« Sí, es cierto. Nosotros somos parte del Universo: La que piensa

Muchas veces he dejado aquí una reseña de lo que se entiende por entropía y así sabemos que la energía sólo puede ser convertida en cuando    dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformadad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

En realidad, 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 en todo lo que nos rodea y 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 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, y, de alguna manera, ese surgir de la vida nueva, y las nuevas estrellas y nuevos mundos que nacen en las galaxias, se podría considerar como entropía negativa, es decir, algo que está ocurriendo para que el Caos no sea total.

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 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 . 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 , por muy alta que sea aquella.

El término “entropía” lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1.849 representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. 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 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 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 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. 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 básica, y que denomina “segundo principio de la termodinámica.”

Según 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 , ni pueden producirse cambios.

¿Está degradándose el universo?

           El tiempo corre y las piezas se desgastan

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 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 , 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 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 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, 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 , 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 delante o hacia atrás. Las leyes de la naturaleza se cumplen igual en ambos casos. Y lo mismo ocurre con las partículas subatómicas.

La figura muestra, al 50% del tamaño real, la trayectoria de un electrón entrando por la izquierda en una cámara de burbujas.

Un electrón curvándose en determinada dirección con el tiempo marchando hacia delante podría ser igualmente un positrón curvándose en la misma dirección, 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 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 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?

      En lugares como este nacen nuevas estrellas, nuevos mundos y, en ellos… ¡Nuevas formas de Vida!

El Universo no es infinito y se renueva cíclicamente a partir del Caos destructor para que surja lo . ¡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 demostrar que todas estas cosas, y en general, todo cuanto ocurre normalmente a nuestro alrededor, lleva consigo un aumento de entropía. Estamos acostumbrados a ver que la entropía aumenta y aceptamos ese 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 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 más remedio que estar marchando al revés.

En efecto, las cosas toman un giro extraño cuando el tiempo se invierte, que el verlo nos 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 el universo curvo y cerrado que finaliza en un Big Crunch, en el que las galaxias se frenarán hasta parar por completo y comenzaran de a desandar el camino hacia atrás, ¿no es eso volver atrás en la flecha del tiempo y reparar la entropía?

En un comentario que les hacía, en respuesta a otros contertulios José Luis, Fandila y Kike -en el trabajo “Las galaxias y la Vida”-, hace algún tiempo,  les decía:

 

 

Cada nueva estrella que surge hace aumentar la entropía negativa

 

“Bueno, amigo Kike… ¡O quizás sí! Como bien dices, el simple hecho de replicarse significa Entropía negativa, es decir, es la manera que tenemos los de nuestra especie (otras también), de generar esa clase de entropía y, cuando en las galaxias nacen nuevas estrellas, también se está produciendo ese fenómeno que va contra la entropía y el Caos final, toda vez que, algo surge para que todo siga igual.”

 

Lo cierto es que sí existe la entropía negativa y, continuamente la podemos contemplar a nuestro alrededor, hay procesos que son cíclicos y reversibles como, por ejemplo y no ir más lejos… ¡el de la vida! ¿Queson otras vidas? Sí, cierto, otras vidas con los genes de la que se fue y, de esa manera, continúa la aventura que comenzó hace algunos cientos de miles de años en nuestra especie. Si eso no es entropía negativa…

Por otra parte, en cosas más simples y simplemente mecánicas, hay cosas que se repiten una y otra vez y, en nuestro entorno, la Naturaleza lo hace con las estaciones, las mareas y un sin fín de fenómenos naturales que, que pòdamos recordar, están aquí con nosotros.
Por otra , no es cierto que la temperatura del universo esté siempre en aumento, el hecho de que las galaxias se estén alejando las unas de las otras como consecuencia de la expansión, hace que cada vez sea más frío y, de hecho, se cree que la muerte térmica del universo llegará cuando alcance el cero absoluto, es decir, -273,16º Celsius, a esa temperatura ni en los átomos habrá movimiento alguno.

Es cierto que cuanto mayor sea la entropía de un sistema mayor también será el desorden y la energía disponible disminuirá. El propio universo, considerado como un sistema cerrado se verá abocado a ese escenario final, ya que, de manera irremisible, su entropía aumenta más y más y lo está llevando ahacia su muerte térmica.

Existe una energía interna de la que habla la ciencia que estudia las leyes que gobiernan la conversión de una forma de energía en otra, la dirección en la que fluye el calor y la disponibilidad de energía para que siga produciéndose . Se basa en el principio de que en un sistema aislado en cualquier lugar del universo hay una cantidad medible de energía, llamada la energía interna (U) del sistema. Esta es la suma de la energía potencial y cinética total de los átomos y moléculas del sistema que pueden ser transferida directamente como calor; excluye, por tanto, la energía nuclear y química. El valor de U sólo puede cambiar si el sistema deja de estar aislado, toda vez que, si deja de estar aislado y se junta con otro, habrá transferencia de masa, energía, calor.

 En cada uno de estos escenarios de arriba, sin excepción, se crean nuevos escenarios y se producen nuevas energías

En ese caso, tenemos que pensar en cómo se fusionan las galaxias y, a menor escala, también nosotros, de alguna manera, lo hacemos para generar nueva sabia, nueva energía y nueva vida que, de alguna manera, viene a contrarrestar los efectos de la entropía destructora que no puede impedir que esa nueva vida surja, y, de la misma manera, en las galaxias, nacen nuevas estrellas y nuevos mundos.

Todo esto nos puede llevar a pensar que, si nuestro universo es considerado un sistema cerrado, al final del camino, la entropía se saldrá con la suya pero… ¡Siempre hay un pero! ¿Y si nuestro universo no está sólo y se está acercando, de manera inexorable, a otro universo vecino para fusionarse con él? En ese caso, se producirán fenómenos termodinámicos que darán lugar a un escenario nuevo. No es ninguna tonteria pensar en esa posibilidad, de estudios recientes ha salido el resultado asombroso de que nuestro universo parece tener vecinos.

Es cierto que los procesos naturales obeden a la primera ley de la termodinámica (el principio de conservación de la energía). Sin embarego, aunque todos los procesos naturales obedecen a esta ley, no todos los procesos que la obedecen pueden ocurrir en la naturaleza. La mayoría de los procesos son irreversibles, es decir, solo pueden ocurrir en una dirección y la dirección que un proceso natural puede tomar es el objeto del segundo principio de la termodinámica al que antes Kike se refería y que puede ser formulado en una gran variedad de formas:

 

 

“El calor no puede ser transferido un cuerpo a un segundo cuerpo a temperatura mayor sin producirse ningún efecto, y, la entropía de un sistema sistema cerrado aumenta con el tiempo.”

 

Esos conceptos introducen la Temperatura y la Entropía, los parámetros que determinan la dirección en la que un proceso irreversible ocurrir. Como decíamos antes, si se llega al cero absoluto, el valor de la entrop´çia sería cero, es decir, el cambio de la entroìa sería nulo, como se cree que pasaría si el universo llega a ese final que algunos vaticinan de su muerte térmica.

Claro que, yo no soy tan agorero y parto de una base muy cierta: No lo sabemos todo y, lo poco que sabemos está sujeto a cambios (como nuestras teorías) a medida que vamos evolucionando y adquiriendo nuevos conocimientos. , podemos tener la impresión de que estamos a merced de esa Entropía que nos lleva al Caos y hacia la destrucción pero… (de nuevo un pero), ¿son inamovibles nuestros conocimientos actuales?

Creo en la generación de entropía negativa (por llamarla de alguna manera), y, el ejemplo de las estrellas nuevas que nacen continuamente y también, de nuestra propia descendencia… ¡Es una prueba irrefutable! De todas las maneras y, siempre digo:

“Sabemos tan poco”

emilio silvera

En el año 2012 el telescopio Subaru, del Observatorio Nacional de Japón (NAOJ) y situado en Hawaii, logró ver algo a la mayor distancia hasta la fecha. Gracias a sus espejos de 8,2 metros de diámetro, logró captar una galaxia, llamada SXDF-NB1006-2, cuya principal peculiaridad es estar situada a una distancia de 13.100 millones de años luz. Aparte del récord, esta lejana galaxia se convirtió en una ventana al Universo más remoto en el tiempo: aquel que existió hace 13.100 millones de años, y «solo» 700 millones de años después del Big Bang.

En un primer momento se encontraron trazas de hidrógeno, el material básico con el que se construyeron las primeras galaxias. Pero los investigadores quisieron también saber si había algo más. Gracias al potente telescopio ALMA, situado en Chile, los científicos encontraron evidencias de la presencia de oxígeno, un elemento que nunca se había descubierto tan lejos y que podría servir para explicar un fenómeno conocido como «reionización cósmica». El hallazgo ha sido publicado este jueves en Science.

«Ver elementos pesados en el Universo temprano es esencial para saber cómo se formaron estrellas en ese periodo», ha dicho Akio Inoute, investigador en la Universidad Osaka Sangyo, Japón, y principal autor del estudio. Y no solo eso: «Estudiar elementos pesados nos da también una pista para entender cómo se formaron las galaxias y qué causó la reionización cósmica», ha añadido.

¿En qué consiste ese fenómeno? Hoy en día el Universo es rico en una gran variedad de elementos y está repleto de estrellas y galaxias. Pero no siempre fue así. Cientos de millones de años después del Big Bang, el Universo era un lugar muy oscuro en el que no había estrellas ni galaxias. Fue la «reionización cósmica» la que lo cambió todo.

El fin de la «Edad oscura»

Se liberaron las fotones y se hizo la luz. El Universo dejó de ser opaco

Antes de eso, el Universo estaba sumido en un periodo conocido como «Edad oscura». Por entonces, centenares de millones de años después del Big Bang, la materia estaba más apelmazada y caliente que hoy en día, y estaba compuesta por protones, neutrones y electrones. Con el tiempo esta «sopa» se fue enfriando, de modo que los protones y los neutrones comenzaron a combinarse para generar hidrógeno y helio ionizados, los elementos más básicos y sencillos de toda la tabla periódica. A medida que estos elementos fueron atrayendo los electrones, el espacio dejó de ser opaco para la luz y se volvió transparente. Y así, ¡se hizo la luz!

Todo esta etapa de la «reionización cósmica» es el periodo más antiguo en la vida del Universo al que se puede acceder a través de telescopios, puesto que antes de eso no había luz (al menos si las teorías no se equivocan). Por suerte, muchos científicos consideran que es posible ver cosas aún más antiguas recurriendo a las ondas gravitacionales.

Sea como sea, parece que fue cientos de millones de años después de esta reionización cósmica, cuando las condiciones permitieron que se formaran las primeras fuentes de luz: las estrellas, unas inmensas centrales nucleares capaces de fundir hidrógeno y helio y producir átomos más pesados. La «Edad oscura» del Universo tocaba a su fin.

A pesar de la importancia de este fenómeno, que cambió por completo la naturaleza del Universo, lo cierto es que no se sabe mucho acerca de cómo o por qué ocurrió. Por fortuna, el telescopio ALMA permitió obtener algunas pistas.

El pasado más remoto al alcance

Todo comenzó en junio de 2015, cuando se logró detectar la luz procedente del oxígeno ionizado en SXDF-NB1006-2. Con este vistazo a un momento antiquísimo del Universo, los investigadores se llevaron varias sorpresas. «Algo extraño podría estar ocurriendo en esa galaxia», dijo Inoue.

¿Cuál es el motivo de su sorpresa? Básicamente, haber encontrado una cantidad total de elementos pesados de solo el 10 por ciento de la que hay en el Universo actual, y, además, una cantidad muy pequeña de polvo interestelar. Por último, tampoco se encontraron lecturas de carbono, un elemento que es clave para justificar la posibilidad de que una estrella pueda estar implicada en la «reionización cósmica».

Estrellas contra la oscuridad

Que no haya carbono ni polvo indica que las estrellas gigantes que hay en la región, una docena de veces más pesadas que el sol y que producen una intensa luz ultravioleta, podrían haber sido capaces de tener un papel protagonista en la reionización. El motivo es que tanto el polvo como el carbono pueden frenar la luz. Por eso, tanto estas estrellas como esta galaxia podrían ser los protagonistas típicos de una historia que fue la que permitió que el Universo fuera dejando atrás la «Edad oscura».

«Este es el primer paso para entender qué tipo de objetos causaron el fenómeno de la”reionización cósmica”», ha explicado Yoichi Tamura, investigador de la Universidad de Tokio. «Nuestras próximas observaciones con ALMA ya han comenzado. Si conseguimos observaciones de mayor resolución podremos ver la distribución y el movimiento del oxígeno en la galaxia y conseguir información crucial para entender sus propiedades».

Explorar ese rincón tan lejano del Universo no ha sido sencillo: no ha bastado con apuntar el telescopio en la dirección correcta; ha hecho falta hacer complejas simulaciones de ordenador para tratar de predecir el brillo de esas regiones tan remotas en el tiempo y en el espacio.

En este caso, cuanto más lejos se mira más atrás en el tiempo se llega. Aparte de satisfacer la gran curiosidad de entender cómo se formó y cómo se originó el Universo, gracias a trabajos como este también se puede entender cómo se formó la materia, y qué secretos esconde aún en su interior.