Incertidumbre, Orden, Caos, Entropía…Vida.

Conseguir una imagen de una molécula mientras está sufriendo una reacción ha sido considerado uno de los santos griales de la química. Pero ahora científicos de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) y de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) han logrado, por primera vez, fotografiar con gran precisión una molécula antes e inmediatamente después de una reacción orgánica compleja.

          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.

                  Esto sería Inteligencia Artificial

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-.

Las tres leyes de Newton son:

• Primera ley o ley de la inercia.
• Segunda ley o ley fundamental de la dinámica.
• Tercera ley o principio de acción y reacción.

Estas leyes que relacionan la fuerza, la velocidad y el movimiento de los cuerpos son la base de la mecánica clásica y la física. Fueron postuladas por el físico y matemático inglés Isaac Newton, en 1687.

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 que siempre aumenta en un sistema cerrado. Considerado como sistema cerrado el Universo aumenta su entropía sin que nada lo pueda evitar..

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.

                  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. Es el inexorable transcurrir del Tiempo lo que todo lo cambia marchando en la única dirección. El Presente se hace Pasado, corre hacia el futuro pero… ¡Nunca lo alcanzará!

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.

“El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. En palabras simples, el principio dice que si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.”

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 incide en los seres vivos a medida que transcurre el Tiempo

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.

     Esta es nuestra manera de crear entropía negativa

Las galaxias crean entropía negativa a través de las Nebulosas creando estrellas y mundos

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.

Una explosión Supernova de una estrella masiva nunca podrá volver a su estado original. La estrella como sistema cerrado, llegó al Caos total con el paso del Tiempo y explotó para transformarse en una cosa distinta de la que fue.

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.

                     La belleza del caos en todo su esplendor!

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.

Lo cierto es que llegamos, como aquel que dice, antes de ayer, y, nos creemos los dueños del Universo, cuando en realidad,, somo menos que un grano de arena en la inmensa playa, o, de una gota de Agua del inmenso Océano… Pero, así somos: Engreidos y fatuos, ególatras y poco humildes. Claro que, la realidad nos hará cambiar.

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 V.

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