El misterioso encanto de la entropía: La flecha del tiempo

María Barrera

Físico - Universidad Nacional de Colombia
Magíster en Filosofía -Pontificia Universidad Javeriana

Introducción

Un concepto fascinante en Física es la Entropía. La presente reflexión la ubico en el marco conceptual de la Física Clásica o Física Newtoniana.

Desde la física es posible hablar de la muerte de un organismo biológico y/o del universo, del orden y del desorden, de la economía al determinar el costo beneficio de un sistema, asimismo la física pudo prever los problemas que genera el cambio climático. Veamos estos problemas desde la entropía.

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Nicolas Léonard Sadi Carnot

Como todos los constructos físicos su construcción, a la fecha, lleva más de tres siglos y lo que va del Siglo XXI. Empezó de una manera muy tímida con los trabajos de Sadi Carnot sobre el calor, quien pensaba que era un fluido, lo cual fue desvirtuado y se redefinió como la agitación microscópica de las moléculas. La importancia de conceptuar el calor fue el gran avance para las máquinas de vapor y otras aplicaciones para hacer transformaciones de energía. En 1824 Carnot publicó Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego, donde se cuestiona ¿Cuál es el máximo beneficio de una máquina? Según sus apreciaciones afirma que el calor no se transforma en trabajo, sino más bien el flujo del calor de un cuerpo caliente a uno frío se puede utilizar para realizar un trabajo.

Cuando llegamos a flujo del calor, estamos entrando en materia, el flujo del calor tiene una peculiaridad única, este se da de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos, se requiere una diferencia de temperatura. El calor espontáneamente solo fluye de lo caliente a lo frío, hasta que se igualan las temperaturas, cesando el flujo del calor, perdiéndose así la posibilidad de realizar trabajo mecánico, y la energía se ha disipado.

El físico alemán Rudolf Clausius en 1865, introdujo el concepto de entropía, representada por la letra S en función del calor transferido de un cuerpo a otro, que aumenta o permanece igual, pero en los procesos aislados no disminuye nunca, en lenguaje matemático esto es:

                                                                                 △S ≥ 0

 

Que se lee Delta de S es mayor o igual a cero. Expresión que se conoce como Segunda Ley de la termodinámica. Es más Clausius formuló las dos leyes de la termodinámica:

  • La energía del Universo es constante.
  • La entropía del Universo tiende[1] a un máximo.

La segunda ley, es lo que conocemos como la flecha del tiempo, apunta del pasado al futuro. El futuro lo tenemos cuando la entropía del Universo sea máxima. Como bien, lo dice Gerald Holton: “Esta afirmación deja de ser una trivialidad si reconocemos que no está asociada a las leyes del movimiento de Newton” [2]

 

El misterioso encanto de la entropía: La flecha del tiempo

Los físicos y los filósofos llevan siglos y siglos preguntándose qué es el tiempo. Hablar del tiempo es un diálogo interdisciplinario, la ciencia, la filosofía, el sentido común, en general la vida se cuestiona por el tiempo. Desde la física, tenemos que nuestras variables, tienen por sustrato que varían en el tiempo. Hablar de la flecha del tiempo es diferenciar el pasado del presente, es preguntarnos cuando un fenómeno es del pasado o se da en el presente, las ecuaciones no nos ayudan a dirimir esta inquietud son indistinguibles para tal efecto. No obstante, la ecuación Delta S “es la ecuación de la flecha del tiempo.”[3] “Es la única ecuación de la física fundamental que conoce la diferencia entre pasado y futuro, la única que nos habla del fluir del tiempo. En esta inusual ecuación se oculta todo un mundo”[4] (La cursiva es mía).

Cómo se entiende esto: si vemos rodar una pelota y esta se detiene, de inmediato distinguimos el pasado del presente, en el pasado la pelota mediante un tipo de energía entró en movimiento. La pelota se detuvo por el rozamiento y ese efecto generó calor. Ese calor se disipa en el aire y no es posible recuperarlo. Se podría afirmar que solo donde hay calor se puede diferenciar el pasado del presente. No obstante, una cosa es la flecha del tiempo y otra el tiempo. El tiempo fluye en el flujo del tiempo, bien sea que lo captemos o esté traslapado en la física newtoniana. No tiene una unicidad, existen tanto tiempos como fenómenos hay, el tiempo es un tipo de ordenamiento, para los eventos físicos. El conjunto de todos los tiempos es el tiempo.

 

La muerte y la entropía

Interesante el debate sobre la muerte térmica del Universo, en el año 1854, Von Helmholt, cayó en la cuenta que con el fluir del tiempo se llegaría al enfriamiento del Universo, toda la energía se transformaría en calor a temperatura constante y con ello el cese de todo tipo de interacciones y el Universo quedaría en reposo, esto se denominó la muerte térmica del Universo,  con los postulados y avances de la física moderna, se ha revaluado un poco está teoría (esto será tema de otra reflexión). Lo importante de esta idea, que tiene mucho contenido de verdad es el hecho del concepto muerte asociada a la igualdad de temperaturas.

Por extensión y desde la entropía se puede entender la muerte de un organismo biológico como el estado en el cual el organismo no puede intercambiar calor, porque alcanzó el equilibrio térmico con el medio ambiente. No es que los muertos estén fríos, están a temperatura ambiente y los vivos a una temperatura promedio de 36,5 ℃ , y lo que se experimenta es el flujo del calor   hacia el cadáver. Del mismo modo como el Universo queda en reposo, el organismo vivo queda asimismo en reposo.  En el fluir del tiempo, se empieza un aumento de entropía con la descomposición del organismo.

 

La sociedad y la entropía

mineria ilegal_portafolio

La minería ilegal de oro en Colombia se niega a morir. Revista Portafolio

Henry Adams, (1838-1918) historiador norteamericano en su obra más conocida de los últimos años de su vida fue Carta a los profesores americanos de historia (Letter to American Teachers of History, 1910), en donde expone la teoría por la cual el primer principio del “impulso” histórico es la segunda ley de la termodinámica: la ley de la dispersión de la energía.[5] En este escrito (1910) considera que si los historiadores fueran conscientes deberían no ignorar los últimos resultados de la física en los cuales la sociedad humana como el Universo debe terminar en degradación y muerte. Adams encontró, en su época muchos ejemplos para confirmar que la raza humana iba de mal en peor. Qué tan lejos están estos análisis de Adams de la época actual, donde corremos hacia la destrucción del planeta con el cambio climático, las fumigaciones con productos cancerígenos, la masacre de las abejas, la extracción del petróleo por el fracking, la contaminación de los ríos por la minería con mercurio, y demás macro problemas éticos, donde prima es el enriquecimiento de unos pocos ciudadanos del mundo. Adams fue un visionario, tuvo la capacidad de ver más allá de su época. Puede que muchos de sus análisis no sean exactos pero las conclusiones sirven para continuar con la reflexión.

 

Orden y desorden

El hilo conductor de los ejemplos anteriores es el desorden. El aumento de la entropía implica desorden, un ejemplo bien simple: cuando un profesor está en clase hay relativo orden en el aula, si por algún motivo el profesor sale, cuando vuelve al salón, la probabilidad de que los estudiantes estén en la misma situación de cuando el salió es casi nula, en ese momento el aula es un desorden. El profesor es una fuerza externa que constriñe al sistema estudiantes, y los mantiene en orden al salir el sistema evoluciona hacia la máxima entropía o máximo desorden.

No obstante para hablar de desorden en el sentido de entropía debemos salir del marco conceptual de la física newtoniana y entrar a la física probabilista de muchas moléculas. En el ejemplo del aula de clase  el número de partículas (estudiantes) es muy pequeño, y sin embargo se cumple.


Notas

[1] Tiende, es una palabra de corte animista, que generó muchas especulaciones en la historia de la física.

[2] Holton, pag. 424

[3] Rovelli,  El orden del tiempo. Editorial Anagrama, Barcelona 2018, pag. 27

[4] Ibid, pag. 27

[5] Tomado de Biografías y Vidas.

https://www.biografiasyvidas.com/biografia/a/adams_henry.htm

 

 

Un pensamiento en “El misterioso encanto de la entropía: La flecha del tiempo

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