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Entropía,Gravedad, Materia… ¡Vida!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo y la Entropía    ~    Comentarios Comments (5)

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Con alguna frecuencia hemos hablado aquí de ENTROPÍA. Viene del griego entrope que significa transformación o vuelta. Es un proceso mediante el cual un sistema tiende a consumirse, desorganizarse y morir. Se basa en la segunda ley de la termodinámica que plantea que la pérdida de energía en los sistemas aislados los lleva a la degradación, degeneración, desintegración y desaparición.

En todo lo que ocurre hay una fuerza presente que conforma la dinámica de las cosas y del universo mismo

En nuestro Universo, todo se transforma, nada permanece siempre igual. El paso del Tiempo está acompañado por la Entropía y el deterioro de los “Sistemas” es visible a simple vista. En cierta ocasión, Darwin censuró a aquellos que especulaban con el origen de la Vida replicando que uno también podría especular sobre el origen de la Materia. Hoy, los físicos y los cosmólogos creen que saben cómo se originó la materia, y la comparación de este proceso con la biogénesis resulta extraordinariamente reveledora. El Universo observable contiene 1050 toneladas de materia, y el problema de la procedencia de dicha materia atormentó a la cosmología durante muchos años.

Aquellos primeros críticos de la teoría del Big Bang (como Fred Hpyle y otros), pusieron objeciones razonables a la hipótesis de que toda esta materia surgió simplemente, y sin una razón aparente, en el comienzo del Tiempo. La idea de que el Universo se originó con la matria necesaria ya allí, era para muchos una idea completamente acientífica, como sabemos, todo tiene una razón de ser y nada se produce “porque sí”.

Materiaoscura

Es increíble con la facilidad que podemos hablar de aquello que no sabemos. Lo de arriba pretende ser (según dicen): “Este mapa tridimensional ofrece una primera mirada a la distribución a gran escala de la llamada Materia Oscura, una forma invisible de materia que conformaría la mayoría de la masa del Universo”. Y, me pregunto yo, si es invisible, si no sabemos de qué está formada, si no emite radiación… ¿cómo podemos representarla en forma alguna?

Pero sigamos con el problema de la materia que estábamos comentando. En ese enigma, nos queda mucho camino por andar. Los físicos descubrieron hace tiempo que las partículas de materia pueden crearse si se concentra la energía suficiente, un proceso que puede demostrarse realmente en el laboratorio utilizando grandes aceleradores. Pero, por desgracia, esto no resuelve -totalmente- el enigma cosmológico, porque plantea la cuestión de la procedencia inicial de la energía necesaria para formar el material cosmológico que pudieron formar las estrellas y los mundos. La hipótesis de que la energía del universo era simplemente “dada” -¿estaba allí de entrada?-, nos lleva a un escenario con cierto tufillo a “milagro” en la teoría del Big Bang.

Darkmatter

Así que, como podeis ver, desde siempre se ha recurrido a “asegurar” cuestiones desconocidas haciendo afirmaciones sin sentido, sin poder dar una explicación fehaciente y consistente que nos lleve a la convicción de lo que estamos diciendo. Por ejemplo, debajo de la imagen de arriba, ponen la leyenda siguiente: “Una imagen compuesta del cluster galactico CL0024+17 tomada por el telescopio espacial Hubble muestra la creacion de un efecto de lente gravitacional producto de la interación gravitatoria de la materia oscura.”

Uno no sabe si reir o llorar cuando escucha, como “reputados científicos” se atreven a decir cosas así. Claro que, en los años ochenta se resolvió -en parte- el enigma de la fuente de la energía cósmica. Se descubrió que la “energía total del universo” podría ser realmente cero, y que por lo tanto se trataba realmente de un caso de nada por nada. La razón de que el universo pueda tener energía cero y pese a todo contenga 1050 toneladas de materia es que su campo gravitatorio tiene energía negativa. Las cuentas muestran que las dos contribuciones pueden cancelarse exactamente para dar cero. En realidad, esas cuentas están presentes en todo lo que podemos ver. Por ejemplo, fijaos en el átomo, por una parte está la carga positiva (los protones) y por la otra la negativa (los electrones) y, ambas se “anulan” u “compensan” para hallar la estabilidad. En el Universo todo es el resultado de dos fuerzas antagónicas que se anulan para que todo sea posible. Ahí tenemos la estabilidad de las estrellas que, por una parte quieren expandirse por la energía de la fusión nuclear y, por la otra, quieren implosionar, contraerse, por la fuerza de la gravedad. Ambas fuerzas se anulan recíprocamente y la estrella puede brillar durante miles de millones de años.

Alnitak, Alnilam y Mintaka, las tres estrellas azuladas del Cinturon de Orión que relucen gracias al equilibrio que más arriba os comentaba.

La ciencia encontró un mecanismo convincente para explicar cómo fue canalizada la energía positiva de la materia, y una cantidad igual de energía negativa fue el campo gravitatorio. Así, en efecto, ¡toda la materia cósmica fue creada realmente gratis! Una vez que los cosmólogos advirtieron esto, se hizo plausible la hipótesis de que en el comienzo del universo el esapcio estaba vacío; toda la materia apareció después (aunque con gran rapidez), como resultado de un proceso físico natural. La nueva teoría se consideraba superior y más científica porque eliminaba la necesidad de postular “el tufillo” sobrenatural que llevaba la materia en el comienzo del tiempo.

Biogenesis, William Latham

Pero giremos la cabeza para poder mirar al problema de la Biogénesis para encontrarnos con una singular inversión de los sentimientos. Ahora no tenemos que explicar el origen de la materia, sino el origen de la información. Mientras que es buena ciencia buscar un proceso físico para generar materia, se considera acientífico en extremo considerar un proceso que genere información. La información no es algo que se supone que viene gratis (como la materia cósmica), sino algo por lo que uno tiene que trabajar (si queremos saber, hay que estudiar, observar, investigar y experimentar). En realidad, esto simplemente la segunda ley de la termodinámica revisada, porque la aparición espontánea de infomación en el universo sería equivalente a una reducción de la entropía del universo: una violación de la segunda ley, “un milagro”. Ahora bien, el hecho de que el universo contiene información es innegable (porque no está en equilibrio termodinámico). Si la información no puede crearse, debe haber estado allí en el comienzo, como parte del impulso inicial. La conclusión a la qque nos vemos guiados es que el universo venía lleno de información, o entropía negativa, desde su nacimiento mismo.

¿Qué nos dicen las observaciones astronómicas sobre el contenido de información del universo primitivo? Aquí descubrimos algo muy curioso. Uno de los elementos de prueba más decisivos a favor de la teoría del big bang es la existencia de un fondo universal de radiación térmica, que parece ser una especie de brillo residual del gogoso nacimiento del universo. Esta radiación ha viajado a través del espacio y del tiempo sin sufrir prácticamente ninguna perturbación desde el tiempo inmediatamente posterior al “supuesto” big bang, y, nos proporciona así, una instantánea imagen de cómo era el universo en su comienzo. Las medidas hechas desde los satélites han determinado que el espectro de la radiación térmica cósmica coresponde exactamente a un estado de equilibrio termodinámico.. Pero el equilibrio termodinámico es un estado de máxima entropía que, a través de métodos y modelos existentes, implica mínima información.

Así que, nos vemos enfrentadoa a una contradicción muy molesta. La segunda leu prohibe que el contenido de información del universo aumente a medida que este evoluciona, pero, por lo que podemos decir del universo primitivo, éste contenía muy poca información. De modo que ¿de donde ha venido la información presente hoy en el universo? Otra manera de exponer el problema sería en términos de entropía. Si el universo empezó próximo al equilibrio térmodinámico, o máxima entropía, ¿cómo ha alcanzado su estado actual de desequilibrio, dado que la segunda ley prohíbe que la entroìa total disminuya?

La respuesta a esta paradoja cósmica es ahora bien conocida (al menos eso creemos): procede de un cuidadoso estudio de la gravitación. Para ver que diferencia supone la gravitación para la termodinámica, uno de los índices que podemos escoger como guía es ver cómo se comporta la gravedad en las nubes interestelares que contienen las masas de miles de millones de soles. El gas, como consecuencia de la gravedad, comienza a contraerse al ser perturbado (digamos que por vientos estelares) y, la gravitación se hace muy importante en ese medio. Así que, el gas se contrae y en algunos lugares se acumulan grumos de material más denso. En los centros de esos grumos la contracción producida por la gravedad, calentará el gas, aparecerán gradientes de temperatura y fluirá calor y, en la nube interestelar, se formarán estrellas nuevas y cúmulos de ellas.

El flujo de radiación térmica procedente de esas estrellas (como el Sol, pongamos por caso), es la fuente de energía libre, o entropía negativa, que como sabemos, impulsa toda la vida en el planeta Tierra mediante la fotosíntesis y otros procesos biogenéticos que llevan a la materia “inerte” a evolucionar por medio de procesos complejos bioquímicos hasta convertirse en una especie de “sopa primordial” a partir de la cual, surge eso que llamamos vida y que es, el mejor exponente de la entropía negativa presernte en el universo.

Por eso, bajo la acción de la gravitación, un gas supuestamente en equilibrio termodinámico y a una temperatura uniforme y máxima entropía sufre de todas formas cambios y transiciones de fases adicionales que lleva a esa Nebulosa a un estado de desequilibrio o inestabilidad inducida por la fuerza de gravedad y que se convierte en una fuente de información. Así, podríamos decir que, la Gravedad, ha cambiado las reglas del juego toda vez que, su presencia, rompe el equilibrio termodinámico y, el estado de máxima entropía se rompe al aparecer la entropía negativa que, de alguna manera, será motivo de un futuro de vida.

Claro que, para algunos, todos estos procesos son auténticos enigmas sin resolver. ¿Cómo, siendo la gravitación una fuerza tan débil, pudo desempeñar un papel tan directo en los procesos bioquímicos? Penrose nos dice (como experto mundial en la gravitación) que él ha especulado con que la gravedad podría afectar a las biomoléculas a través de procesos cuánticos. También Lee Smolin ha comparado los temas de la vida y la gravitación en su libro La vida del cosmos, donde elabora una analogía entre el comportamiento de los ecosistemas y las galaxias espirales. Muchas de las ideas que aquí os dejo, son debidas a Paul Davies que, en su libro El quinto milagro, nos habla de todo esto y mucho más.

Lo cierto es que, poco a poco, vamos pudiendo entender como a partir de ciertos comportamientos de la materia en presencia de las fuerzas fundamentales del universo, nos llevan a estados supuestamente caóticos a partir de los cuáles, finalmente, la materia “inerte” se convierte en vida. Todo eso ocurre por el simple hecho de que las galaxias espirales se comportan y tienen una dinámica cosmológica que las lleva a la creación de entropía negativa que, en definitiva nos lleva de manera directa e irremediable hasta el surgir de la vida en mundos que, el azar ha colocado, de manera aleatoria, en esos lugares de privilegio que llamamos “zonas habitables” en los que son posibles la presencia del agua líquida, ese bien que, los humanos, nunca hemos sabido valorar en su justo valor.

emilio silvera

 

  1. 1
    Emilio Silvera
    el 7 de junio del 2012 a las 5:28

    Agunas veces no comprendo lo que pueda ocurrir que todo el trabajo (originalmente bien presentado), aparece con una presentación de amontonamiento que resulta horrorosa. Le he mandado un correo a Shalafi, el Administrador del lugar, para que, en caso de que sea posible, arregle la presentación en lo que pueda.

    Responder
  2. 2
    Roberto Conde
    el 7 de junio del 2012 a las 17:45

    Se lee bastante bien, supongo que ya lo habrá arreglado.
    Ahora al tema:
    Me parece bastante poco probable que la gravedad sea la responsable de la formación de las estrellas tal como se expone en el texto.
    Cuando un gas en el vacío es forzado a comprimirse, se calienta por las colisiones de las partículas que lo componen, y antes de que se caliente lo suficiente como para formar “grumos”, se ioniza, por las mismas colisiones que hacen que esté “caliente”. En cuanto se ioniza, deja de ser un simple gas y se convierte en plasma. Y el plasma, aunque pueda ser afectado por la gravedad, se rige principalmente por el electromagnetismo.
    Despreciar el electromagnetismo y tratar al plasma como una nube de gas y polvo es un error. La hipótesis la formación estelar por colapso gravitatorio de las nebulosas es en mi opinión errónea.

    Responder
  3. 3
    emilio silvera
    el 8 de junio del 2012 a las 3:46

    Hola, amigo:
    Sí, Shalafi ha pasado por aquí y desde luego se nota. Antes estaba configurado de manera que hacía molesta la lectura. En cuanto a lo que dices sobre la formación de las estrellas, me parece que no lo has pensado bien y que, tendrías que tener en cuenta factores que has desechado.
    Tu estás hablando de un gas altamente ionizado en el que el número de electrones libres es aproximadamente igual al número de iones positivos y, los plasmas no aparecen en el espacio interestelar hasta que el gas no llega a alcanzar unas temperaturas muy elevadas del orden aproximado de los 50 000 K. La masa de gas con la que se forman las proto-estrellas, debido a los efectos gravitatorios se va comprimiento y es, en el centro donde se produce esa primera transición de fase en la que el gas se convierte en plasma y la fusión se hace presente, más tarde el estado de la materia se extiende a toda la estrella.
    Independientemente del electromagnetismo allí presente, en un principio y según todos los datos disponibles hasta el momento (que no son pocos, las estrellas se forman debido a procesos en los que, la gravedad, es la principal causante.
    En cualquier sitio que puedas mirar, encontraras explicaciones más o menos como ésta:
    “La contracción de grandes cantidades de gas y polvo dentro de las nebulosas, generalmente se produce de manera espontánea y lentamente bajo la acción de la propia gravedad. Cuando la nube comienza a contraerse, las partículas de gas en su interior, más y más comprimidas, chocan entre sí cada vez con mayor frecuencia y, a consecuencia de tales choques, aumenta la temperatura. Por ejemplo, si lo piensas, para calentarnos, frotamos nuestras manos entre sí; cuanto más rápidamente las frotamos, más se calientan por la fricción. En un momento dado, la temperatura en el núcleo de la nube llega a un valor tal que induce a las partículas de hidrógeno a transformarse en partículas de helio, transformación durante la cual se produce energía; esta energía empuja hacia el exterior para salir, es decir, ejerce una presión, y con ello se opone a la contracción de la nube, hasta llegar a contrarrestarla. La nube, que durante este tiempo ha adquirido una forma esférica, está ahora en un estado de equilibrio: ¡se ha formado una estrella!”
    Al menos eso es lo que creen todos los especialistas y, desde luego yo, no veo ningún motivo firme para contradecirles. Además, esa tesis está avalada por pruebas realizadas con sofisticados aparatos que nos dicen, incluso lo que ocurre en el interior de las estrellas.
    Un saludo.

    Responder
  4. 4
    Roberto Conde
    el 8 de junio del 2012 a las 5:21

    Hola Emilio.
    No, no me refiero a la ignición termonuclear. Me refiero a la supuesta aglomeración que da lugar a mayores concentraciones que posteriormente dan lugar a las estrellas. Lo que sugiero es que esa aglomeración no puede darse por acción de la gravedad sin que la nebulosa empiece a tener comportamientos de plasma y la gravedad pueda hacer su trabajo.

    La cuestión es que debido a la abrumadora fuerza de Lorentz(1036, espera, hay que recordarlo de vez en cuando poniendo un cero detrás de otro 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 veces más fuerte que la gravedad), para que empiecen a aparecer comportamientos de plasma, solo hace falta que un pequeño porcentaje de partículas estén ionizadas y acaben arrastrando a las partículas neutras.

    Como sabrás, la ionización no es un proceso que pueda decirse que se de a partir de una temperatura dada. Cuando se dan temperaturas de ionización de un gas (por ejemplo en torno a 11.000ºK para el hidrógeno) lo que se está diciendo es que a esa temperatura, un porcentaje alto de las partículas de ese gas (en torno al 95% para el hidrógeno) se encuentran ionizadas. 
    Porque como sabes, la temperatura de un gas es una medida de la media del movimiento aleatorio de sus partículas, y aunque un gas esté a temperatura ambiente sigue habiendo colisiones. En definitiva, en lugar de valores concretos de temperatura se suelen dar curvas de temperatura vs porcentaje de ionización siguiendo la ecuación de Saha. 

    Además, un plasma puede estar relativamente frío si alcanza un estado de organización (cosa que hace) en el que las partículas tengan movimientos no aleatorios muy marcados, y aún así, tener cada partícula una energía cinética enorme, además de su potencial eléctrico.

    Y sólo hemos hablado de ionización térmica (por colisión). Existen al menos dos métodos de ionización más que yo sepa: la fotoionización (por interacción con la luz) y la ionización por velocidad crítica. Este último proceso puede hacer que una vez formadas corrientes de plasma lo suficientemente rápidas, éstas transfieran su energía al gas neutro que le rodea una vez llegada una velocidad crítica que no superará hasta que haya ionizado todo el gas. ¡Se desconocen las causas de este proceso!

    A mi modo de ver, las cada vez más numerosas observaciones de filamentos y capas en las nebulosas de formación estelar hacen cada vez más claro que la gravedad no es la única responsable del nacimiento estelar. 
    Según lo veo, el plasma es prácticamente inevitable en las zonas del universo en las que no hay prácticamente una muerte térmica. Todos los criaderos estelares conocidos son un hervidero de plasma.
    Sólo en los lugares más aburridos encontrarás gas y polvo “a secas”, moviéndose únicamente por el efecto de la gravedad.

    Un abrazo.

    Responder
    • 4.1
      emilio silvera
      el 8 de junio del 2012 a las 10:03

      Sí, amigo, te referías a otra cosa distintas que ahora, con tu extensa explicación queda muy clara.
      Un abrazo.

      Responder

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