La vaca esférica

Publicado el eltrinador

En el mar de energía e información

La energía es quizá uno de los conceptos abstractos más exitosos en la ciencia. En un principio se construyó como un propiedad matemática que se podía derivar de las leyes de la mecánica de Isaac Newton. De curiosidad matemática, hoy por hoy, resulta un concepto cotidiano y hasta intuitivo. Su éxito radica, principalmente en las limitaciones que nos impone su conservación y en su presencia en, prácticamente, todos los procesos naturales. Aunque la tradición científica le de tanta importancia a la energía, posiblemente el principal actor del universo como lo conocemos es otro: la información.

La energía es una cantidad que define gran parte de la ciencia. El matemático alemán Gottfried Leibinz mostró que detrás de el movimiento de los planetas, por muy intrincadas que sean sus órbitas, se debe conservar la energía: la energía cinética (asociada al movimiento) se convierte en potencial (asociada a las fuerzas) así, la suma de ambas, es decir, la energía mecánica, es constante siempre. Así, la conservación de la energía permitía que el sistema se pudiera describir sin importar la flecha del tiempo: el movimiento de los planetas es igual si el tiempo avanza hacia el futuro que si avanza hacia el pasado. Si la Tierra girara al revés, la energía seguiría conservándose.

Haven (Vladimir Kush)
Haven (Vladimir Kush)

La química redimensionó la utilidad del concepto de energía. Durante el siglo XIX, el físico inglés William Thompson propuso el que luego se llamó el primer principio de la termodinámica: La energía mecánica se puede convertir en calor y viceversa. Pronto nos dimos cuenta que este principio abarca no solo calor y movimiento, sino un sinfín de fenómenos físicos como la electricidad e incluso la energía se puede convertir en masa y vice versa como se desveló Albert Einstein con la famosa ecuación E=mc^2. La energía no solo se conservaba en el movimiento de planetas sino en todos los demás fenómenos de la naturaleza.

Durante la primera revolución industrial, la conservación de la energía se convirtió en la base para formalizar el estudio de las máquinas térmicas como los motores o refrigeradores. Calentando un sistema adecuadamente, puede conseguir que se mueva y un sistema en movimiento puede calentarse al perder energía mecánica. Sin embargo, aunque calor y movimiento son equivalentes, existe un límite sobre la cantidad de calor que puede convertirse en movimiento. Como lo propuso el alemán Rudolf Clausius en 1850: “Es imposible que una máquina, sin ayuda mecánica externa, transfiera calor de un cuerpo frío a otro más caliente.” Es decir, es imposible que por ejemplo, un cubo de hielo en un vaso de agua, pueda calentar el líquido a su alrededor.

En un principio no se entendía por qué sucedía este fenómeno. Que fluya calor de un objeto frío a uno caliente no viola la conservación de le energía. Era, necesario, pues, la implementación de una propiedad natural que permitiera describir la imposibilidad de flujo de energía de un objeto frio a uno caliente. Desde entonces, este problema ha sido atacado por varios teóricos y la interpretación que le damos actualmente al fenómeno permite resolver esta paradoja incluyendo un principio adicional: la información puede crearse pero no destruirse. Si un objeto frío calentara a uno más caliente,  se estaría destruyendo información.

La teoría de información moderna fue formalizada en torno a 1950 por el matemático estadounidense Claude E. Shannon. En ella se propone que la cantidad de información accesible en un sistema es definida por una propiedad ya conocida por los físico-químicos y de hecho propuesta por Clausius: la entropía. La entropía se mide en bits de información. Por ejemplo, este artículo tiene unas mil palabras, lo que es lo mismo, unos ocho mil bits (cada letra se describe por ocho bits). A pesar de ser una cantidad apreciable de información, si quisieramos describir, por ejemplo, un cubo de azúcar átomo por átomo, considerando que tiene unos 10^25 átomos (uno seguido de 25 ceros) y que cada átomo puede describirse con unos diez bits la cantidad de información disponible en ese cubo de azucar llegaría a ser 10^26 (100000000000000000000000000) bits . Nada mal.

Al ingerir ese terrón de azucar, espontáneamente él se deretirá en nuesta lengua gracias al arsenal de enzimas que tenemos en la saliva. Para describir el azúcar disuelto en la saliva, nos será necesaria más información átomo por átomo demanera que, en este proceso es espóntáneo, o sea, ocurre de manera natual porque se ha “creado” más información. No es natural ver lo contrario; que del azucar disuelta, se forme un terrón. Para hacerlo, es necesario una fuente no solo de energía sino de información. Las plantas producen azucar a expensas de la energía del Sol y la entropía de su medio ambiente.

Así, los procesos permitidos en el universo pueden describirse a partir de estos dos parámetros: Energía e información. Para hacer algo, es necesaria energía. Para específicar qué se hace, es necesaria información. Todo proceso natural conservará la energía y aumentará la información o, equivalentemente, la entropía

Sin embargo, la información no puede crearse indefinidamente. Existe un máximo de información que puede disponer un sistema: este máximo se consigue cuando todas sus partículas están a la misma temperatura. La temperatura, simplemente es la cantidad de energía por cada bit que tiene un sistema. Si hay mucha energía por cada bit, el sistema está muy caliente y si hay poca energía por cada bit, estará frio. Así, la energía, al igual que la tinta en el agua, fluirá del lugar de mayor concentración al lugar de menor concentración. Podemos enfriar un sistema quitándole energía energía o aumentando la cantidad de bits que lo describen.

Cuando la temperatura en un sistema es uniforme, no habrá flujo de energía en ninguna dirección y por tanto , no es posible ningún proceso macroscópico. Por ejemplo: si el motor de un automovil está a la misma temperatura que el medio ambiente, no podrá moverse. Es necesario que esté más caliente y para ello será necesario suministrarle energía. Todo proceso termodinámico necesita de temperaturas diferentes.

Este estado, en el cual todo en un sistema está a la misma temperatura, técnicamente, se le conoce como “equilibrio térmico”. Así, Los físicos han acuñado el término “muerte térmica” de un sistema cuando este alcanza una uniformidad de temperatura porque no será posible ningún proceso macroscópico más allá del movimiento aleatorio de los átomos. En un futuro lejano, puede que todo el universo alcance un equilibrio térmico, al apagarse las estrellas. En ese momento, no será posible ningún proceso termodinámico fuera del equilibrio como la vida.

Aún estamos muy lejos de eso pero hubo un momento en que el universo estuvo muerto térmicamente: durante los primeros instantes. Sabemos que el universo tuvo la misma temperatura en algún instante de sus primeros momentos a partir de las mediciones que hemos hecho de la radiación cósmica de fondo. Según lo que hemos visto, esta radiación es la evidencia de que, durante los primeros segundos después del Big Bang, tuvo temperatura uniforme hasta la tercera cifra decimal, las partículas viajaban muy cerca a la velocidad de la luz y el universo era tan pequeño como nuestro sistema solar, conseguir que todo tuviera la misma temperatura era muy fácil.

Sin embargo hubo algo que lo resucitó y lo devolvio al desequilibrio térmico que tiene actualmente y que permite que ud y yo estemos vivos intercambiando información: la inflación. De una manera que no entendemos muy bien, el universo empezó a expandirse y a “crear” espacio. Al crear más espacio, se tuvo que crear más información: era necesario específicar, con más bits, dónde se encontraba una partícula. Así, al aumentar la información del sistema a la que se podía acceder, se hicieron posibles los fenómenos macroscópicos fuera del equilibrio. Esta inflación acompañada de la gravedad magnificaron las pequeñas fluctuaciones cuánticas en el que era por ese entonces un gas uniforme y se permitió la inhomogeneidad de la masa. Hubieron pequeños grumos que con el tiempo se convirtieron en nuestras actuales estrellas. Desde entonces, viajamos en el mar de energía e información.

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