Ciencia — 30 de septiembre de 2016 at 22:00

Las matemáticas en la naturaleza

por gabi

La ciencia actual nos ha permitido comprobar la maravillosa arquitectura íntima que tiene la materia. No existen estructuras al azar, sino acabados patrones de las matemáticas en la naturaleza que se repiten en lo grande y en lo pequeño. Las viejas escuelas de filosofía tenían buenas razones para recomendar desentrañar los secretos de las matemáticas a quienes pretendieran comprender el universo.

Principio de mínima acción

Nuestras máquinas y aparatos van cambiando con los tiempos, según las culturas y las épocas. Todo ello responde a una búsqueda de mayor eficacia y rendimiento. Mayor producción en menos tiempo y con el mínimo consumo de energía. Si nuestros sistemas de transporte han variado haciéndose más rápidos y con más comodidades para los pasajeros, si los ordenadores ocupan menos espacio que hace unas décadas y resuelven problemas con mucha más rapidez es porque, primeramente, existe una necesidad de mejoramiento de ese rendimiento y segundo, y mucho más importante, existe una inteligencia humana capaz de llevarlo a cabo. Del mismo modo, los diferentes seres de la naturaleza, incluido el hombre, por necesidades físicas y evolutivas, deben adaptarse a diferentes entornos en el transcurso de los tiempos, obedeciendo siempre a las leyes naturales.

En la naturaleza, los organismos minerales, vegetales, animales y el mismo ser humano cambian con el transcurrir de los siglos; especies enteras varían sus hábitos y formas para responder a los cambios ambientales o ante amenazas de otras especies. Todo esto responde a un orden, a una necesidad, a una Inteligencia y a una ley de evolución. Todos los organismos tienden hacia una posición de equilibrio estable, de manera que se evoluciona desde estados menos probables a estados más probables, tratando siempre de consumir el mínimo de energía.

La ciencia de los últimos tiempos ha hablado de una ley que rige los procesos de la materia y que se halla implícita en los diferentes postulados de química, física, astronomía y biología. Se trata de un principio de mínima acción que hace que la materia inerte se aglutine en un equilibrio estable, con máximo ahorro de energía. Leonardo da Vinci, entre muchas otras cosas, ya lo había intuido y reflejado en sus escritos: «La Naturaleza no infringe jamás su propia ley. ¡Oh, necesidad inexorable! Obligas a todos los efectos a ser los resultados directos de las causas, y por una ley suprema e irrevocable, cada acción natural te obedece de acuerdo al proceso más corto».

Según Matila Ghyka, las diferentes configuraciones de la materia cristalizada son estados de equilibrio estable, o relativamente estable, determinados por una causalidad rigurosa, y las propias reacciones químicas de los diferentes elementos simples se pueden explicar como una tendencia de los electrones a coordinarse según disposiciones cada vez más estables.

Uno de los principios más generales que gobiernan los estados de equilibrio de los sistemas físicos y químicos es el tomado de la mecánica racional: «Para que el equilibrio de un sistema cerrado sea estable, basta que su energía potencial pase por un mínimo». De ahí que el estudio de la cristalografía y de los minerales en los últimos tiempos surja como una ciencia donde se encuentran la geometría, la química molecular y la teoría general de simetría.

Particiones en el plano

En lo que la ciencia denomina materia inorgánica (organismos no vivos), se observa una tendencia en las formas a organizarse de forma simétrica y estática, a una nivelación que conlleva una distribución uniforme de los elementos que componen determinado organismo.

Es una ley de acción y reacción que se aplica en todos los niveles, y que en el mundo físico lo podemos observar como una simetría que tiende a la equipartición de fuerzas. Predomina entonces la geometría del cuadrado, el triángulo equilátero y, principalmente, el hexágono, en lo que se refiere al plano, pues, como ya sabemos, estos son polígonos que cubren perfectamente una superficie llana sin dejar intersticios. Es como una trama de adoquines donde no quedan espacios libres.

Entre estas mallas homogéneas, predominan en la naturaleza los triángulos como estructuras mínimas y, especialmente, el hexágono regular, al suprimir algunas líneas de los triángulos equiláteros. Esto conlleva un ahorro de materia y energía, ya que en este polígono, cualquiera de sus lados es igual al radio del círculo que lo envuelve. Es lo que se denomina una red isótropa, lo que significa que todos los puntos son equidistantes, hay una distribución homogénea. Esto no ocurre con un grupo de cuadrados o de rombos, ya que en las diagonales hay mayor longitud y son figuras deformables.

Las redes hexagonales son frecuentes en la naturaleza. La tendencia a la economía de sustancia hará que las formas tiendan al círculo, en el que se abarca la mayor superficie posible. Si disponemos de partículas circulares, que están próximas unas de otras y son sometidas a una presión uniforme y constante en todos los sentidos, la forma que surge es la hexagonal. Un ejemplo de ello son las células vivas dispuestas en una extensión lateral. Y en el reino mineral se aprecia en los cristales de nieve, en los paneles de las abejas o en los adoquines que cubren las aceras, en los tejidos celulares, en los ojos de la mosca, etc.

La forma es producto de aglutinamiento, adición de elementos semejantes. Es una yuxtaposición debido a una fuerza exterior, donde cada partícula se ubica y toma la forma influenciada por las partículas más próximas, de un modo directo y con el mínimo gasto de energía. Esta se distribuye sin que quede una fuerza resultante que pueda causar un desplazamiento. Se producen, entonces, caras planas; de ahí que sea la estructura típica en los cristales.

Particiones en el espacio

Sin embargo, el mundo físico se desarrolla en tres dimensiones. Se ha visto cómo en la superficie existe el predominio de algunos polígonos regulares que cubren perfectamente un plano, regido por el principio de mínima acción. En las dos dimensiones, el círculo abarca la máxima superficie con el mínimo perímetro. Al pasar al volumen, la figura que más espacio abarca con el mínimo de superficie es la esfera, y también es el cuerpo que da la tensión superficial mínima, lo cual explica en el aspecto físico que muchos organismos de la naturaleza, entre ellos las células, tiendan a formar figuras circulares.

Cuando se presenta una tensión uniforme por todos los lados, como cuando se presionan varias esferas entre sí, el cuerpo que se forma, y que es equivalente al hexágono en el plano, no es un sólido regular como podría pensarse, sino que son dos poliedros combinados. Surge, pues, un sólido semirregular compuesto por seis cuadrados y ocho triángulos equiláteros, que se origina al dividir las aristas de un cubo por la mitad y unir estos puntos; es llamado cuboctaedro. Sin embargo, este cuerpo solo no divide perfectamente el espacio, deja intersticios que pueden ser rellenados con octaedros. Es igual a cubrir un espacio con esferas iguales, tangentes entre sí, uniendo los centros y los puntos de contacto. Esta figura se puede ver si se observa con atención un grupo de burbujas. Y es que, una de las características del cuboctaedro es que la longitud de cualquiera de sus aristas es igual al radio de la esfera que lo envuelve.

También es posible la división isótropa con una combinación de tetraedros y octaedros, los primeros en número doble. El único sólido que puede llenar el espacio sin vacíos es el cubo, pero igual que sucede con el cuadrado en el plano, la red que forma no es isótropa. El prisma rectangular con dos caras hexagonales, sería el desarrollo en el espacio de las celdas de las abejas y, por lo tanto, también equiparte el espacio, así como un prisma de sección triangular o rómbica.

Lord Kelvin, buscando una equipartición que diera para las células el volumen máximo para una superficie dada, encontró como solución el octaedro truncado, llamado también tetrakaidecaedro o poliedro Kelvin. Este se origina al dividir las aristas de un octaedro en tres partes y luego unir los puntos, de lo cual resultan como caras ocho hexágonos y seis cuadrados. Con esta característica, hereda del hexágono la propiedad de ser célula óptima en el espacio, ya que el ángulo que conforman dos caras es igual a 120º, tal como el hexágono en el plano.

Un estudio en detalle de estas particiones homogéneas del espacio nos lleva a la teoría de redes de puntos, que de alguna manera se entronca con los números figurados de los pitagóricos y toda su serie de números poligonales y poliedrales. Además, ha dado fundamentos a la cristalografía y al estudio de los minerales, siendo también sustento de esa ley que se presenta en la naturaleza buscando un equilibrio y que, en el campo de la química, fue formulada por Curie: «Un cuerpo tiende a tomar la forma que presenta una energía superficial mínima compatible con las fuerzas de orientación». La presencia del número en la química es evidente, pues las moléculas varían en función del número de átomos, y estos, del número de electrones y protones. Por cuestiones de espacio, no se entrará en demasiados detalles en este campo de la ciencia, pero se recordarán algunos conceptos íntimamente ligados al número.

Investigando en la estructura interna del átomo, se encontró que estaba formada por un núcleo con protones y neutrones de carga positiva y neutra, respectivamente, y una o varias capas de electrones que lo rodean en forma concéntrica. Para cada una de las capas de electrones se observa que vuelven a aparecer los números en forma de secuencia 2, 8, 18, 32 (2n²), cuya tendencia es que se vayan completando hasta llegar a estos números. Las capas con número de electrones par son más estables que con número impar. Los átomos buscan el equilibrio a base de ceder o tomar electrones, formando los consiguientes iones. Por ejemplo, el cloro (Cl) tiene en su última capa siete electrones, le falta uno para completar y llegar a 8; el sodio (Na), por su parte, tiene en su última capa solo un electrón; al tomar el cloro un electrón queda cargado negativamente; en cambio, el sodio, al ceder su electrón queda cargado positivamente. Al combinarse forman el átomo de cloruro sódico (ClNa), o sal común, cuyo cristal de forma se observa en la figura. A este sistema de combinación se le conoce como electrón de valencia.

Los núcleos también tienen sus capas de rotación de protones y de neutrones de acuerdo a la mecánica cuántica y a la distribución de probabilidad. Sucede también que las pares son más estables. Hay determinados números que son más estables: 2, 8, 20, 50 y 82.

El número de electrones determina el llamado número atómico. Mendeleyev agrupó los elementos basándose en este número desde 1 hasta 92 (los que se encuentran en la naturaleza). Los elementos van variando sus características de acuerdo a estos números. Los que tienen la última capa completa, al ser estables, son los gases nobles, pero como el átomo en sí mismo es neutro, tiene igual número de electrones que de protones en su núcleo, solo hay alguna pequeña diferencia debido a que algunos núcleos tienen más número de neutrones, haciendo que varíe el peso de ese átomo específico; a esto se llama isótopo. El peso atómico se obtiene del promedio de todos los isótopos de ese elemento. Como valor de referencia se tomó el del oxígeno, que es de 16. El más sencillo es el hidrógeno, que vendría a ser como la unidad, lo más representativo. Con la «elasticidad» o capacidad de combinación del carbono, que es el único capaz de formar cadenas y anillos, con sus enlaces covalentes, tendríamos la química específica del carbono, que se traduce en la química orgánica e inorgánica, con sus cuatro electrones en su última capa, a la que le hacen falta otros cuatro para completarla.

El estudio de la química conduce a comprender la unidad de la materia a través de la concepción inicial y milenaria de la alquimia, heredada por los sabios medievales del antiguo país de Kem, presente en las ideas gnósticas, neopitagóricas y neoplatónicas, ya transmitidas por Hermes.

Un átomo es algo muy parecido a un sistema solar, donde el núcleo del átomo, conformado por neutrones y protones, sería el sol, con unos electrones que orbitan a su alrededor a modo de planetas. Si imaginamos el tamaño del átomo como si fuera una catedral, el núcleo en su centro tendría el tamaño de una mosca, y a su alrededor, en un espacio aparentemente vacío, orbitarían los electrones, que son miles de veces más pequeños que el núcleo. Estos electrones no son materia; se han definido como partículas eléctricas, torbellinos de energía que giran sobre sí mismos y se desplazan a gran velocidad dando apariencia de solidez a la materia.

Se sabe que la diferencia entre un átomo de carbono y uno de oxígeno, por ejemplo, depende del número de protones en el núcleo y del número de electrones. Pero además, en épocas recientes, se ha visto la imposibilidad de determinar la composición y al mismo tiempo la órbita que describe el electrón, por lo que se ha llegado a definirlo como una probabilidad, un lugar geométrico o un punto en el espacio, con unas coordenadas de posición y velocidad que lo definen, es decir, un ente matemático. Y así, vemos que la ciencia pasa de la aparente materia física, a la electricidad y, luego, a entidades numéricas, donde la sentencia de Pitágoras «Todo está dispuesto conforme al número» cobra vigencia.