Entropía, caos y filosofía

El estudio de la física nos ayuda a comprender los mecanismos de la energía y la materia. Nos permite otorgar a cada fenómeno una explicación matemática.
Este marco teórico que rodea al campo de la física está íntimamente relacionado con algunos aspectos de la filosofía. Las cuestiones que siglos atrás eran debates filosóficos, hoy día la física los hace evidentes y palpables desde una realidad numérica y científica basada en la observación y demostración. Cómo y cuáles son las fuerzas que mueven el mundo, qué tipos de conexiones intermoleculares que permiten la vida o de qué está constituido el universo han sido siempre objeto de estudio y curiosidad.

figure-16-06-06Hoy vamos a conocer algunos conceptos desde un punto de vista físico pero intentando mantener su esencia filosófica.

 

 

 

El concepto de entropía

Uno de los campos más estudiados de la física es el de la termodinámica, o lo que es lo mismo, la ciencia que estudia en un sistema la acción mecánica del calor y otros tipos de energía. Se rige por tres principios definidos y demostrados y todo sistema termodinámico estará sujeto a ellos. Del segundo principio extraemos el concepto y magnitud física de entropía (representada en física con la letra S).

Para explicar lo que es la entropía (palabra de origen griego que puede interpretarse como cambio o transformación) vamos a utilizar una analogía muy recurrente.

Tenemos como sistema un cubito de hielo en un vaso con agua líquida. El agua está a mayor temperatura que el hielo, por lo que poco a poco irá cediendo calor a éste, y finalmente acabaremos teniendo un vaso con agua líquida pero a una temperatura menor que la inicial.

Sin embargo, tras este proceso tan cotidiano, no esperamos que el agua que antes era hielo comience a ceder calor para recuperar su estado sólido. El agua cede calor al hielo de forma espontánea, pero lo largo del proceso hay una cantidad de energía que se ha perdido y que hace que sea irreversible. Decimos entonces que la entropía aumenta con respecto al estado inicial. Hay un incremento positivo de la entropía.

Esto nos permite definirla como el grado de desorden molecular de un sistema. Un sistema sólido siempre va a tener menor entropía que uno líquido, y este a su vez, menos que uno gaseoso. En el ejemplo, el grado de desorden es menor con parte de las moléculas de agua en forma de cubito de hielo. Esa energía perdida ha pasado a ser parte de lo que llamamos “entorno”, lo que está fuera de nuestro “sistema”. Por lo tanto podemos definir la entropía total del universo como la suma de la entropía de nuestro sistema más la entropía del entorno (ya que el entorno engloba todo lo que no es el sistema).

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Esto nos da a entender que en el caso de un proceso reversible, la variación de entropía va a ser cero, ya que el incremento de desorden que se produjo en un sentido del proceso, se recupera cuando se vuelve al estado inicial. Sin embargo, con nuestro ejemplo, la entropía del sistema ha aumentado, por lo que la entropía del universo también.

 

El determinismo científico

¿Qué matiz filosófico encontramos en este concepto termodinámico?
Como hemos definido, el incremento de la entropía del universo siempre va a ser positivo, por lo que esta magnitud está en constante crecimiento, lo que significa que el universo aumenta su grado de desorden en cada instante.

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Radiación de fondo de microondas del universo. Fotografía de la NASA obtenida en la misión Planck.

El tiempo solo se mueve en una dirección. Una de las hipótesis sobre cómo se producirá el final del universo defiende que llegará un momento en el que nos encontraremos que éste ha alcanzado una entropía máxima (un grado de desorden absoluto) que provocará su muerte térmica. Esto ocurrirá cuando se llegue a un punto en el que toda la energía esté repartida uniformemente y la energía libre será cero. La temperatura del universo alcanzará el cero absoluto y no será posible el intercambio de calor. Tenemos que poner en contexto que esto se daría en el caso de que el universo fuera finito y se siguieran todas las leyes físicas conocidas.

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Evolución de la entropía en el universo con respecto al tiempo

Si tenemos claro que la entropía total se incrementa constantemente, que el tiempo solo tiene una dirección y que conocemos las leyes que rigen el universo ¿significa eso que todo proceso físico podría ser predicho si conociéramos con infinita precisión el estado inicial de cada componente de un sistema?

Entramos en el campo del determinismo casual o científico. La corriente determinista es una doctrina filosófica que defiende que todo fenómeno o proceso está predeterminado de alguna forma (por condiciones o leyes que lo rigen) y que por lo tanto, ningún acto es impredecible, sino que está previamente definido. El determinismo científico hace referencia a esta doctrina con base en que las leyes físicas del universo son las condiciones que rigen el destino de cualquier fenómeno o proceso, por lo que conociéndolas con infinita precisión, seríamos capaz de predecir el resultado de cualquier evento.

Así lo explicaba Pierre-Simon Laplace en 1814 cuando creó su “demonio”. Hizo referencia a que si existiera un ser que conociera la ubicación exacta y el momento de cada átomo o partícula del universo, por medio de las leyes de la mecánica clásica podría predecir cualquier proceso. El libre albedrío no existiría. La metáfora del demonio de Laplace es un juego mental para demostrar que todo sería predecible si se rige por unas leyes deterministas.

Sin embargo, existe un límite en cuanto a la obtención de información dentro del universo. Este límite en el poder computacional se estableció aproximadamente en 10120 bits. Por lo tanto, cualquier estudio que requiera más cantidad de datos, no puede ser computada en el tiempo que ha sucedido hasta ahora desde que existe el universo.

 

La teoría del caos

Aunque el “demonio” de Laplace no pudiera procesar toda la información referente a todo lo que ocurre en el universo, la idea de que cualquier proceso tenga un resultado determinado con unas variantes definidas, implica que todo el futuro está “escrito” y nada puede cambiarlo.
Es ahí donde juega un importante papel la teoría del caos. Esta teoría establece que en determinados sistemas conocidos como sistemas caóticos (cuyas condiciones iniciales son muy sensibles), pequeñas variaciones impredecibles e inmensurables en estas condiciones iniciales pueden generar grandes cambios en el resultado final del proceso. Algo así como lo que conocemos por “efecto mariposa”.

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Atractor de Lorenz

Es una contraposición al determinismo científico que argumenta el demonio de Laplace. Tenemos que suponer que es imposible conocer con precisión infinita el estado inicial de un sistema. Nuestro instrumento de medida, sea el que sea, va a tener una precisión finita. Aplicando esto, podemos afirmar que el azar no es un azar real, sino que es la causa de un conocimiento limitado de las condiciones iniciales. Pensemos, por ejemplo, en una baraja de cartas. Si las mezclamos y cogemos la primera carta, no sabremos cuál va a ser debido a que no conocemos qué movimientos hemos realizado en el momento de mezclar ni tampoco la posición inicial de las cartas dentro de la baraja. Si conociéramos todos esos datos, podríamos averiguar cuál va a ser la primera carta en salir. Lo mismo ocurre con el lanzamiento de un dado. Al lanzarlo, el resultado obtenido viene determinado por la velocidad con la que lo tiramos, la altura desde la que lo tiramos, su rotación…) y en el hipotético caso de conocer todos esos valores, sabríamos qué número va a caer.

El que es quizás el físico más conocido de la historia, Albert Einstein, pronunció la famosa frase «El azar no existe. Dios no juega a los dados». Sin embargo, cuando nos adentramos en el mundo de la física cuántica, no podemos evitar hablar en términos de probabilidad y estadística. La mecánica cuántica, a diferencia de la mecánica clásica, es intrínsecamente de naturaleza probabilística. Por eso en el mundo macroscópico no observamos la misma aleatoriedad que en el mundo cuántico.

Queda mucho por aprender y mucho por descubrir. No tenemos más que pararnos a pensar que en la totalidad del cosmos tenemos menos presencia que cualquier átomo de alguna molécula de nuestro organismo. Pero la ciencia se nutre de curiosidad y es el mejor vehículo hacia las respuestas que nos plantea nuestra existencia.

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