Entropia
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La entropía es una medida del grado de desorden de un sistema. Representa la parte de la energía que no puede usarse para realizar trabajo. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, la entropía del universo, como sistema cerrado, aumenta constantemente con el tiempo a medida que la energía se distribuye de manera más uniforme. Actualmente, la mayor parte de la entropía del universo se encuentra en la radiación de fondo de microondas.
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- 1. ENTROPIA La energía está distribuida por todo el universo y como todo en la naturaleza busca la estabilidad. La naturaleza tiende a redistribuir la energía y el camino del caos, es decir la casi nada, entropía. Entonces podemos decir que la entropía es la medida del grado del caos de un sistema. Es el segundo principio de la termodinámica que establece un proceso para la destrucción, existiendo continuamente en el universo una tendencia hacia el caos o desorden, la segunda ley, es una desigualdad, nos dice que una magnitud diferente, conocida como la entropía, tiene un valor mayor (o al menos no menor) después de que haya acontecido un proceso una vez ocurrido el suceso. Puede decirse que la entropía es una medida del grado de desorden de un sistema físico. Si se considera que el universo es un sistema cerrado, y, en consecuencia, su entropía, aumenta con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Se forman galaxias y arden estrellas, vertiendo así al espacio fotones que se suman al gas de fotones previo. Esos procesos aumentan la entropía total del universo. Pero lo notable es que el aumento de la entropía total del universo, debido a todos esos procesos que se han producido a lo largo de la vida de todas las galaxias y estrellas, es sólo una diezmilésima de la entropía que existe ya en los fotones de fondo, una fracción mínima. La entropía total del universo se halla hoy, a todos los efectos y propósitos, en el gas de fotones y se ha mantenido constante desde la gran explosión. La entropía es básicamente una cantidad conservada en nuestro universo. Los sistemas muy desordenados poseen una entropía alta; los sistemas sumamente ordenados tienen una entropía baja. Además, esta ley en su enunciado nos formula que la entropía de cualquier sistema físico aislado sólo puede aumentar con el tiempo. Lo último, constituye una de las piedras angulares de la mecánica estadística. Hablando en términos muy sintetizados y sencillos, podemos decir que la entropía es una medida de la «aleatoriedad» para un sistema dado. Por ejemplo, nuestro propio cuerpo en movimiento a través del aire empieza con su energía con una conformación organizada (su energía cinética de movimiento), pero cuando se enfrenta con la resistencia del aire se frena lo que ocasiona que esa energía se reparta entre los movimientos aleatorios de las partículas del aire y aquellas individuales del propio cuerpo. Lo último, tiene como consecuencia un «incremento» muy específico de la aleatoriedad; más específicamente, la entropía ha aumentado.
- 2. Definiendo caos en la termodinámica es la nada y significa la máxima indiferenciación de un sistema. Entendiéndose que el universo en un sistema cerrado de termodinámica la entropía es una magnitud física que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para realizar un trabajo. Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentará la entropía. La entropía puede crearse pero no destruirse. Podemos decir entonces que el Universo es un sistema aislado y su entropía crece constantemente con el tiempo. Esto marca un sentido a la evolución del mundo físico, que llamamos "Principio de evolución". Cuando la entropía sea máxima en el universo, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del Universo, enunciado por Clausius. Toda la energía se encontrará en forma de calor y no podrán darse transformaciones energéticas la temperatura es tan baja que hace la vida imposible. Toda la energía tenderá a acabar en la forma más degradada, la energía térmica; en un estado de total equilibrio termodinámico y a una temperatura cercana al cero absoluto, que impedirán cualquier posibilidad de extracción de energía útil. Será el desorden más absoluto (la máxima entropía) del que ya no se podrá extraer orden (baja entropía). En esta "muerte térmica" del universo, el factor más importante lo marcará la segunda ley de la termodinámica, que afirma que cualquier proceso crea un incremento neto en la cantidad de desorden o entropía del universo. Esta ley que rige para el universo entero es una parte cotidiana de nuestras vidas. La noción de entropía fue introducida por primera vez por Clausius en 1865, pero fue el físico austríaco Ludwing Boltzmann quien, en 1877, el que clarificó los conceptos de entropía hasta donde se puede. De las formulaciones efectuadas por Boltzmann es donde se obtiene cómo se puede cuantificar la entropía que, en el fondo viene a ser cómo medir un desorden. La solución básica la aporta la teoría de las probabilidades, el estudio matemático del azar. Retornemos aquí al gas para proceder a cómo podemos explicarlo. Consideremos que las configuraciones improbables de todas las partículas de gas se las consideran «ordenadas» y se les asigna una entropía baja, mientras que las configuraciones probables son las más «desordenadas» y tienen entropía elevada. Estas configuraciones desordenadas tienen elevada entropía. Expresado en términos matemáticos nos resulta de la siguiente manera: la entropía (S) de un sistema aislado está ligada a la probabilidad (ρ) de su estado actual por la relación S – κ log ρ + C, siendo κ y C constantes. La entropía es, pues, proporcional al logaritmo de la probabilidad del estado en el que sistema se encuentra, de donde resulta que la variedad de la entropía entre dos
- 3. estados sucesivos, es proporcional a la diferencia logarítmica de las probabilidades de estos dos estados. Como esa diferencia es siempre positiva, dado que la entropía es una función creciente, se sigue que la probabilidad del estado posterior debe ser siempre mayor que la del estado anterior. Cuando un gas como el que estamos considerando alcanza un estado de máxima entropía (es decir, las partículas están totalmente mezcladas y el desorden es máximo) se dice que se halla en un «estado de equilibrio». Nada se puede hacer para aumentar su desorden; en consecuencia, está en equilibrio, porque ha alcanzado la estabilidad del desorden completo. Hablando en sentido estricto, deberíamos denominarlo estado de «equilibrio térmico», indicando con ello que la temperatura de todo el gas es uniforme. Por su parte, los gases en estado de equilibrio térmico tienen varias propiedades importantes que pueden probarse rigurosamente mediante la matemática de la mecánica estadística. Es fácil calcular la entropía de un gas de partículas en equilibrio; según la mecánica estadística es proporcional al número total de partículas. Cuantas más partículas hay en el gas, mayor puede ser el desorden que se produzca en él y mayor su entropía. Si un gas está formado por partículas A y B, podríamos considerar la entropía de las partículas A y la de las partículas B independientemente, porque el número de partículas A y B puede diferir. Se habla entonces de una «entropía específica», que es la relación de la entropía total con la de las partículas A o B. Hemos hablado de un gas en equilibrio que ocupa un volumen determinado y tiene una temperatura determinada. Supongamos que ampliamos el volumen despacio en comparación con el tiempo medio de colisión entre partículas. Esto implica que el gas siempre permanece en equilibrio térmico, porque las partículas tienen tiempo suficiente para transferirse energía unas a otras durante la expansión. A esta expansión lenta se le denomina «expansión adiabática», y puede demostrarse que durante ella la entropía del gas permanece constante Aunque hoy todavía tenemos que considerar que la materia domina a la radiación, hasta que no logremos desentrañar el misterio de la energía oscura, por ello, solo podemos decir que la historia es muy distinta si comparamos sus entropías. La entropía total de un gas en equilibrio
- 4. es proporcional al número total de sus partículas. Comparemos la entropía de la materia (básicamente el número total de partículas nucleares de que las galaxias se componen) con la entropía fotónica (proporcional al número total de fotones). En el universo actual la densidad numérica de las partículas nucleares (protones y neutrones) es de más o menos una partícula nuclear por metro cúbico. (Se trata de una cifra de discusión contingente, pero ello no afecta muy significativamente nuestra explicación, ya que también podrían ser diez). El número de fotones que hay por metro cúbico es de unos 400 millones, cifra que viene dada por la temperatura actual del universo (3° K). Así que la relación entre la entropía fotónica y la de la materia nuclear, independiente del volumen, lo que se denomina la entropía específica, es de 400 millones (con incertidumbres de un factor de aproximadamente 10). Por tanto la entropía del universo está hoy casi toda en el gas radiante de fotones y no en la materia. El valor de la entropía específica tiene muchísima importancia porque determina la naturaleza del universo. Si la entropía específica fuese cientos de veces mayor de lo que es, podría demostrarse que el universo primitivo habría sido demasiado caliente para formar galaxias y, por tanto, no existirían las estrellas hoy. Por otra parte, si la entropía específica fuese mucho menor de lo que es hoy, el hidrógeno se habría convertido casi todo en helio en el Big Bang. Podrían existir las estrellas sin duda, pero las estrellas que sólo se componen de helio son poco luminosas. De lo que se deduce que si la entropía específica hubiese tenido un valor muy distinto del actual, el universo sería sumamente distinto y probablemente hostil al desarrollo de la vida. El universo es un sistema cerrado, y, en consecuencia, su entropía, (la que vemos está sobre todo en el gas de fotones) aumenta con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Se forman galaxias y arden estrellas, vertiendo así al espacio fotones que se suman al gas de fotones previo. Esos procesos aumentan la entropía total del universo. Pero lo notable es que el aumento de la entropía total del universo, debido a todos esos procesos que se han producido a lo largo de la vida de todas las galaxias y estrellas, es sólo una diezmilésima de la entropía que existe ya en los fotones de fondo, una fracción mínima. La entropía total del universo se halla hoy, a todos los efectos y propósitos, en el gas de fotones (si la radiación de la energía oscura no nos dice otra cosa) y se ha mantenido constante desde la gran explosión. La entropía es básicamente una cantidad conservada en nuestro universo.
- 5. Aunque la «muerte calórica» del universo no es el problema que fue en tiempos, los nuevos conocimientos adquiridos crean problemas distintos. Como en una expansión adiabática se conserva la entropía total, la entropía del universo ha sido siempre enorme. Si esta entropía específica fuese muy distinta, también serla muy distinto hoy el universo. La idea de "muerte entrópica" surge si se admite que el universo es un sistema termodinámicamente cerrado. Esta admisión no era, ni es fácilmente justificable en términos teóricos y tampoco existían indicios experimentales que la respaldaran. No obstante, la noción de "muerte entrópica" se popularizó rápidamente y se transformó en casi un dogma que, partiendo de las cosmologías "científicas" del positivismo, llegó a nuestros días. Frente a extrapolaciones que no tienen nada de científico, es lícito preguntarse cuáles son las bases pre- científicas que dan origen a teorías como la de la "muerte entrópica" o similares que la fantasía de los cosmólogos nos propone continuamente. Vale la pena recordar aquí la interpretación que O. Spengler da en El ocaso de occidente de la "muerte entrópica" formulada por von Clausius y otros eminentes químicos alemanes. Para Spengler esta teoría no era más que la re proposición en ámbito científico de la antigua cosmología germánica de la Caída de los Dioses (Goetterdaemmerung) y del incendio del Walhalla, con los que se concluía trágicamente la vida del universo, cosmología que en aquel entonces se había puesto nuevamente de moda con las óperas de Wagner. Una base mitológica tan antigua e "irracional" se había insinuado subrepticiamente en una teoría científica.