La vida caótica: lecciones básicas sobre la entropía

Hay algunas certezas universales. La muerte, que los almuerzos nunca son gratis y finalmente la segunda ley de la termodinámica. Hay muchos artículos en línea sobre los dos primeros conceptos de esta lista, pero la última probablemente la encontrarás con menos frecuencia, es la ley de la entropía.

Esta ley, identificada por primera vez por Sadi Carnot en 1824 en sus reflexiones sobre cómo funcionaban realmente las útiles pero misteriosas máquinas de vapor, se mantiene erguida y orgullosa hoy, elevada a un hecho inmutable de existencia. No importa lo duro que intentes, simplemente no puedes escapar de las garras de hierro de su conclusión fría e implacable: en sistemas aislados, la entropía no puede disminuir.

Contar las moleculas

Cuando se toma una caja llena de aire y se quieren medir sus propiedades un primer instinto sería sacar una regla y un termómetro, registrando importantes números que suenan científicos como el volumen, la temperatura o la presión.

Hay una buena razón por la que es tu primer instinto. Sabes que algo como "aire" es en realidad una colección de moléculas microscópicas que zumban y se mezclan. Podría imaginar, brevemente, que registrarís todas las posiciones y velocidades de cada molécula, pero rápidamente abandonaría tales nociones como demasiado engorrosas y también tontas.

Después de todo, números como la temperatura, la presión y el volumen le brindan toda la información que realmente le interesa. Esos hechos te dirán todo lo que necesitas saber sobre cómo se comportará la caja de aire si la abres, la aprietas o la revientas. Realmente no importa cómo se arreglan todas esas pequeñas partículas, ese es su negocio, no el suyo.

Y ese es exactamente el punto. Hay tantas formas diferentes de organizar las moléculas de aire en su caja que conducen a la misma presión, temperatura y volumen. Intercambia una partícula por otra, ¿te darías cuenta? Da la vuelta a algunos de ellos, ¿los atrapaste? No, no lo hiciste. La presión, la temperatura y el volumen podrían permanecer sin cambios.

Y aquí es donde entra la entropía. El concepto de entropía captura la cantidad de formas diferentes en que puede reorganizar las cosas que no puede ver (las pequeñas partículas de aire) para obtener las mismas medidas exactas que puede ver (como la presión).

Los cambios inevitables

Eso está bien, pero ¿por qué nunca debería disminuir ese número? Para explorar, vamos a limpiar tu habitación.

Imagínese finalmente reuniéndolo, limpiando su horario de fin de semana, levantándose temprano, tomando esa taza de café y haciendo lo que ha estado posponiendo desde las vacaciones: limpiar su habitación. De arriba a abajo, de pared a pared. Limpio y organizado. Un lugar para cada cosa y cada cosa en su lugar. Perfección.

 ¿Cuánto tiempo crees que durará el ideal platónico de una habitación? No mucho, te das cuenta, ya que la naturaleza sisifeana de tus esfuerzos, y tal vez de toda tu existencia, se enfoca claramente.

Pero, ¿por qué su habitación no debe permanecer limpia y ordenada en los próximos años? Porque si solo una cosa, una sola cosa, cambia, ya no está limpio. ¿Un calcetín sucio en la cama? Sucio. ¿Una funda de almohada con volantes? Sucio. ¿Una caja de galletas saladas en la mesita de noche? No juzgaré, sino también desordenado.

En este ejemplo, solo hay arreglos selectos que conducen a la medición de "limpio", pero hay millones y millones de arreglos posibles que conducen a la medición de "desordenado". Si un tornado golpeara su habitación recién limpiada, ¿cuáles son las posibilidades de que permanezca en estado limpio? No es cero: el tornado, por pura casualidad, puede recoger cada cosa en tu habitación y devolverla a su lugar original. Pero esa única posibilidad en el último boleto de Powerball, y seamos sinceros, no vas a ser el ganador. Es mucho más probable que encuentres una habitación desordenada después del golpe de tornado, simplemente porque hay muchas más formas de que una habitación esté desordenada.

La entropía es una amante inapelable

Del mismo modo, no hay absolutamente nada que impida que las moléculas de aire en su habitación decidan colectivamente dirigirse en la misma dirección y amontonarse en la esquina, dejándole asfixiarse en el vacío. En serio, ninguna ley de partículas o interacciones moleculares lo impide. Pero el movimiento de las moléculas de aire se rige por innumerables colisiones y movimientos aleatorios, un tornado de actividad molecular interminable. Estos innumerables movimientos esencialmente siempre dejarán el aire en un estado desorganizado y desordenado: repartidos uniformemente por toda la habitación. Y todo porque hay tantas, muchas más formas para que el aire se extienda más que en un rincón.

En última instancia, los sistemas nunca pasan del desorden al orden (a menos que haya una forma de agregarles energía, pero eso es una historia para otro artículo) debido a las abrumadoras estadísticas que lo impiden. La probabilidad de un estado desordenado frente a un estado ordenado no es algo así como 10 a 1 o 3,720 a 1, se parece más a trillones sobre trillones sobre trillones y tirar unos cuantos billones más a 1.

Como en el caso de nuestra habitación antes ordenada, hay muy pocas formas de hacer una habitación limpia y un número abrumador de formas para hacer una habitación desordenada. Y los diferentes arreglos de "desordenados" (como un calcetín sucio que queda en la cama en lugar de la cómoda) llevarán a la misma medida de temperatura o presión. Entropy captura la cantidad de maneras diferentes en que puedes reorganizar tu habitación desordenada para obtener esos mismos valores. Y los sistemas, abandonados a sus propios dispositivos caóticos, siempre buscarán una mayor entropía, simplemente porque hay muchas más formas de desordenar que de limpiar: la segunda ley de la termodinámica.
Por Paul Sutter, astrofísico, 2019
Reproducido desde Space.com

https://www.space.com/43138-life-is-chaotic-entropy.html