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La Entropía Parte 1- El café con crema




La entropía se puede definir como la cantidad de energía que no se puede utilizar para producir trabajo. Por ejemplo, el calor producido y disipado por una fogata, o por fricción de las partes mecánicas en un motor. En estos casos la energía no se destruyó, sino que se transformó a un estado donde ya no se puede recuperar para crear ningún tipo de trabajo. Por esta razón también se dice que la entropía es una medida del desorden, ya que se requiere trabajo para crear orden dentro de un sistema. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía dentro de un sistema cerrado siempre tiende a aumentar con el tiempo. Un sistema cerrado es un sistema delimitado donde no se permite el intercambio de materia con los alrededores. El universo es un sistema cerrado, por lo tanto, su entropía total siempre aumenta ─en otras palabras, el desorden en el universo es una tendencia natural e inevitable. Dicho lo anterior, alguien puede preguntar ¿Si sabemos que el desorden va de menos a más en el universo conforme pasa el tiempo, entonces cómo puede ser posible que aproximadamente ocho mil millones de años después del Big Bang, la materia se haya ordenado tan exquisitamente en estructuras complejas que dieron origen a los seres vivos e incluso a vida tan inteligente como los seres humanos? Robert Kuhn entrevistó en su programa Closer to Truth al físico cosmólogo y filósofo Sean Carroll y le hizo exactamente esa pregunta ¿Cómo se puede ir de algo extremadamente simple a lo extremadamente complejo que observamos ahora en el universo, especialmente cuando la segunda ley de la termodinámica aparentemente empuja en la dirección opuesta? A lo que Sean respondió: “la Tierra y la biósfera no son un sistema cerrado, y en los sistemas abiertos ─que interactúan con el medio ambiente─ la entropía puede disminuir. Esto es verdad, y nos dice que las leyes de la física permiten la existencia de estructuras complejas, aunque no da ninguna otra explicación. Yo creo que la explicación se encuentra en la distinción entre el nivel de entropía y el grado de complejidad. Estas son dos cosas muy diferentes. Yo argumentaría incluso que la existencia de estructuras complejas no solo es permitida, sino que la expansión del universo y el aumento de la entropía son procesos necesarios para que la complejidad aumente, porque si no tuviéramos estos procesos, entonces, tendríamos un universo con un mismo nivel de entropía todo el tiempo, habría un equilibrio térmico, y el equilibrio térmico es el estado más simple y aburrido que hay, porque en ese estado no sucede nada.” Robert pregunta de nuevo: “Pero entonces ¿qué es lo que impulsa esta organización hacia estructuras complejas?” Sean: “Es definitivamente una interacción entre las diferentes fuerzas fundamentales. Tenemos a la fuerza de gravedad que solo causa atracción, las fuerzas nucleares que sostienen el núcleo de los átomos, y el electromagnetismo que puede atraer o repeler. Todas interactúan para permitir el surgimiento de la complejidad, aunque solo sea temporal. La analogía que me gusta usar como ejemplo es lo que sucede cuando mezclas el café y la crema. Cuando están separados tenemos un sistema organizado simple con una entropía baja. Cuando se mezclan, al final se convierte en un sistema de alta entropía, pero todavía simple. La complejidad solo se observa a la mitad del proceso, cuando los tentáculos de la crema se están entrelazando y mezclando con el café antes de diluirse por completo. Ahí es cuando la entropía está aumentando, y ahí es donde aparece la complejidad al menos por unos instantes antes de alcanzar la estabilidad y la simplicidad de nuevo. El universo hace exactamente lo mismo, empieza muy simple y organizado con una entropía muy baja, y terminará en un futuro muy muy lejano en un estado simple de nuevo, porque el universo se está expandiendo, enfriando, y vaciando. El final será un estado simple pero con una entropía muy alta. Es a la mitad de este proceso donde veremos el surgimiento de la complejidad, tú y yo somos esos tentáculos de la crema mezclándose con el café.”



A continuación, les comparto un extracto del programa Closer to Truth de Robert Lawrence Kuhn. Robert es un neurocientífico que explora las preguntas más difíciles de la humanidad documentando y compartiendo conversaciones con otros intelectuales. En el extracto del episodio que comparto, conversa brevemente con el físico cosmólogo y filósofo Sean Carroll.


La filosofía de la física y la cosmología



Por: Robert Lawrence Kuhn


Robert: Sean, me gusta tratar de entender la mecánica cuántica, y la teoría de la relatividad, y la realidad en general, pero al mismo tiempo busco las implicaciones y la filosofía de la física o de la cosmología. Y una de las más grandes preguntas es que en cualquier inicio del sistema, todo es extremadamente simple, así que la pregunta es ¿Cómo se puede ir de algo extremadamente simple a lo extremadamente complejo, que es lo que tenemos ahora, especialmente cuando tenemos a la segunda ley de la termodinámica empujando aparentemente en la dirección opuesta?


Sean: Así es, es similar a la vieja pregunta que dice, si los físicos dicen que el universo se está disipando, volviéndose cada vez más desordenado, y la entropía total en el universo solo aumenta debido a la segunda ley de la termodinámica, entonces ¿Cómo se explica el surgimiento de sistemas organizados de manera tan exquisita, como tú y como yo, sin la intervención de algún poder trascendental? Y por supuesto, los científicos tienen una explicación muy concisa para esa cuestión. La Tierra y la biósfera no son un sistema cerrado, y en los sistemas abiertos ─que interactúan con el medio ambiente─ la entropía puede disminuir. Yo puedo enfriar una botella de champán en el refrigerador y su entropía disminuirá. Eso es verdad, y nos dice que las leyes de la física permiten la existencia de estructuras complejas aquí en la Tierra, aunque no provee ninguna explicación. Yo creo que la explicación se encuentra en la distinción entre el nivel de entropía (entropía baja donde hay orden y alta donde hay desorden) y el grado de complejidad. Estas son dos cosas muy diferentes. Yo argumentaría que la existencia de estructuras complejas no solo es permitida, sino que la expansión del universo y el aumento de la entropía son procesos necesarios para que la complejidad aumente.


Robert: ¿Qué quieres decir con que esos procesos son necesarios?


Sean: Bueno, si no tuviéramos estos procesos entonces tendríamos un universo con un mismo nivel de entropía todo el tiempo, habría un equilibrio térmico, y el equilibrio térmico es el estado más simple y aburrido que hay porque en ese estado no sucede nada.


Robert: Pero entonces ¿qué es lo que impulsa esta organización hacia estructuras complejas?


Sean: Es definitivamente una interacción entre las diferentes fuerzas. Tenemos a la fuerza de gravedad que solo causa atracción entre los cuerpos, las fuerzas nucleares que sostienen el núcleo de los átomos, y el electromagnetismo que puede atraer o repeler dependiendo de la situación. Todas estas fuerzas interactúan entre sí para permitir el surgimiento de la complejidad, aunque solo sea temporal. La analogía que me gusta usar como ejemplo es lo que sucede cuando mezclas el café y la crema. Cuando están separados tenemos un sistema organizado simple con una entropía baja. Cuando se mezclan, al final se convierte en un sistema de alta entropía, pero todavía simple. La complejidad solo se observa a la mitad del proceso, cuando los tentáculos de la crema se están entrelazando y mezclando con el café antes de diluirse por completo. Ahí es cuando la entropía está aumentando, y ahí es donde aparece la complejidad al menos por unos instantes antes de alcanzar la estabilidad y la simplicidad de nuevo.


Robert: ¿Esa es tu metáfora para el universo entero?


Sean: El universo hace exactamente lo mismo, empieza muy simple y organizado con una entropía muy baja, y terminará en un futuro muy muy lejano a miles de millones de años en un estado simple de nuevo, porque el universo se está expandiendo, enfriando, y vaciando. El final será un estado simple, pero con una entropía muy alta. Es a la mitad del proceso donde veremos el surgimiento de la complejidad, tú y yo somos esos tentáculos de la crema mezclándose con el café.


Robert: ¿Y eso no te hace pensar en la rareza de un universo que empieza en un estado extremadamente simple y termina en otro estado extremadamente simple, frío, vacío? ¿No te parece que es algo sumamente extraño que la realidad sea de esta manera?


Sean: El hecho de que el universo haya empezado en un estado extremadamente simple con un nivel de entropía muy bajo, es algo ciertamente muy misterioso. Esta es una de las cosas que los cosmólogos pasan sus días estudiando. El hecho de que eso fue lo que sucedió, y el resultado fue que surgieron estructuras complejas, y esa es la era en la historia del universo en donde nos encontramos, eso es lo menos sorprendente de todo.


Robert: Pero estás asumiendo la existencia de la fuerza de la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y fuerte, y la función de onda cuántica y muchas otras cosas.


Sean: Se necesita un universo que sea lo suficientemente rico en su dinámica fundamental para tener fuerzas que se atraen y repelen a diferentes escalas. Sin estas fuerzas no puedes tener estructuras complejas. Hemos simulado en computadoras de laboratorio el experimento de mezclar el café con la crema y encontramos que, para algunas versiones, los dos simplemente se combinan perfectamente sin el surgimiento de patrones complejos ni tentáculos entrelazados de ningún tipo. La complejidad nunca surgió cuando simulamos en la computadora algunos escenarios con ecuaciones diferentes. Pero tampoco fue difícil encontrar ecuaciones que produjeran patrones complejos, no fue necesario ningún ajuste fino.


Robert: Pero no te parece algo extraño que tenemos estas propiedades tan complicadas como la función de onda cuántica y las fuerzas fundamentales de la naturaleza como ya lo platicamos, y para después solamente ir de simplicidad a simplicidad. Quiero decir ¿No te inquieta que la naturaleza sea de esa manera?


Sean: No me inquieta, me provoca curiosidad. Me pregunto por qué el universo es de esta manera y no de alguna otra. No estoy seguro si hay una buena respuesta. Pero sí puedo usar la imaginación para pensar en otros seres conscientes en el multiverso donde tal vez hay ocho dimensiones espaciales, y miles de millones de tipos diferentes de partículas elementales, y donde escriben poesía maravillosa sobre lo afortunados que son por tener esas ocho dimensiones y todos los tipos de partículas, porque gracias a eso pueden existir junto con toda la complejidad que se encuentra en esa zona del multiverso. Por eso no tengo la menor idea de qué tan sorprendido deberíamos estar de que las leyes fundamentales de la física al parecer permiten la suficiente complejidad para darnos no solo estructuras complejas, sino también seres autoconscientes capaces de procesar información y predecir el futuro.


Robert: Para luego desparecer...


Sean: Y después desaparecemos, así es.


Robert: Parece una broma cósmica.


Sean: Ciertamente parece algo absurdo desde el punto de vista existencialista, hasta donde sabemos, no hay ninguna razón para que sea de esa manera.


Robert: Y si tienes un multiverso que tiene todos esos componentes como las ocho dimensiones y miles de millones de diferentes partículas elementales, entonces tiene que haber leyes del multiverso que te permita generar un universo como ese que tiene significado, y otro universo como este. De tal manera que en algún punto llegarás a una ley fundamental más profunda que puede ser radicalmente contingente como tal vez tú lo creas.


Sean: Así es, y esa es una ramificación muy interesante de la física moderna tal y como la entendemos, que lo que podríamos considerar como los hechos definitivos sobre el universo ─como la masa del electrón, la existencia del electromagnetismo─ pudieran ser diferentes en otros lugares del multiverso, y si eso es verdad, entonces, el hecho de que en algún lugar de ese gran conjunto existen estructuras complejas como tú y como yo, una vez más, eso no es algo sorprendente del todo.


Robert: Correcto. Pero todavía necesitas un mecanismo para generar todos esos universos diferentes con sus diferentes tipos de leyes.


Sean: Así es, y se puede explicar fácilmente con el hecho de que la inflación cósmica crea una cantidad enorme de espacio. La idea de que el universo en una etapa muy temprana se puede expandir exponencialmente y crear una cantidad de espacio arbitrariamente grande.


Robert: Pero debes tener una teoría de la inflación cósmica y cuál es su causa


Sean: Por supuesto, pero eso no es difícil. Creo que una de las cosas sobre el multiverso que vale la pena enfatizar, es que los cosmólogos modernos no se interesaron en la teoría del multiverso porque pensaron que sería grandioso tener miles de millones de universos diferentes, sino que se interesaron porque desarrollaron teorías por otras razones que después llevaron a predecir la existencia del multiverso.





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