El creciente desorden del universo

Introducción

Suele ser frecuente en ciertas personas cultas una referencia al concepto de entropía, palabra griega que significa precisamente desorden. Se suele tener una cierta idea de la relación de la entropía con el aumento constante de desorden en el universo. En realidad la entropía sencillamente es una magnitud física (calor/temperatura) descubierta por Sadi Carnot en sus estudios sobre los motores térmicos, observando que siempre, sea cual sea el proceso que se realice, la entropía del universo aumentaba, postuló lo que conocemos como el segundo principio de la termodinámica (aumento creciente de la entropía del universo).

Que el segundo principio sea un postulado tiene una cierta enjundia, no es un nombre casual. Significa que es algo supuesto por el científico en base a una serie de observaciones, que jamás se ha observado un comportamiento contrario al postulado. NO quiere decir que sea una ley, algo deducido de unos principios y que ha sido sometido a comprobación experimental, sino que sencillamente resume un conjunto de observaciones directas.

Para comprender el significado del segundo principio, imaginemos un trozo de hielo colocado en un ambiente normal, de unos 20°C. Con el tiempo el hielo se derretirá, y de una serie de cristales ordenados de agua (hielo) se habrá pasado a un cerco de agua líquida, mucho más desordenado que la anterior. Desde el punto de vista energético ambos procesos son posibles, pero en la práctica, salvo que se haga trabajo para enfriarlo, el hielo se derretirá y pasará a agua a la temperatura de la habitación. Esto es válido para todos los procesos: los cuerpos tienden a tener la misma temperatura, pasando calor del más caliente al más frío. Nunca, de manera natural, se observa el proceso contrario. Sin embargo, desde el punto de vista energético también es posible.

Otro ejemplo es el siguiente: cuando un coche frena y se detiene, el rozamiento de los neumáticos contra el suelo hace que se calienten. Pero jamás hemos visto que un coche comience a rodar solo y que los neumáticos se enfríen. ¿Por qué, si la energía en ambos procesos es la misma? Porque se violaría el segundo principio de la termodinámica.

Entropía y movimiento molecular

El primero en establecer una relación entre entropía y el movimiento molecular fue Ludwig Boltzmann. Dijo que la entropía y el número de estados posibles de un sistema estaban directamente relacionados. A mayor número posible de posiciones de las moléculas, mayor entropía. Por ejemplo, un rompecabezas resuelto tiene una sola posición posible para cada una de las piezas. Tiene por tanto, muy poca entropía. Sin embargo, cuando este se desordena, hay muchas posiciones posibles para las piezas y al aumentar el desorden ha aumentado la entropía. La Naturaleza, por sí sola, no genera estados ordenados. Siempre se dirige hacia el desorden. De alguna forma es como el rozamiento, que hace que los cuerpos con el tiempo se detengan.

En principio, sería posible que por azar al mover las piezas del rompecabezas éste se recompusiera; claro que sería lo mismo que esperar que un mono al teclado de un ordenador o un gato paseando sobre él escribiesen el Quijote o la Biblia. ¿Alguien ha observado esto último?

Entropía y vida

Sin embargo la vida, que es un estado altamente ordenado, existe en el universo y se multiplica constantemente. ¿Por qué? Lo cierto es que en todo lo que hemos visto hasta ahora hemos introducido una pequeña falacia. La entropía que hemos estudiado sólo tiene validez en estados cercanos al equilibrio. Cuando nos alejamos un poquito tan sólo del estado de equilibrio tiene validez la entropía. Cuando estamos muy alejados del equilibrio, ya no podemos hablar con propiedad de entropía.

Ilya Prigogine fue el primero en estudiar los estados termodinámicos alejados del equilibrio. Aunque en ellos se sigue respetando el segundo principio de la termodinámica, es decir, aumenta la entropía, se pueden generar estados altamente ordenados simplemente porque en su entorno están produciendo una altísima cantidad de desorden, alimentándose de energía del entorno.

Por ejemplo, imaginemos un péndulo detenido; si al mismo le aplicamos una fuerza pequeña, el péndulo vuelve a su posición original. En este caso estamos trabajando cercanos al equilibrio. Sin embargo, si la fuerza es mayor el péndulo comienza a oscilar, y se puede predecir su posición y su velocidad en cada momento. Es un estado del péndulo altamente ordenado. Claro que el rozamiento del péndulo con el aire genera calor, y con el tiempo el rozamiento detendrá el péndulo. Si queremos conservarlo en movimiento hace falta impulsarlo periódicamente. Para mantener el estado ordenado del péndulo se consume mucha energía, y este consumo genera muchísima entropía.

Otro ejemplo es el de los remolinos de agua o de viento (huracanes). En una corriente de agua con mucho caudal se producen remolinos, estados muy ordenados pero que necesitan muchísimo caudal de agua para mantenerse estables, mucha energía a su alrededor para alimentarlos. Con los huracanes sucede lo mismo; en ellos el flujo del aire sigue caminos muy ordenados, muy bien trazados, pero es fácil ver el desorden que provocan a su alrededor. Con la vida sucede lo mismo. Para mantener cualquier ser vivo hace falta una gran cantidad de energía (estados ordenados), y se genera todavía más desorden. La vida es un remolino de entropía y una máquina productora de desorden.

Naturalmente surge la pregunta: ¿quién o qué ha dado el primer impulso para que nazca la vida? En los remolinos de agua el primer impulso es un caudal de agua muy rápido; en los huracanes es una fuerte diferencia de temperatura que hace que las capas de aire comiencen a circular violentamente. ¿Y en la vida, cual es el impulso inicial? ¿de donde surge la semilla de orden que da nacimiento al árbol de la Vida? La física no puede dar una respuesta, lo que significa sencillamente que no lo sabemos.

Entropía y tiempo

Una explicación posible al creciente desorden del Universo es que, sencillamente, coincide con la flecha del tiempo. O lo que es lo mismo, nunca observamos la formación espontánea de hielo a partir de agua líquida, extrayendo calor del medio ambiente porque eso equivale a viajar hacia atrás en el tiempo. Hay una dirección en el tiempo que es la que genera la entropía. La flecha termodinámica y la flecha del tiempo apuntan en la misma dirección.

Una consecuencia importante para tener muy presente es que las leyes de la física o hacen distinción entre el pasado y el futuro. Pero el segundo principio de la termodinámica es un postulado, no una ley, y marca una dirección definida para el tiempo.

En el best-seller científico de Stephen W. Hawking, se establece que la flecha termodinámica (aumento de la entropía) y la flecha cosmológica (expansión creciente del universo) apuntan en la misma dirección debido a que si apuntasen en distinto sentido sería imposible la existencia de seres inteligentes capaces de preguntarse sobre la dirección del tiempo. Es decir, la existencia de la vida requiere una flecha termodinámica clara (aumento del desorden). Es lo que se conoce como principio antrópico. Observamos el universo y deducimos leyes sobre él porque la configuración de las mismas permite la existencia de la Vida. ¿O es la vida la que previamente ha configurado las leyes para poder expresarse? Como tantas otras, una pregunta sin respuesta.

Conclusión

A lo largo de estas líneas hemos repasado muy rápidamente el segundo principio de la termodinámica y hemos visto algunas de las consecuencias filosóficas y científicas que trae aparejadas. La simple existencia de la vida no sería posible sin el segundo principio, y quizás la misma existencia del tiempo. Si todo el universo estuviera altamente ordenado o desordenado no podría nacer la Vida. La Vida para mantenerse necesita una diferencia entre estados desordenados y ordenados. Podemos deducir que la misión de la Vida es introducir orden en el Universo, con lo cual habríamos descubierto el sentido de la Vida, la evolución.

Si bien es cierto que todo lo anterior se aleja del campo de la física y se introduce en el de la filosofía, no lo es menos que la física nació de la filosofía, que muchos de los conceptos físicos antes fueron conceptos filosóficos y que si simplemente nos limitamos a realizar cálculos y experimentos sin conocer realmente sobre qué estamos tratando, actuamos como meras máquinas procesadoras de datos. La principal actividad del hombre es la filosofía y dentro de todo físico se encuentra un filósofo.