El Cosmos desordenado

La primera ley de la termodinámica versa que la energía no se crea ni se destruye, sino que solamente se transforma. Vivimos en un Universo en el que están permitidas las transformaciones de unos tipos de energía en otros pero donde la cantidad total de la misma no varía. Se trata de algo bastante introducido en la cultura popular pero, ¿qué entendemos realmente por energía y que implicaciones tiene esta ley?

Desde un punto de vista termodinámico, la energía es la capacidad para realizar un trabajo. Dicho de esta forma incluso habrá quien la vea como una definición muy acertada, dado el enorme esfuerzo requerido para irse a currar el pan de cada día. En realidad, el trabajo que aquí nos importa, engloba mucho más que madrugar para irse a la facultad o a la oficina y se calcula como la Fuerza que se aplica sobre un cuerpo multiplicada por el desplazamiento del mismo.

Resulta interesante -y algo paradójico- pensar que todo lo que tenemos a nuestro alrededor es energía, o al menos energía en potencia. De ello se percató por primera vez un inteligente señor de pelo alborotado llamado Albert Einstein, quien propuso la famosa ecuación E=mc2 (donde E es la energía, m la masa y c2 la velocidad de la luz al cuadrado); “expresión tan ampliamente citada como escasamente comprendida” en palabras de Carl Sagan. Dicha ecuación establece, en resumidas cuentas, que la masa y la energía son interconvertibles y que pequeñas cantidades de materia albergan cantidades enormes de energía. Para entenderlo no hay más que pensar en el poder de destrucción que tienen las bombas atómicas.

Ilustración por Tania MT.

Todos los días apreciamos transformaciones de unos tipos de energía en otros y, sabemos además, que por mucho calor que apliquemos sobre los cristales, el vaso no se recompondrá y subirá a la mesa, sino que continuará roto en el suelo. Es decir, existen muchas transformaciones que son unidireccionales o irreversibles. Es a este nivel donde interviene el segundo principio de la termodinámica, que nos indica el sentido en el que se producen los cambios. Se trata de una de las leyes más inquebrantables de la física y afirma, sencillamente, que el Universo tiende con el paso del tiempo a un estado cada vez más desordenado. Cuando en pleno apogeo industrial los científicos del siglo XIX encontraron esta ley, acababan de descubrir que nuestro Cosmos (del griego: “orden” o “armonía”), lejos de ser un sistema ordenado, se aproximaba más bien a un sistema caótico, desde la perspectiva termodinámica. En relación con esto, en 1943 el físico Erwin Schrödinger expresó en su libro “¿Qué es la vida?” su asombro acerca de cómo los organismos vivos logran prosperar en formas tan organizadas y complejas, mientras en el resto del Universo impera un caos cada vez mayor. Como veremos, se trata sólo de otra paradoja aparente que se resuelve cuando la cuestión se analiza más de cerca.

De acuerdo con la ley que acabamos de ver, para que algo ocurra tendrá que producirse un incremento en el desorden molecular del Universo sí o sí. En muchas ocasiones esto se consigue a través de un aumento del grado de desorden de los sistemas. Por ejemplo, nos vamos a un bar y pedimos un café. Al introducir los pequeños cristales de azúcar en nuestra taza caliente, las moléculas de sacarosa se disuelven rapidamente, debido a la agitación de las moléculas de agua. En esta ocasión el "sistema azúcar" absorbe energía cinética y sus dulces moléculas se separan, produciéndose un incremento del caos molecular en el interior de nuestra taza que a su vez incrementa el desorden del Universo. No obstante, en otras ocasiones, el incremento del caos universal se consigue a través de la tendencia de los sistemas a estados de baja energía, que se alcanzan perdiendo energía hacia los alrededores. Un ejemplo sencillo es el de los ríos. A medida que el agua de los ríos fluye cuesta abajo por acción de la gravedad, el "sistema agua" va liberando energía, incrementando de esa forma el desorden molecular del entorno y por lo tanto también del Universo.

Como vemos, tanto una pérdida de energía como un aumento del grado de desorden de los sistemas facilita que los procesos ocurran, aunque no tienen por qué cumplirse necesariamente ambas cosas. Para entender ahora por qué el dilema de Shrödinger tenía explicación empezaremos poniendo un nuevo ejemplo, ¿por qué se congela el agua teniendo en cuenta que el hielo es una estructura molecular tridimensional muy ordenada? Podríamos pensar que con la formación del hielo se estaría reduciendo el orden del Universo. Lo cierto, en cambio, es que a los valores de temperatura de congelación se produce la liberación de una importante cantidad de energía que -como la liberada por los ríos- incrementa el desorden del entorno lo suficiente como para que el caos del Universo sea mayor, a pesar del pequeño y local aumento de orden que se produce en nuestra cubitera. Es esto lo que permite la existencia de estructuras complejas y ordenadas en un Universo decadente y desordenado como el nuestro. De esta manera se explica por qué a lo largo de la historia de la Tierra la materia se pudo ir moldeando en formas tan bien organizadas como las vivas, mientras paralelamente el resto del Universo se iba desordenando más y más. No es ninguna casualidad que muchos seres vivos presenten bastante más temperatura que el medio que los rodea: es necesario gastar energía calorífica para pagar al Universo con el precio de la organización. Para ser un trozo de materia ordenado es imprescindible arreglárselas como sea para aumentar el caos del entorno.

Schrödinger también dejaba claro en su libro que la vida no es el resultado de algo misterioso, que no existe una chispa mágica o algo por el estilo. La vida es un proceso; es la interacción entre la materia y la energía descrita por las leyes de la química y la física, las mismas leyes que describen la caída de la lluvia o el brillo de las estrellas. Tal y como comenta Brian Cox en el primer capítulo de la serie Wonders of life, “la energía es eterna, la energía que está aquí ahora siempre estuvo aquí, y la historia de la evolución del Universo es simplemente la historia de la transformación de esa energía de una forma a otra(…), y en algún punto de esa historia, hace unos 3500 millones de años, esa transformación de energía llevó al origen de la vida en la Tierra.” Hoy, en pleno siglo XXI, parte de esa energía es la que permite que este artículo pueda ser leído. El caos termodinámico es imparable y la flecha del tiempo apunta en una única dirección. No hay vuelta atrás, así que disfrutemos de este Cosmos desordenado.

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