La entropía siempre se ha asociado con el «desorden», aunque no lo sea exactamente
Como la relatividad general o la mecánica cuántica, la entropía es otro de los conceptos físicos que más miedo suscitan a primera vista. Sin embargo, nada más lejos de la realidad, no es necesario ser un entendido de la física para poder comprenderla, pues es pura cuestión estadística. Te la mostraré con ejemplos cercanos como el Minecraft o el cubo de Rubik.
Un poco de historia
Durante el siglo XIX nacieron las leyes de la termodinámica y, con ellas, una de las archiconocidas frases que pasaron a la historia de la humanidad: «La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma». Científicos como Carnot, Clausius o Kelvin —por citar unos cuantos—, trataban de explicar el comportamiento del calor, trabajo y temperatura en los sistemas físicos. Tenían el objetivo de intentar crear la máquina de vapor más eficiente posible para lograr una ventaja tecnológica con respecto al resto. Clausius fue el primero que acuñó el término entropía con el fin de explicar ciertos procesos termodinámicos hasta la fecha incomprendidos.
No obstante, no fue hasta que Ludwig Boltzmann formuló su famosa ecuación cuando se establecieron los lazos necesarios para que el concepto cobrase verdadero sentido. Asombrosamente, la entropía atendía a una razón meramente probabilística. Fue de tal magnitud el descubrimiento de Boltzmann, que ninguno de sus coetáneos respaldó su teoría. Quizás demasiado adelantado para su época, el físico austriaco acabó con su vida antes de recibir el reconocimiento unánime por parte de la comunidad científica.
¿Qué es la entropía?
La entropía se define formalmente como la cantidad de estados microscópicos posibles acorde al estado macroscópico asociado; es decir, es la encargada de relacionar el mundo microscópico —de los átomos— con el mundo que nosotros observamos. Sí, ya sé, algunos habréis levantado un ceja al leer la definición. Por eso, lo explicaremos con un ejemplo más asequible: un cubo de Rubik.
Si has logrado resolverlo, ¡enhorabuena! Es un suceso extremadamente improbable. Si hiciéramos cálculos, veríamos que existen más de 43 trillones de combinaciones posibles. Que el cubo esté armado corresponde al estado de menor entropía.
En este ejemplo, el estado macroscópico es el cubo que vemos —su apariencia general—. Los microestados corresponden a cada posición específica de las piezas. Un cubo resuelto tiene una entropía mínima porque solo hay una configuración —un patrón específico— que consideramos «resuelta». Por el contrario, un cubo donde los colores están mezclados de forma dispar representa una alta entropía, ya que hay trillones de formas distintas de que el cubo se vea «desordenado».
Nada es irreversible (hasta cierto punto)
Podríamos decir que «desordenar» el cubo no requiere gran esfuerzo; bastaría con mover las piezas al azar. Pese a que el estado más probable sea el caótico, eso no significa que sea imposible ordenarlo de nuevo. En otras palabras: en la naturaleza no hay procesos estrictamente irreversibles, pero sí procesos extremadamente improbables. Para reordenar el cubo, necesitamos un aporte considerable de energía externa, ya que el sistema, por pura estadística, tiende a permanecer en el desorden.
Al final, tanto la foto del cubo «ordenado» como una del cubo «desordenado» representan una sola combinación entre 43 trillones. La diferencia es que, de todas esas posibilidades, solo una corresponde al cubo armado, mientras que casi todas las demás corresponden al «caos».
¿Cuánta más entropía, mejor?
Una de las preguntas que os estaréis planteando ahora mismo es que, puesto que un estado con mayor entropía es más estable y no requiere tanta energía, alcanzar el valor máximo de entropía será lo más beneficioso. He de reconocer que es un razonamiento lógico, aunque no correcto. Amigas y amigos, bienvenidos a la segunda ley de la termodinámica.
Como hemos dicho antes, por una cuestión meramente probabilística, el universo tiende hacia el mayor número de microestados diferentes. Aún así, no nos interesaría encontrarnos en el mayor número de entropía posible, debido a que si la energía está distribuida uniformemente en infinitos microestados, seríamos incapaces de transformarla. Consecuentemente, la vida no se podría desarrollar. Suena apocalíptico, así que veámoslo de una forma más desenfadada con un ejemplo del archiconocido videojuego Minecraft.
En el Minecraft los bloques son dispuestos aleatoriamente. Para nuestra explicación cada bloque (cubo) será nuestro posible estado microscópico y el conjunto de ellos nuestro estado macroscópico. Tal y como vemos en el vídeo, el jugador y los mobs —el enemigo que explota— son capaces de moldear el universo virtual, desembocando en un «desorden» aún mayor del servidor (mayor número de microestados).
Ahora imaginemos que los bloques están repartidos completamente, habríamos llegado a un punto en el que tendríamos infinitos microestados posibles pero todos serían tan parecidos que nuestro macroestado es completamente uniforme. Tal y como se puede ver en el vídeo, nos encontraríamos en un punto de no retorno donde sería imposible cualquier modificación de nuestro mundo; un estancamiento absoluto.
De manera análoga, si la energía de nuestro universo está distribuida tan homogéneamente que no permite intercambios energéticos entre los distintos cuerpos, imposibilitaría la existencia de vida. Esta hipótesis física se denomina como la Muerte Térmica del Universo —en inglés, Big Freeze—. Afortunadamente, este es un escenario que ocurriría en un futuro extremadamente lejano y que la cosmología moderna aún debate debido a la densidad del vacío. Teoría que dejaremos para un próximo artículo, si la entropía nos respeta y no comienza a fluctuar de repente…
Nuestra compañera de vida
Es evidente que en el día a día podemos encontrar miles y miles de ejemplos en los que la entropía se ve involucrada. Al fin y al cabo, está presente en cada rincón del universo y es inevitable. La encontramos en disciplinas como la biología, la economía, la sociología. También en el café mañanero que se enfría y en la mezcla de patata y huevos para cuajar una tortilla. ¡Está hasta en la sopa! —nunca mejor dicho—. En resumidas cuentas, este incomprendido concepto físico es vital para que la vida se desarrolle tal y como la concebimos. La entropía nos acompaña a todos lados y en todo momento. ¡Y que así sea siempre!
