Hacia una muerte obligada: entropía, vida y muerte

Jueves 3 de diciembre, 2010
Universidad de Chile
Facultad de Ciencias
¿Hacia una muerte obligada?: entropía, vida y muerte.
Washington Díaz C.
Licenciatura en Ciencias, mención Química
Curso: Fundamentos de Evolución Cósmica
Docentes: Raúl Morales, Mauricio Canales y Juan A Valdivia
H. Muñoz, J Gallardo, Jaime Roessler, J. R Morales
En 1824 Nicolas Léonard Sadi Carnot publico su obra “Réflexions sur la puissance
motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance” (Reflexiones
sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta
potencia). Se pregunta aquí de manera ilustrativa, que tanto se puede mejorar el
rendimiento de una maquina; cuanto calor de un deposito caliente se puede transformar en
trabajo. Así Carnot se da cuenta de que es imposible que todo el calor del deposito caliente
se transforme en trabajo; siempre parte de este calor ira a parar al deposito frío y que el
desempeño de la maquina esta íntimamente relacionada con la diferencias en temperatura
entre los deposito.
Este trabajo llevo más tarde a Rudolf Julius Emmanuel Clausius a publicar
formalmenteα dos principios importantes, que hoy en día conocemos como 1er y 2do
principio de la termodinámica. El primero dice “la energía en el universo se conserva” y el
segundo “es imposible que el todo calor fluya del deposito frío al caliente”, caso que
requiere se aplicación de trabajo sobre el sistema.
α
De manera formal pues estos principios están contenidos en la obra de Carnot
Es decir que para realizar ese ultimo proceso se necesita de otra maquina en que el
calor se transforme en trabajo que se ocupe para este proceso inverso al visto usualmente en
la naturaleza en que el calor va del cuerpo con temperatura elevada al de temperatura baja,
hasta equiparar temperaturas (equilibrio térmico)β, y que en este proceso se perderá calor
desde el sistema.
Si nos detenemos en lo mencionado nos damos cuenta que si tenemos dos maquinas
de Carnot idénticas pero una posee un deposito caliente (c) y uno frío (f) y la otra los dos
depósitos en equilibrio térmico, y hacemos funcionar la primera tal que ocupemos el trabajo
que genere esta en elevar la temperatura de algún deposito de la otra (c’), enfriando el otro
deposito (f’) veremos que cierta parte de el calor de c ira a parar f por lo que las diferencias
entre c’ y f’ no podrá ser mayor que la que tenia inicialmente c y f. Si ahora ocupamos la
diferencia entre c’ y f’ para generar trabajo talque este lleve el calor de f a c, parte del calor
de c’ ira a parar a f’ y la diferencia de f y c no podrá ser mayor que poseía recientemente c’
y f’ por lo que en algún momento cesara el trabajo entre las maquinas y no habrá
posibilidad de generar trabajo.
He aquí una de las más grandes observaciones que la Humanidad ha hecho de la
naturaleza, y es que el curso que toman las cosas es en el sentido de la disminución de la
posibilidad de generar trabajo.
La incapacidad de generar trabajo se define como un aumento de entropía en
nuestro universo (nuestras dos maquinas). Podemos definir que el sistema es una maquina y
el entorno es la otra y decir que la entropía puede desminuir en el sistema solamente si la
entropía del universo aumenta y que este es la suma entre la entropía del sistema y la
entropía entorno. Así tenemos que cuando la diferencia de temperaturas entre los cuerpos es
grande, la entropía es baja pues la capacidad para generar trabajo es alta.
Se ha visto que esto ocurre en cualquier proceso independiente de los parámetros
físicos (presión, temperatura, número de partículas, trabajo eléctrico, trabajo biológico, etc.)
que elijamos para el sistema como para el entorno, por lo que podemos hacer nuestro
β
“Ley cero de la termodinámica”
universo tan grande como queramos, ya que no sólo ocurre en fenómenos térmicos sino que
aparece en cada situación. Si dejamos caer un vaso de vidrio este se quebrara, tendríamos
que utilizar trabajo para llevar los pedazos a su forma original. Por lo que la incapacidad de
generar trabajo esta íntimamente relacionada con la tendencia al desorden, que es idéntico
que decir que tienden a poseer el ordenamiento más probableα.
Además podemos decir que un proceso “entropiacamente” favorable es un proceso
espontáneo (igualación de temperaturas entre un cuerpo a elevada temperatura y otro baja
cuando se ponen en contacto) lo que lleva a que la disminución de la capacidad de generar
trabajo. Si nuestro universo es ahora todo lo que nos rodea: planeta, galaxias, cúmulos de
galaxia,
El Universo Todo, veremos que es hasta ahora natural ver que existirá un
momento en que esta maquina gigantesca se apague y no se pueda realizar trabajo alguno,
muera. Lo que los físicos llaman Muerte Térmica del Universo; un momento de entropía
máxima.
Nos preocupa en la actualidad posibles amenazas del espacio como asteroides de
gran tamaño que pongan en peligro la humanidad, pero creemos improbable prontamente
ese suceso, por lo que estamos casi seguros de tener la capacidad de darle frente a esa
amenaza en un futuro y seguir tranquilamente en nuestro hogar, La Tierra. Sabemos que
algún día nuestro Sol morirá, pero que esto será mucho más adelante en el tiempo y se tiene
esperanzas de que nuestra capacidad intelectual y tecnológica sea tal que podamos emigrar
hacia otro planeta lejano (sin considerar la posibilidad de autodestruirnos). Pero ¿qué nos
podría salvar de la muerte térmica del universo?.
Es verdad que esto sucederá muy lejos pero ¿cómo no formular la pregunta?. O será
mejor no cuestionarse el qué pasara con nosotros ya que no hemos existido (al parecer) más
que una muy pequeña parte de la historia visible del Universo; que no somos significantes o
dignos de cuestionarnos tal destino; aunque esto último como humanidad, pues como vida
hemos existido seguramente una quinta parte de la historia de este.
α
Las partículas separadas en dos recipientes uno frío y uno caliente, están mucho mas ordenadas que al
igualar sus temperaturas.
Jackes Charon describe esta cuestión de la manera siguiente: “Lo realmente
angustioso para quienes buscan un sentido y una finalidad “a prueba de muerte“ en la
vida, sin refugiarse en el “otro mundo”, es que la ciencia confirma de hecho la conclusión
de que carece de todo sentido, conclusión a la cual la realidad de la muerte ya había
llevado al hombre mucho antes de que la ciencia hubiera hecho vacilar su creencia en la
inmortalidad y revelado el lugar insignificante de su morada en el universo.”ℵ
Y ahora ¿Por qué existimos?. Qué nos hace aparecer en esta especie de maldición de
aumento entrópico que parece ser la de tender a un desorden máximo: ¿por que un sol y
unos planetas, ordenados siguiendo un patrón de distancia, o fabulosas galaxias y no una
sopa cósmica de partículas sin distinción de orden aparente? O por ultimo ¿Por que la Vida,
que estudiándola hemos aprendido que ha ido evolucionando desde formas ‘simples’ a
formas mucho mas complejas?. ¿Es una contradicción la aparición de formas tan ordenas?.
Ya que la entropía está íntimamente relacionada con la
probabilidad de los
ordenamientos, podemos decir que es posible que el vaso vuelva solo a reestructurarse,
pero es evidente que es eso es muy improbable. Si tenemos una cubeta con agua a
temperatura ambiente (~25 °C), se a calculado que para que repentinamente se congele se
necesitarían transcurra un tiempo del orden de 10 10 veces la edad del universo sólo para que
ocurra una sola vezβ, ¿cómo es que la vida y sus formas aparecen en un universo que
comparado con esta cifra es completamente joven?.
Ilya Prigogini ha propuesto no identificar la noción de entropía con el descenso
obligado hacia el desorden. Porque aunque haya aumento de entropía, ocurre que el
desorden se muestra fecundo para generar “ordenamientos nuevos”. En estos casos, se
paga el costo entrópico pero se obtiene a cambio, no una nivelación homogénea, sino mas
bien un incremento de complejidad. Ello destaca las sutiles dificultades de sentido que
esconde la noción de equilibrio.ℑ

Jacques Charon: Modern Man and Mortality, Macmillan Publishing Co., Nueva York; 1964
Robert Resnick y David Hallida, Fisica, para estudiantes de Ciencias e Ingenieria; Cap.25 pag 739;
Compañia Editorial Continental 1968)

Jorge Estrella: El universo Hoy, Cap3 Ed. Universitaria 1998
β
Podemos decir a simple vista que un sistema vivo cualquiera es más complejo y más
improbable que un cubo de hielo, pero tal como un trozo de hielo puede aparecer en un
lugar con las condiciones necesarias, por qué no aparecer la vida en ciertas condiciones. El
problema está en por qué existen tales diferencias de condiciones entre lugares y no sólo
homogeneidad tanto en lo macro como en lo micro.
En una de sus obras Ilya Prigonine explica un experimento en que muestra la
producción de orden (separación de dos gases diluidos por diferencias de temperatura en
dos recipientes unidos por un pequeño conducto) pero pone de manifiesto la disipación de
energía; la perdida de producción de trabajo para generarlo, a lo que concluye: “Un nueva
mirada se hace así posible: podemos ver el «desorden» producido por el mantenimiento
del estado estacionario como lo que nos permite crear un orden, una diferencia de
composición química entre los dos recipientes. El orden y el desorden se presentan aquí no
como opuestos uno a otro sino como indisociables.”γ
Los cálculos hechos hasta la actualidad dicen que El Universo nació hace alrededor
de 14.000 millones de años desde una singularidad (es decir algo no definido) y que a
estado en expansión hasta ahora y lo seguirá haciendo. Que luego de nacer se ha expandido
mas rápido que la luzδ y que a pasado por procesos destacables en que partículas
elementales estaban distribuidas homogéneamente chocando unas con otras, para luego
generar núcleos de hidrogeno a medida que se iba enfriando el espacio-tiempo. El proceso
espontáneo de generación de núcleos de hidrogeno es entendido: las partículas elementales ε
generan núcleos de hidrogeno con lo cual generan una energía libre capaz de ser ocupada
en la generación de trabajo. Pero por qué el espacio con partículas distribuidas
homogéneamente da lugar a ciertas regiones de mayor densidad para que el campo
gravitatorio pueda actuar hacia la reunión de más y más partículas en un centro común para
formar lo que luego serán las primeras estrellas y del mismo modo las galaxias.
γ
Ilya Prigogine –Isabelle Stengers: Entre el Tiempo y la Eternidad; Segunda edición "Alianza Estudio': 1992
(Argentina)
δ
Esto no contradice la teoría de la relatividad general
ε
No va al caso indicar que tipos de partículas
Un equilibrio de cualquier tipo se explica como un estado en que un proceso ocurre
a igual velocidad que su inverso, por lo que no existe aparente cambio en el sistema y que
para nuestro propósito es lo mismo que decir que no existe cambio de entropía. Es evidente
(al parecer) que nuestro universo no esta en estado de equilibrio y que se encuentra
(postulemos) muy alejado del este (que para nosotros seria la muerte térmica), lo que nos
puede llevar por cierto camino para entender estos procesos de generación de orden desde
el caos homogéneo. En estados alejados del equilibrio ocurren fenómenos que se
caracterizan por presentar unos órdenes estacionarios impresionantes donde microestados
están correlacionados a distancia, es decir que ya no se pueden distinguir individualmente.
Es como ocurre con los llamados vórtices de Benard, fenómeno parecido a las corrientes
marinas o fenómenos atmosféricos. Existe al comienzo un caos homogéneo, pero que si
esta alejado a cierta distancia del equilibrio suceden fenómenos que están entre el limite de
otros y son tan ordenados como para ser imposibles de aparecer espontáneamente. Por
ejemplo en una película liquida puesta sobre una superficie caliente y expuesta
superiormente a la temperatura ambiente. Llegara en ciertas condiciones de temperaturas
expuestas a existir una interacción entre mecanismos de convección como conducción que
generaran vórtices que se manejaran como estructuras complejas en que las partes que se
relacionan a gran distancia.
H. Reeves postula que “Las Monotonías se suceden de un modo perfectamente
previsible si los acontecimientos ocurren en contexto de equilibrio. Sólo los contextos
donde los equilibrios se rompen puede engendrar la variedad. Lo imprevisto, lo nuevo.”κ
La creación de estructuras a partir de un movimiento caótico pero homogéneo de
partículas es un fenómeno a considerar. Tal como lo señala el padre de la termodinámica
del no-equilibrio: ”en un punto dado las moléculas suben, en otro bajan. ¿Cómo es esto
posible? ¿Cómo pueden las moléculas, que en número inmenso constituyen la capa
líquida, abandonar el movimiento incoherente que tenían? ¿Cómo esta multitud
innumerable y caótica puede adoptar un comportamiento coherente, diferenciado en cada
región?...Los estados de equilibrio se caracterizan por el hecho de que siempre existe una
κ
H. Reeves: El Sentido del universo, Cap6 Ed. Emecé, buenos Aires 1989
representación, una elección de unidades (…) tal que el comportamiento de estas unidades
sea incoherente. Un medio lejos del equilibrio, como el que es sede de los vórtices de
Bénard, se caracteriza en cambio por correlaciones intrínsecas de largo alcance.” ζ
Podemos imaginar que la creación de estructuras complejas muy ordenadas que se
pueden observar en sistemas naturales pequeños o simulaciones antropogénicas realizadas
en computadoras sean idénticas a fenómenos de tamaño cósmico y de esta manera
explicadas por las mismas leyes que observamos en todo el universo. Por qué no podríamos
explicarnos el fenómeno de creación de estructuras complejas, como las galaxias o la
propia vida, como idénticos a los vórtices de Benard. Tendríamos aquí un sólido argumento
para decir que la vida es totalmente probable a cualquier distancia de nosotros, La Tierra.
Paúl Halpern en una divulgación expresa: “Muchos científicos han sostenido que la
evolución del ADN es un suceso sumamente improbable… Por supuesto ese argumento
podría ser refutado si se descubre vida en otros lugares del universo, lo cual parecería
indicar la inevitabilidad de la vida antes que su improbabilidad” η. Desde este punto de
vista no seria necesario hacer especulaciones como la de Boltzmann (aunque el no defendía
esta idea) de que en este sector del universo la entropía este aumentando y que es una
sección de entropía baja por lo que se dio la posibilidad de la generación biológica. Así en
otros sectores la entropía estaría disminuyendo, manteniéndose una media constante en el
universoθ. La generación de estructuras organizas podría ser cuestión de todo el universo;
vórtices que se extiendan transversalmente, cuestión que diría que este sector contiene
cierto comunicación con partes muy lejanas o de mejor manera, que nosotros, entes
organizados no somos parte de vórtices sino que somos los vórtices.
Aunque estos tipos de vórtices se dieran aun en escala cósmica y que ellos pudieran
dar cuenta del alejamiento del caos homogéneo de materia en el universo hacia las galaxias
o cúmulos de estas en épocas tempranas de él, es difícil imaginarse el paso a la creación de
la vida sólo por esto. Pero por lo mismo que señala Illa Prigogine de que las secciones de
vórtices no pueden ser entendidas de manera independiente; no se pueden diferenciar del
ζ
Ilya Prigogine –Isabelle Stengers: Entre el Tiempo y la Eternidad; Secunda edición en "Alianza Estudio':
1992 (Argentina) )
η
Paul Halpern: El tiempo imperfecto; McGraw-Hill 1992.
θ
idem, pag.46
vórtice completo, como tampoco el vórtice puede ser entendido separándolo del sistema,
podemos entender que la dificultad radica en que somos o estamos insertos en él. Siguiendo
esta lógica diríamos que la creación de sistemas tan complejamente ordenados no es tan
improbable como aparenta, el problema es que ya que somos el vórtice o pertenecemos a el,
es dificultoso observar este fenómeno. Así como nos resultaría imposible o muy difícil
fotografiar nuestra galaxia pero podemos indirectamente saber por otros métodos su
estructura y alguna de sus propiedades, quizás podríamos indirectamente darnos cuenta de
nuestra posición en el gran sistema del universo
Hoy en día se entiende como principio el aumento de entropía que observamos;
nunca se ha visto que espontáneamente descienda esta cosa. La muerte anunciada que nos
revela es cuestión de gran controversia, pero la entropía es parte de sucesos del universo
que observamos actualmente y no se ha podido comprobar que esto ha de ser así por
siempre o que siempre lo fue. Las teorías actuales pueden no estar en lo correcto en
absoluto y que lo que vemos es solo la excepción a la regla en un espacio-tiempo realmente
enorme.
Imaginemos un estado de muerte térmica. Si nosotros podemos decir que en este
momento aumenta la entropía, tenemos necesariamente que decir que anteriormente
también aumento, es decir, existió capacidad de trabajo para generar este momento con
capacidad de generar trabajo. Pero si pudiéramos observar el estado de muerte térmica no
podríamos saber si antes de este existió un momento con capacidad de generar trabajo, es
decir, no podríamos afirmar que existió un momento de mayor orden, no tendríamos como.
También podemos concluir que tiene que existir una extensión temporal inversa infinita
pues si existe un estado en que puede aumentar la entropía – capacidad de generar trabajoantes también existió y el orden era mayor, y se podría concluir que nunca hubo un
comienzo.
La cosmología estudia el nacimiento, vida y muerte del universo y le resulta
sumamente difícil ajustar leyes que vemos hoy a secciones pasadas del universo como
también a puntos culmines de este. Se generan modelos de universos jóvenes y se siguen
hasta el punto que puedan explicar lo más fielmente el universo actual que observamos. La
teoría de la inflación sostiene que en cierto punto de tiempo muy proximo al Big Bang el
universo se expandió mucho mas deprisa de lo que lo hace ahora y así se explicaría gran
parte de lo que hoy es el cosmos, pero falla en muchos otros puntos. Joao Magueijo es un
cosmólogo portugués que sostiene que la variabilidad de la velocidad de la luz a medida
que avanza el universo (afirmación que ha hecho reír a muchos de los cosmólogos) podría
explicar de mejor manera lo que hoy es el cosmos sin tener que recurrir a la inflación.
Magueijo dice en su libro que trata de las peripecias para de la publicación de tal teoria,
que: “el modelo del Big Bang es inestable: el universo sólo puede existir tal como lo vemos hoy si
uno se las ingenia para concebir de manera muy especial su estado inicial en el momento de la
explosión. Pequeñísimas desviaciones del mágico punto de partida acaban rápidamente en
catástrofes (como el prematuro fin del universo),…Para los legos no resulta evidente por qué la
inflación podría resolver los problemas cosmológicos. Menos evidente aún es por qué sería
tan difícil resolverlos prescindiendo de ella. Para el cosmólogo profesional, sin embargo, la
exasperante dificultad radicaba precisamente en este último hecho, al punto que nadie
había conseguido formular una teoría alternativa. En otras palabras, se aceptaba la
inflación a falta de otra teoría viableλ. Asi, aunque nuestros principios y teorías sean fieles
a los fenómenos naturales que vemos hoy, es decir que hemos visto siempre, no podemos
estar seguros que estos fueron y serán siempre, ya que buscamos principios y fines con
estas reglas y hemos tenido que adecuar modelos de tal forma que se han tenido que
adecuar las reglas con las que partimos. Teniendo esto en cuenta no debiera preocuparnos
la muerte anunciada del universo por la segunda ley de la termodinámica, tal como Stephen
Howking experesa: “…Asumo el punto de vista positivista según el cual una teoría física es
sólo un modelo matemático y no tiene sentido preguntarse si corresponde o no a la
realidad. Todo lo que se puede pedir es que las predicciones estén de acuerdo con la
observación…” μ. Pero siendo este el escenario que nos muestra la forma de comportarse la
naturaleza actualmente (o la manera con que se comporta localmente) debemos tener estas
leyes como principal actor a considerar para modelos que nos muestren el inicio y el final
del cosmos.
λ
João Magueijo: Más rápido que la velocidad de la luz: historia de una especulación científica cap1: Puras
Sandeces - 1a ed. - Buenos Aires: Fondo de Cultura Económica, 2006.
μ
Stephen Hawking: La Naturaleza del espacio y el tiempo; Cap1. Editorial Universitaria, 1997
Por todo lo anterior debiéramos mantenernos cautos a afirmar destinos o pasados
del universo, pero porque tenemos teorías que funcionan por lo menos aquí y hasta donde
podemos observar, estas tienen que ser las herramientas para poder ver lo que nos puede
esperar o podría haber sido nuestro pasado.
Aunque la naturaleza pueda mostrar que tiende a un aumento de entropía; aumento
del desorden; crecimiento en la incapacidad de generar trabajo, esta se muestra fecunda a
producir ordenamientos que un artista definiría como hermosos. Ordenamientos que en la
observación cotidiana del estudio de la termodinámica parecen sumamente improbables. El
aumento de densidad en algunos sectores del universo para generar lo que hoy son las
galaxias, que contienen hermosas figuras brillantes que las hacen coloridas para nosotros,
que poseen planetas, los cuales – al menos uno – alberga vida y que parece ser la
contradicción al principio de tendencia a lo mas probable, podría ser comparable, y quizás
seria idéntico, a fenómenos organizativos en sistemas termodinámicos de no-equilibrio,
pero no contradictorios al segundo principio, en que de igual manera el orden aparece
pagando su costo entrópico en el universo. Así que por esta vía podríamos explicar el
fenómeno aparentemente contradictorio de la generación de orden en un universo que se
desliza hacia un desorden extremo, pero que nos sigue afirmando que si la energía es
constante, el trabajo de esta gran maquina cesara y morirá de manera fría y silenciosa.
Pero vemos que el estudio cosmológico se muestra fecundo a recibir a audaces
especulaciones que cobran mucho sentido a veces, pasando a ser respetadas teorías, y que
como han torcido el brazo al pasado aceptado hasta ahora –por lo menos los momentos
siguientes al Big Bang– en ocasiones, por que no podría quebrarle la mano a tan extraño y
triste suceso de muerte térmica explicando que el fenómeno de aumento entrópico no
quiera decir el trágico final que le asignamos hoy, el apagamiento del universo.
Personalmente espero que las herramientas que tenemos hoy para entender el
universo sólo sirvan para abrir una caja de herramientas superiores que nos muestren algún
posible finalidad, es decir un sentido lógico, mas bien humanístico para la existencia del
universo y por ende la nuestra. Seria triste encontrar la respuesta final a esto, qué seria de
los cosmólogos, pero seria gratificante tener una teoría que nos de mas importancia en este
gran espacio-tiempo.
“A la luz de la moderna cosmología, nuestro cosmos parece muy ´ especial ´. ¿Somos de
nuevo victimas de nuestra ingenuidad?, ¿Quién sabe?. Sin embargo, me parece difícil no
reconocer que este ajuste de los parámetros de la física y de la cosmología no es banal.
Que hay motivo de asombro, aun cuando ignoremos lo que significa.”ξ
ξ
Hubert Reeves: El sentido del Universo, Cap 8, Emecé, Buenos Aires, 1989