La Entropía
- Irene Diez
- 3 nov 2022
- 6 Min. de lectura
Actualizado: 5 nov 2022
Todo en el universo parece seguir una linealidad irreversible: las estrellas explotan, el café se enfría, el hielo se deshace y el plato que se te resbala se rompe en mil pedacitos irremediablemente, pero ¿Por qué estos procesos ocurren siempre en esta dirección? ¿Por qué el café (a temperatura ambiente) siempre se enfría y nunca se calienta? ¿estamos condenados a esta unidireccionalidad?
Entremos en materia, hablemos de física:
-Contexto histórico-
A principios del siglo XIX, científicos como Sadi Carnot, Rudolf Clausius o William Thomson investigaban sucesos relacionados con el calor, estaban fundando lo que hoy llamamos termodinámica, y con buenas razones. Si consiguiesen la forma de dominar el calor, podrían aumentar enormemente la capacidad de trabajo del ser humano, nos situamos en los albores de la revolución industrial.
En mitad de este contexto se fueron formando algunas de las leyes más importantes para comprender el funcionamiento del universo: las tres leyes de la termodinámica.
“La energía ni se crea ni se destruye,
solo se transforma"
Esta primera ley de la termodinámica dictaminaba que, en cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía será siempre la misma, a pesar de que pueda transformarse de una forma de energía a otras diferentes.
Esta ley fue muy importante en su momento, pero dejaba varias preguntas sin resolver, la más importante, el problema de la unidireccionalidad: ¿Por qué el cubito de hielo a temperatura ambiente se derrite, pero no vemos como se vuelve a formar?
Aunque parezca obvio, no lo es tanto, ya que ambos estados (el cubito de hielo formado y el derretido) tienen la misma cantidad de energía, la energía se conserva (como dice la primera ley) pero se transforma siempre en la misma dirección.
Esto era lo que la primera ley no sabía explicar, ¿Por qué la energía siempre se transforma en esta misma dirección?
-El auge de la física estadística-
En aquel momento histórico, el pensamiento general acerca del funcionamiento del universo era determinista, se creía que las leyes que extraíamos del universo debían llevar a resultados exactos: “si ocurre A esto llevará a B” siempre que partamos de las mismas condiciones, llegaremos a los mismos resultados.
Sim embargo, una nueva corriente irrumpe en el pensamiento determinista, una serie de científicos como Ludwig Boltzmann (el protagonista de esta historia) empiezan a darle importancia a la probabilidad como medio para explicar el universo.
“Dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tenderán eventualmente al desequilibrio”
Boltzmann encontró una manera de explicar esta Segunda ley como un efecto de la probabilidad en un sistema de millones y millones de partículas, dando con una definición precisa de entropía.
Sin embargo, su teoría no fue aceptada, Boltzmann tenía una idea sobre la termodinámica adelantada a su época (finales del siglo XIX), una época que aún no aceptaba completamente la teoría atómica, una época en la que la estadística y la probabilidad de la que Boltzmann hablaba no era entendida dentro de las matemáticas.
Boltzmann nunca pudo saber, que justo un año antes de su suicidio en 1906, un joven de 25 años publicaría un artículo que cambiaría todo, y daría el empujón final a la teoría atomista, este joven era Albert Einstein.
Con Einstein las ideas del difunto Boltzmann comenzaban a asentarse en las mentes, dando paso a una revolución.
-Combinatoria y probabilidad-
Si tenemos un gas en la parte izquierda de una caja, separado de la parte derecha por una pared, y soltamos esa separación, sería lógico pensar que podría estar con la misma probabilidad en la parte derecha, quedarse en la izquierda o expandirse por todo el espacio.
Sin embargo, esto no es así, pongamos un ejemplo simplificado para verlo mejor:
Imaginemos un gas formado únicamente por cuatro partículas, llamémoslas partícula azul, roja, amarilla y verde.
Si las metemos en una caja y dejamos que se muevan libremente, habrá varias maneras de configurarlas:
-Habrá una sola manera de ponerlas en el lado izquierdo y una sola en el lado derecho (los cuatro colores en el mismo lado).
-Habrá cuatro formas de poner una en el lado derecho y tres en el izquierdo
y viceversa (que la solitaria sea en un caso la azul, en el siguiente la roja, en el siguiente la amarilla y en la última la verde).
-Y seis formas de que estén dos en el izquierdo y dos en el derecho (verde-amarilla, azul-rojo. azul-amarilla, verde-rojo…)
De esta forma, la distribución igualitaria en ambos lados, es decir, dos y dos, es más probable, y esta probabilidad se vuelve más y más definida conforme aumentamos el número de partículas, y teniendo en cuenta que un gas normal contiene millones y millones de ellas, la opción de distribución en toda la caja se vuelve flagrantemente probable, y el de estar solo a un lado, aunque no imposible, absurda.
El estado expandido por toda la caja (el que tiene más combinaciones posibles) es el estado de más alta entropía. Por el contrario, el estado en el que las cuatro partículas se encuentran a un solo lado de la caja (el que menos combinaciones posibles tiene) es el estado de más baja entropía.
De esta manera, queda explicada la incógnita, el cubo de hielo no se forma espontáneamente, efectivamente no porque ninguna ley lo prohíba, sino porque es extremadamente improbable la distribución que exige tener a las partículas para formarse.
Para poner un ejemplo más mundano: para ordenar tu habitación tendrás muchas menos combinaciones posibles que para desordenarla, hay millones de maneras de colocar todos los objetos de tu habitación de forma desordenada, pero hay muchas menos maneras de colocarla de forma ordenada.
De esta manera, tu habitación ordenada estará en un estado de baja entropía, es decir, un estado con menos combinaciones posibles para llegar a él, y por lo tanto menos probable.
Así que si, si tu habitación suele estar desordenada quizá no sea porque seas un desastre, sencillamente la física dictamina que todo estado físico tenderá a un estado de alta entropía, es decir, un estado para el que haya más combinaciones posibles, un estado más probable, un estado más desordenado.
-Improbable, pero no imposible-
Pues bien, es cierto que con el tiempo del que dispone un ser humano este nunca llegará a ver un cubito de hielo formarse del agua, no porque esto sea imposible, si no por lo extremadamente improbable que es que la configuración del cubito de hielo formado se dé entre sus partículas. El universo prefiere el desorden.
Sin embargo, nada impide que, con el tiempo suficiente, esto llegara a ocurrir, y si algo tiene el universo, es cantidades ingentes de tiempo.
El concepto de entropía lleva a escenarios de ciencia ficción (como ya es habitual en la física) debido a que implica que, si dispones de un conjunto de partículas en movimiento capaces de agruparse, con el suficiente tiempo estas acabaran haciéndolo de todas las maneras posibles, incluso las más improbables.
Imagina la cantidad de partículas de oxígeno que tendrás ahora mismo en tu habitación, estas fluyen por el aire al tiempo que entran y salen de tus pulmones, se chocan entre ellas y
se lanzan de un lado a otro, combinándose de miles de maneras. ¿Quién te asegura que
todas estas partículas no se choquen en el momento y de la forma exacta para que estas salgan despedidas hacia una esquina de la habitación en la que te encuentras, y, sencillamente, te quedes sin aire para respirar? Tranquilo, nunca te ocurrirá esto, es tan improbable que necesitarías esperar milenios para que se diese, pero ahora hablemos de lo que sí que puede ver el universo.
El tiempo del universo empezó a correr hace unos 13.700 millones de años, y correrá durante mucho más, posiblemente hasta un tiempo infinito. Las partículas que se encuentran desplazándose por su enorme espacio, las que forman los planetas y los seres vivos, la materia y la energía que anda por todas partes revoloteando, interactuará y se combinará con ella misma de millones de maneras posibles, dando resultados de todo tipo.
Con el suficiente tiempo, las partículas correctas se dispondrán de la manera precisa para crear cualquier cosa que puedas imaginar, habrá una combinación de partículas para crea un balón de futbol, tu cuerpo, y, quizá, hasta tu propia consciencia.
Es importante aclarar que el hecho de que esto ocurra es extremadamente improbable, pero no imposible físicamente, puesto que las casualidades existen.
Las teorías más locas acerca de esto afirman que, con un tiempo incalculable (como el que ya lleva recorrido nuestro universo), un grupo de partículas podrían encontrarse y crear en
mitad del espacio un cerebro con consciencia que pudiese contener miles de recuerdos realistas. Quizá hasta toda la existencia de la que pareces ser consciente, sea sencillamente producto de los procesos cerebrales de un cerebro en mitad del infinito, esta teoría es a la que llamamos los cerebros de Boltzmann.
-El final-
Vivimos y moriremos arrastrados por la entropía y su tendencia, esta aumentará cada vez más, las estrellas explotaran y con ellas los planetas, toda la materia del universo se dispersará cada vez más huyendo de las estructuras ordenadas que la limitan hasta que, en la nada, se encuentre el desorden máximo.
El estado más alto de entropía será el final del todo.
-Bibliografía-
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