Moléculas, átomos y conexiones para formar pensamientos

Imaginemos una mente inteligente que, en todo momento, pudiera tener conocimiento de todas las fuerzas que controlan la Naturaleza y también, de las condiciones en que se encuentran en cada momento todas las unidades de que consta ésta. Si esta mente tuviera una inteligencia suficiente para analizar todos estos datos, podría abarcar en una sola fórmula los movimientos de los cuerpos de mayor tamaño del universo y los de los átomos más ligeros; para ella nada sería incierto; el futuro y el pasado estarían ambos presentes ante sus ojos.

El equivalente moderno de esta mente sería un superordenador que conociera todas las posiciones y las velocidades de todas las partículas del universo, y pudiera utilizar las leyes de Newton y las que describen las fuerzas de la naturaleza (como la gravedad y el electromagnetismo), no solo para predecir la trayectoria futura de cada partícula, sino para averiguar toda la historia de su procedencia –porque en las leyes de Newton no hay nada que nos revele la dirección del tiempo y funcionan de la misma manera si éste transcurre en sentido contrario, como podemos ver fácilmente si nos imaginamos el proceso inverso del choque entre dos bolas de billar, o si invertimos el movimiento orbital de todos los planetas del Sistema Solar-.

No hay una flecha del tiempo en las leyes de Newton y, según Laplace y muchos otros, estas leyes parecen describir un mundo completamente determinista en el cual el pasado y el futuro están fijados de una manera rígida y no hay lugar para el libre albedrío.

Lo que ninguno de estos científicos parece haber observado es que el argumento fundamental se desploma si, en cualquier momento y lugar del universo, se produce una colisión simultánea entre tres partículas –aunque la valoración de si esto sería suficiente para restablecer el libre albedrío es una cuestión cuya discusión prefiero dejar a la filosofía.

    El tiempo y la entropía destructora

En la física del movimiento y sus causas -Dinámica- las leyes de la naturaleza funcionan tanto si el tiempo transcurre “hacia adelante” como también si lo hiciera “hacia atrás”, es decir que son simétricas y reversibles en el tiempo. Si filmamos un choque entre dos partículas, o la órbita de un planeta entorno a su sol, y pasamos la película al revés, notaremos que las trayectorias están invertidas, lo cual es totalmente coherente para la física: no hay nada que nos indique que el tiempo está trascurriendo en sentido contrario. Si las leyes de la naturaleza no distinguen entre el pasado y el futuro, entonces ¿por qué notamos que el tiempo fluye en un sentido y no en otro? ¿De dónde sale esa asimetría del tiempo? ¿Por qué recordamos el pasado pero no el futuro?

Este mismo problema relativo al tiempo se planteó a partir de uno de los mayores triunfos de la física del siglo XIX: la investigación de la naturaleza de la luz y de otras formas de radiación electromagnética, que tuvo su momento culminante en la obra del escocés James Clerk Maxwell (1831-1879). La explicación dada por Maxwell sobre la radiación electromagnética se basa en la obra de Michael Faraday, que vivió entre 1791 y 1867, y propuso la definición de los “campos” eléctrico y magnético que surgen en torno a los objetos que poseen una carga eléctrica.

Fue Faraday el primero en sugerir que la luz podría estar producida por algún tipo de vibración de las líneas de fuerza asociadas con imágenes y partículas “cargadas”, que vibrarían como lo hacen las cuerdas de un violín al ser pulsadas. El problema estaba en que, Faraday, carecía de los conocimientos matemáticos necesarios para desarrollar la idea de maneta tal que se desarrollara un modelo perfectamente configurado. Así, en la década de 1860, llegó Maxwell para rematar el trabajo de Faraday con sus maravillosas ecuaciones vectoriales para demostrar que todos los fenómenos eléctricos y magnéticos conocidos en aquella época, incluido el comportamiento de la luz, podía ser descrito mediante un conjunto de sólo cuatro ecuaciones, que actualmente se denominan ecuaciones de Maxwell.

                                            Statue of J. Clerk Maxwell

Newton y Maxwell, dieron al mundo el conjunto de herramientas matemáticas necesarias para controlar todo lo que la física conocía a mediados del siglo XIX. Por otra parte, lo más maravilloso de las ecuaciones de Maxwell era que, sin que se hubiera pedido, proporcionaban una descripción de la luz –las ecuaciones se crearon para describir otros fenómenos electromagnéticos, pero incluían en sí misma una solución que describía las ondas electromagnéticas que se desplazaban por el espacio a cierta velocidad- Esta velocidad es exactamente la de la luz (que ya había quedado bien determinada en la década de 1860 y pronto podría medirse con una precisión aún mayor), no dejando lugar a dudas de que la luz se desplaza como una onda electromagnética.

Las ecuaciones de Maxwell tienen dos características curiosas: una de ellas pronto tendría un profundo impacto en la física, y la otra fue considerada hasta tiempos muy recientes sólo como una rareza de menor importancia. La primera característica innovadora de estas ecuaciones es que dan la velocidad de la luz como un valor constante, independientemente de cómo se mueva su fuente con respecto a la persona o al aparato que mida su velocidad (Einstein lo supo ver con claridad cuando lo incorporó a su teoría de la relatividad especial).

La Flecha del Tiempo en el Universo…siempre hacia el futuro

Claro que, como todo, también las ecuaciones de Maxwell tenían sus limitaciones, especialmente en la descripción de fenómenos que se producen a escalas muy pequeñas, tales como el comportamiento de los átomos y de las partículas que los componen. En este caso, es preciso modificar tanto la descripción clásica de las descripciones electromagnéticas (Maxwell), como la descripción clásica de las interacciones entre partículas (Newton), fenómenos en los cuales se cumplen las reglas de la física cuántica. Así, las ecuaciones de Maxwell, como las de Newton, tampoco contienen la flecha del tiempo.

Lo que fue durante mucho tiempo la explicación habitual la razón por la que vemos una dirección predominante del tiempo surgió a partir de otro gran triunfo de la física del siglo XIX: la descripción de la relación entre calor y movimiento (termodinámica). Esto tuvo una importancia práctica fundamental en el mundo industrial cuando se utilizaba la fuerza de las máquinas de vapor.

Lo cierto es que, la importancia de la termodinámica reside en que permite a los físicos explicar el comportamiento de gran número de objetos –en especial, partículas de gas- que, en cierto sentido, funcionan juntos en un sistema complejo. Esto incluye el uso de promedios y estadísticas, pero se basa en gran medida en la idea de que un gas está constituido por una cantidad innumerable de partículas diminutas (átomos y moléculas) que no cesan de rebotar y chocar entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene, cumpliendo las leyes del movimiento de Newton. Esta teoría cinética de los gases fue un ejemplo importante del modo en que las leyes universales de la física ponían orden en el caos.

La palabra “gas” fue acuñada por el físico flamenco Joannes van Helmont a partir de la palabra griega que significa “caos”; este término apareció impreso por primera vez en el libro de van Helmont titulado Ortus medicinae, publicado cuatro años después del fallecimiento de Joannes, en 1648. La idea de que los gases eran como un caos se consideró acertada durante trescientos años, hasta que Maxwell desde Gran Bretaña, y su contemporáneo Ludwig Boltzmann, desde Viena, consolidaron la teoría cinética (que hasta entonces había sido sólo una especulación), dándole una firme base científica fundamentada en las leyes de Newton.

Lo que actualmente se conoce como segundo principio de la termodinámica se puede expresar de muchas formas diferentes, pero su primer enunciado se debe al físico británico William Thomson (quien fuera posteriormente lord Kelvin) en 1852. La cuestión principal sobre la que Thomson llamó la atención era la idea de la disipación –que, aunque el modo en que funciona el mundo natural se puede describir como un gran motor que convierte el calor en trabajo (o en movimiento, que viene a ser lo mismo), debe haber siempre algo de calor que se disipa durante el proceso, aunque realmente no se pierde, sino que se propaga por todo el universo, haciendo que la temperatura global suba una pizca, una cantidad imperceptible-Esto va más allá del principio, o ley, de la conservación de la energía (el primer principio de la termodinámica), porque en este caso, aunque la cantidad total de energía del mundo (expresión con la que los victorianos se referían a lo que actualmente llamaríamos el universo) se mantiene siempre igual, la cantidad de energía útil siempre está disminuyendo. Esto implica que los físicos necesitaban un método para cuantificar la cantidad de energía útil existente en un sistema cerrado, o en el mundo (el universo en toda su amplitud), de tal manera que pudiera tenerla en cuenta y manejarla en sus ecuaciones. Esto indujo a Rudolf Clausius a proponer el concepto de entropía, lo cual hizo en Alemania a mediados de la década de 1860.

La entropía mide la cantidad de orden que hay en un sistema y, si el desorden aumenta, también lo hace la entropía. Sabiendo que en el mundo real el desorden crece en todo sistema cerrado (las cosas se desgastan) a medida que pasa el tiempo, el inevitable aumento de la entropía define una dirección del tiempo, una flecha que parte del pasado ordenado y apunta hacia el futuro desordenado. Dado que este proceso parecía inevitable y universal, los especialistas en termodinámica de la era victoriana preveían un destino último del universo en el que toda la energía útil se habría convertido en calor y todo sería una mezcla templada de materia a temperatura uniforme, una situación desoladora que llamaban la “muerte térmica” del universo.

La vida, por supuesto, parece desafiar este proceso creando orden y estructuras a partir de materiales desordenados (o, en todo caso, menos desordenados). No parece más que, el Universo, actúa como si tuviera una consciencia y, hubiera creado la vida para que, a través de ella, pudiera evitar ese final. Una planta, por ejemplo, construye su estructura, y puede fabricar flores de gran belleza, a partir del dióxido de carbono, agua y unos pocos restos de otros productos químicos. Pero sólo puede hacerlo con la ayuda de la luz solar, es decir, con energía procedente de una fuente externa. La Tierra, y en particular la vida que se desarrolla en ella, no es un sistema cerrado. Es posible demostrar, utilizando las ecuaciones desarrolladas por Thomson, Clausius y sus contemporáneos, que, en cualquier lugar del Universo donde aparece un foco de orden, esto se hace a costa de que se produzca más desorden en otro lugar.

A escala macroscópica, según unas leyes deducidas a partir de experimentos y observación siguiendo procedimientos científicos aprobados, ensayados y comprobados, el universo actúa de un modo irreversible. Nunca se puede hacer que las cosas vuelvan a ser como solían, todo lo que surge, aunque nos parezca igual, no lo es. Todo lo nuevo que surge a partir de lo que había, está más evolucionado y, de alguna manera, es diferente. Pero precisamente en nuestro sencillo y clásico ejemplo de irreversibilidad termodinámica, la entropía y la flecha del tiempo podemos observar con claridad la dicotomía aparente entre el mundo macroscópico y el mundo microscópico. A nivel de los átomos y las moléculas que componen el gas (en realidad un nivel sub-microscópico, pero nadie lo tiene en cuenta), toda colisión es, según las leyes de Newton, perfectamente reversible y, en ese modelo del movimiento inverso no habría nada que estuviera prohibido por las leyes de Newton. Obedeciendo ciegamente esas leyes, los átomos y las moléculas recorrerían su camino inverso para volver a quedarse en su posición original, con independencia del número de sucesos e interacciones que pudieran haber sufrido durante el proceso. Sin embargo, en el mundo real, nunca vemos que los sistemas actúen de esa manera. Las civilizaciones pasan y llegan otras nuevas, aquellas que se fueron, nunca volverán. De la misma manera, cuando una estrella, al final de su vida, explota como supernova y deja sembrado el espacio interestelar de una hermosa Nebulosa de la que, mucho más tarde, surgirán nuevas estrellas, éstas, serán de otra generación, más complejas y, aunque seguirán siendo estrellas, estarán clasificadas como diferentes, más complejas y evolucionadas que aquellas en las que tienen su origen.

Me proponía al comenzar este trabajo a exponer muchas más cosas pero, como siempre pasa, el espacio y el tiempo no dan para tanto en este lugar y, dejo pendiente explicar cómo surge el Caos a partir del Orden y el Orden a partir del Caos, cómo podemos llegar al borde del Caos y qué transiciones de fase tienen que producirse para que, la normalidad y la simetría vuelva a reinar a partir de ese desorden que, en un principio, podría parecer irreversible.

De todo lo que aquí hemos hablado, se puede tomar razón y llegar a tener una razonada conciencia en el estudio de una galaxia espiral que, con sus millones de estrellas brillantes en los brazos espirales y sus estrellas rojas y más viejas en el centro galáctico, nos hablan claramente de la flecha del tiempo y de la entropía al considerar, la galaxia, como el sistema cerrado que, poco a poco, va tornándose más y más compleja en la composición de la materia que la conforma que, de manera irreversible va sufriendo transformaciones de todo tipo que, finalmente, la llevará a un estado crítico que hasta se podría transformar en un inmenso agujero negro como resultado final del proceso.

Mucho es lo que nos queda por saber, lo que sabemos, reconociendo que no es poco para el exiguo tiempo que llevamos aquí (en la medida del reloj del universo), es aún insuficiente para lo que la Humanidad necesita saber. Nuestra ignorancia es grande, muy grande…, casi infinita, si la contraponemos con todo aquellos que nos queda por descubrir de los secretos de la Naturaleza. Nunca podremos acabar ese aprendizaje que se pierde en la lejanía de la flecha del tiempo en ese infinito que llamamos futuro.

emilio silvera

En reralidad, la Entropía, no nos debe resultar tan extraña como esa imagen de arriba. Es algo que está presente en toda nuestra vida cotidiana. Sus efectos los podemos ver y también sentir en nosotros mismos. Nada permanece igual, todo cambia y se transforma: Es la Entropía destructora que hace estragos en connivencia con el tiempo.

Está claro que la madre ha sufrido más intensamente los efectos de la entropía que la graciosa niña que ahora está comenzando su andadura por la vida. ¡El Tiempo! Ese inexorable transcurrir de la fatídica flecha que nos lleva, desde el mismo instante  del nacimiento, hasta el inevitable final: Es la Entropía destructora, ese mecanismo del que se vale nuestro Universo para renovarlo todo, incluso la vida que, de otra manera, no podría evolucionar.

El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial del que mana en lo alto de la montaña y menos energía en el llano en la desembocadura, donde fluye suave y tranquila. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar (si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad).

Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo. El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.

Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquella.

El término “entropía” lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1.849 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión.

Rudolf J. E. Clausius

Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si colocamos un objeto caliente junto a otro frío, el calor fluye de manera que se transmite del caliente al frío hasta que se igualan las temperaturas de ambos cuerpos. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualen y la energía gravitatoria quede distribuida uniformemente.

Clausius afirmó, por tanto, que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O dicho de otra manera: que la entropía aumenta con el tiempo.

El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de “termodinámica”, que en griego significa “movimiento de calor”.

La termodinámica (significa “calor” y  dinámico, que significa “fuerza”) es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor.

Motor de combustión interna: transferencia de energía.

Específicamente, la termodinámica se ocupa de las propiedades macroscópicas (grandes, en oposición a lo microscópico o pequeño) de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras.

Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión de que la energía no podía ser destruida ni creada. Esta regla es tan fundamental que se la denomina “primer principio de la termodinámica”.

La idea sugerida por Clausius de que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menos básica, y que denomina “segundo principio de la termodinámica.”

Según este segundo principio, la entropía aumenta constantemente, lo cual significa que las diferencias en la concentración de energía también van despareciendo. Cuando todas las diferencias en la concentración de energía se han igualado por completo, no se puede extraer más trabajo, ni pueden producirse cambios.

¿Está degradándose el universo?

Pensemos en un reloj. Los relojes funcionan gracias a una concentración de energía en su resorte o en su batería. A medida que el resorte se destensa o la reacción química de la batería avanza, se establece un flujo de energía desde el punto de alta concentración al de baja concentración, y como resultado de este flujo anda el reloj. Cuando el resorte se ha destensado por completo o la batería ha finalizado su reacción química, el nivel de energía es uniforme en todo el reloj, no hay ya flujo de energía y la maquinaria se para. Podríamos decir que el reloj se ha “degradado”. Por analogía, decimos que el universo se “degradará” cuando toda la energía se haya igualado.

Si es cierto el segundo principio de la termodinámica, todas las concentraciones de energía en todos los lugares del universo se están igualando, y en ese sentido el universo se está degradando. La entropía alcanzará un máximo cuando la energía del universo esté perfectamente igualada; a partir de entonces no ocurrirá nada porque, aunque la energía seguirá allí, no habrá ya ningún flujo que haga que las cosas ocurran.

La situación parece deprimente (si el segundo principio es cierto), pero no es para alarmarse ahora, ya que el proceso tardará billones de años en llegar a su final y el universo, tal como hoy existe, no sólo sobrevivirá a nuestro tiempo, sino que con toda probabilidad también a la humanidad misma.

De todo esto podemos obtener una consecuencia clara y precisa; de acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, la entropía del universo está en constante aumento, es decir, la energía que contiene tiende a igualarse en todas partes. Así que, como cualquier proceso que iguala las concentraciones de energía está aumentando el desorden en el sistema, nuestro universo cada vez tiene un mayor desorden con los movimientos aleatorios libres de las partículas que lo componen, cuyo comportamiento no es más que una especie de medida del desorden que en el universo se produce de manera continuada.

Las tres generaciones de arriba nos habla del tiempo quen pasa, de la entropía que es su compañera inseparable y, de los estragos que, en nosotros y en todas las cosas puede causar ese principio universal de que nada desaparece pero todo cambia.

La entropía está presente en la vida cotidiana: objetos que se descolocan, cosas que se desordenan, vestidos que se ensucian, un vaso que se cae y se rompe, los muebles que se llenan de polvo, el suelo que recoge las marcas de los pies que lo pisan, todo eso es entropía y, para arreglarla, tenemos que disponer bien las cosas, recoger los objetos caídos, lavar la ropa y limpiar el suelo o quitar el polvo, con lo cual, la entropía continúa estando presente en el esfuerzo que todo ello conlleva y deteriora la lavadora, la aspiradora y nos causa a nosotros por el esfuerzo realizado (deterioro-entropía).

La entropía está ineludiblemente unida al tiempo, ambos caminan juntos. En procesos elementales en los que intervienen pocos objetos es imposible saber si el tiempo marcha hacia delante o hacia atrás. Las leyes de la naturaleza se cumplen igual en ambos casos. Y lo mismo ocurre con las partículas subatómicas.

Un electrón curvándose en determinada dirección con el tiempo marchando hacia delante podría ser igualmente un positrón curvándose en la misma dirección, pero con el tiempo marchando hacia atrás. Si sólo consideramos esa partícula, es imposible determinar cuál de las dos posibilidades es la correcta.

En aquellos procesos elementales en que no se puede decir en que dirección marcha el tiempo, no hay cambio de entropía (o es tan pequeña la variación que podríamos ignorarla). Pero en los procesos corrientes, en las que intervienen muchas partículas, la entropía siempre aumenta. Que es lo mismo que decir que el desorden siempre aumenta.

Un saltador de trampolín cae en la piscina y el agua salpica hacia arriba; cae un jarrón al suelo y se hace añicos; las hojas caen de los árboles y se desparraman por el suelo. El paso de los años nos transforman de jovenes en viejos, ¿quién puede remediar eso?

El Universo no es infinito y se renueva cíclicamente a partir del Caos destructor para que surja lo Nuevo. ¡Qué me gustaría saber de donde surgió, en realidad, el Universo? ¿Será una fluctuación del vació que expulsó este universo nuestro de otro mayor? ¿Será, acaso, el mismo universo que se renueva una y otra ves? No parece que ese sea el caso. Lo cierto es que, sólo tenemos el Big bang y, sin la seguridad de que ese sea el comienzo cierto.

Se puede demostrar que todas estas cosas, y en general, todo cuanto ocurre normalmente en derredor nuestro, lleva consigo un aumento de entropía. Estamos acostumbrados a ver que la entropía aumenta y aceptamos ese momento como señal de que todo se desarrolla normalmente y de que nos movemos hacia delante en el tiempo. Si de pronto viésemos que la entropía disminuye, la única manera de explicarlo sería suponer que nos estamos moviendo hacia atrás en el tiempo: las salpicaduras de agua se juntan y el saltador saliendo del agua asciende al trampolín, los trozos del jarrón se juntan y ascienden hasta colocarse encima del mueble y las hojas desperdigadas por el suelo suben hacia el árbol y se vuelven a pegar en las ramas.  Todas estas cosas muestran una disminución de la entropía, y sabemos que esto está tan fuera del orden de las cosas que la película no tiene más remedio que estar marchando al revés.

En efecto, las cosas toman un giro extraño cuando el tiempo se invierte, que el verlo nos hace reír. Por eso la entropía se denomina a veces “la flecha del Tiempo”, porque su constante aumento marca lo que nosotros consideramos el “avance del tiempo”.

Quizás, algún día, la imaginación de los seres humanos, tan poderosa, pueda idear la manera de deterner el Tiempo y con él, eliminar la Entropía destructora. Por disparatada que pueda parecer la idea, yo no la descartaría…del toto.

Todo esto me lleva a pensar que, si finalmente el universo en el que estamos es un universo con la densidad crítica necesaria para el universo curvo y cerrado que finaliza en un Big Crunch, en el que las galaxias se frenaran hasta parar por completo y comenzaran de nuevo a desandar el camino hacia atrás, ¿no es eso volver atrás en la flecha del tiempo y reparar la entropía?

emilio silvera