci\u00f3n\u201d c\u00f3smica. Luego se formar\u00edan las grandes estructuras de galaxias que vemos hoy. Como sea, no hay duda de que en el universo, como en cualquier sistema material, han operado y operan mecanismos que producen cambios tanto globales como locales. Ver Fig. 3 para un esquema de los grandes cambios del universo durante su fase de expansi\u00f3n. <\/p>\n\n\n\n \nFig.\n3.<\/strong>\nFases principales del universo en expansi\u00f3n. El llamado \u201cBig Bang\u201d\nsolo representa el comienzo de la expansi\u00f3n, donde no sabemos qu\u00e9\nsucedi\u00f3 exactamente. Ver texto para detalles. \n<\/p>\n\n\n\n La \u00faltima caracter\u00edstica de todo sistema material conocido es la existencia de un entorno \u2014 una colecci\u00f3n de otras cosas materiales con las cuales el sistema interact\u00faa. Esta caracter\u00edstica parecer\u00eda estar ausente en el universo, ya que si el universo es un sistema que contiene a todo lo que existe\u2026\u00bfcon qu\u00e9 podr\u00eda interactuar? Pues bien, el universo como un todo es capaz de interactuar con\u2026cada una de sus partes. En efecto, la expansi\u00f3n c\u00f3smica, una propiedad del sistema y no de las partes, afecta a todas y cada una de las componentes del universo. Por supuesto, a escala humana o del sistema solar los efectos de la expansi\u00f3n actual del universo son imperceptibles, pero ese no es el caso a escalas mucho m\u00e1s grandes. Por ejemplo, estudios de los efectos de la expansi\u00f3n sobre galaxias han mostrado que hay un tama\u00f1o m\u00e1ximo que las mismas pueden tener; m\u00e1s all\u00e1 de este l\u00edmite, la expansi\u00f3n domina sobre la atracci\u00f3n: las estrellas y el gas ya no permanecen ligados a la galaxia y escapan. Otros efectos m\u00e1s sutiles incluyen la inexistencia de \u00f3rbitas cerradas estrictas en un universo en expansi\u00f3n, la radiaci\u00f3n de cargas y dipolos magn\u00e9ticos que se mueven con el fluido c\u00f3smico, y la inexistencia de sistemas r\u00edgidos perfectos. En conclusi\u00f3n, el universo tiene como entorno a la totalidad de sus partes. <\/p>\n\n\n\n Llegados a este punto, podemos decir que el universo es el sistema material compuesto por todos los sistemas materiales, esto es, es el sistema maximal respecto a la relaci\u00f3n de composici\u00f3n.<\/em> Esto da lugar inmediatamente a ciertas objeciones. Discutir\u00e9 dos de ellas aqu\u00ed. <\/p>\n\n\n\n Primero, un sistema de todos los sistemas \u00bfacaso no es una contradicci\u00f3n? Despu\u00e9s de todo, es bien sabido que no existe el conjunto de todos los conjuntos. Si definimos el conjunto de todos los conjuntos, no hay conjunto que tenga m\u00e1s elementos que \u00e9l. Sin embargo, como mostr\u00f3 Cantor, el conjunto de las partes de cualquier conjunto (o sea el conjunto de todos los subconjuntos) es siempre mayor que el conjunto original. La respuesta a este problema es que un sistema no es lo mismo que un conjunto. Un conjunto es un objeto matem\u00e1tico que obedece las leyes de la teor\u00eda de conjuntos (los axiomas de Zermelo-Fraenkel junto con el axioma de elecci\u00f3n \u2014sistema ZFC). Los sistemas, en cambio, son entidades f\u00edsicas que no tienen por qu\u00e9 obedecer a la teor\u00eda de conjuntos. Por ejemplo, no todo subconjunto de un organismo es un organismo, ni todo subconjunto de un \u00e1tomo es un \u00e1tomo. Por ejemplo, el sistema nervioso central es un subsistema del sistema nervioso, pero el conjunto formado por un pie y una neurona de un organismo no forman un organismo, a pesar de ser un subconjunto del conjunto de componentes del organismo. <\/p>\n\n\n\n Una segunda objeci\u00f3n a nuestra tesis de que el universo es un sistema material es la siguiente: puede pensarse que si, como parecen indicar las mediciones actuales del universo, su parte espacial es \u201cinfinita\u201d, entonces el universo deber\u00eda ser infinito, cosa que dif\u00edcilmente pueda ser un sistema material. En f\u00edsica, cuando una cantidad es infinita, se suele interpretar que la teor\u00eda que arroja ese valor es incompleta y no puede ser usada para describir una situaci\u00f3n real. Por ejemplo, en el centro de un agujero negro, la curvatura del espacio-tiempo diverge. Eso no quiere decir que all\u00ed sea realmente infinita, sino que la teor\u00eda que usamos para describir al espacio-tiempo, la relatividad general, pierde validez para representar lo que sucede en el centro de un agujero negro. En forma similar, el campo el\u00e9ctrico evaluado en una carga puntual resulta ser \u201cinfinito\u201d seg\u00fan la teor\u00eda electromagn\u00e9tica cl\u00e1sica. Esto no implica que hay campos el\u00e9ctricos \u201cinfinitos\u201d. S\u00f3lo significa que no existen las cargas puntuales. <\/p>\n\n\n\n Fig. 4.<\/strong> La curva K=0 (rojo) es un c\u00edrculo sobre un plano, mientras que K>0 (amarillo) es un c\u00edrculo sobre una hip\u00e9rbola, y K<0 (azul) es un c\u00edrculo sobre una esfera. Tres geometr\u00edas en una hipersuperficie con una topolog\u00eda no trivial y finita en todos los casos.<\/p>\n\n\n\n En el caso del universo, las mediciones del fondo c\u00f3smico de radiaci\u00f3n m\u00e1s recientes obtenidas con el sat\u00e9lite Planck parecen sugerir que la parte espacial del universo es o bien la que corresponde a un plano o bien a una superficie ligeramente hiperb\u00f3lica. Ambas superficies se dicen \u201cinfinitas\u201d porque si uno las extiende no llega jam\u00e1s a un l\u00edmite. Esto, sin embargo, no implica que el universo, como sistema material, sea \u201cinfinito\u201d. La raz\u00f3n es que si bien las ecuaciones de Einstein sirven para determinar la geometr\u00eda del universo, no nos dicen nada respecto a su topolog\u00eda, <\/em>esto es, a su \u201cforma global\u201d. Por ejemplo, la topolog\u00eda de una rosquilla es plana en su parte superior, pero hiperb\u00f3lica en la parte interna y cerrada en la externa (ver Figura 4). Y sin embargo la rosquilla es finita y su volumen es finito. Exactamente lo mismo podr\u00eda pasar con el universo: tener una topolog\u00eda que le permita ser finito pero ilimitado, sin bordes. Eso no significa que sea \u201cinfinito\u201d aunque est\u00e9 en una regi\u00f3n plana o hiperb\u00f3lica. <\/p>\n\n\n\n Para terminar esta breve nota, quisiera mencionar que todo sistema material que conocemos emerge de algo m\u00e1s b\u00e1sico. \u00bfDe qu\u00e9 emergi\u00f3 el universo? No lo sabemos. Sabemos que hace unos 13.800 millones de a\u00f1os comenz\u00f3 a expandirse. No est\u00e1 claro por qu\u00e9. Tal vez antes se contrajo y sufri\u00f3 un rebote, o quiz\u00e1s fue entonces que emergi\u00f3 a partir de entidades m\u00e1s elementales. <\/p>\n\n\n\n Si el universo emergi\u00f3 de algo m\u00e1s b\u00e1sico, entonces el espacio-tiempo emergi\u00f3 tambi\u00e9n con \u00e9l. No podemos decir que \u201ccomenz\u00f3\u201d o que tuvo un \u201cinicio\u201d ya que s\u00f3lo comienza o inicia algo que es temporal. Y si el espacio-tiempo mismo emergi\u00f3, tiene que haber sido de un nivel de existencia donde los adjetivos \u201cespacial\u201d y \u201ctemporal\u201d no valen, tal como no vale decir que los \u00e1tomos de mi organismo pueden pensar a pesar de que yo pienso. \u00bfQu\u00e9 es ese sustrato ontol\u00f3gico m\u00e1s b\u00e1sico que el espacio-tiempo y los campos f\u00edsicos que conocemos, si es que existe? Es algo que por ahora no podemos responder. Al igual que al personaje del cuento de Borges, nos faltan los medios para expresar una f\u00edsica m\u00e1s all\u00e1 del espacio-tiempo. Mas estamos aprendiendo nuevas posibilidades y, acaso pronto, el conocimiento pueda abrirse, una vez m\u00e1s, camino. <\/p>\n\n\n\n \nReferencias\ny lecturas sugeridas.<\/strong>\n \n<\/p>\n\n\n\n![\"Fig.](\"https:\/\/www.iar.unlp.edu.ar\/wp-content\/uploads\/2024\/12\/fig1.jpg\")
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