Por qué la termodinámica es tan importante como la mecánica cuántica y la relatividad general. Crédito de la imagen: Pxhere
Con su magnífico nuevo libro La nevera de Einstein: la ciencia del fuego, el hielo y el universo, el documentalista Paul Sen nos ha hecho dudar de la idea de que la mecánica cuántica y la relatividad general son nuestras dos principales (aunque incompatibles) teorías del mundo físico.
Esas dos teorías podrían situarse mejor como términos de compromiso con el universo: la relatividad describe el telón de fondo del espacio-tiempo, y la teoría cuántica ofrece una descripción detallada de lo que hay dentro de él. Pero para explicar lo que realmente vemos que ocurre en medio de todas esas partículas, nos sirve mejor el tema del libro de Sen: la termodinámica, en todas sus formas.
La nevera de Einstein muestra, en gran medida, la amplitud de esta disciplina a través de su historia. La termodinámica comenzó como un esfuerzo por comprender y mejorar la maquinaria de la Revolución Industrial y pronto proporcionó los teoremas más profundos de lo que los físicos hoy llaman teoremas de no-go, afirmaciones sobre lo que es físicamente imposible, en forma de las dos primeras leyes de la termodinámica.
En primer lugar, la energía se conserva en el universo; en segundo lugar, una parte de la energía inevitablemente se disipa en todo lo que sucede de una manera que no puede utilizarse para realizar trabajo. Los científicos del siglo XIX se dieron cuenta de que a partir de esos ingredientes podemos hacer deducciones sobre el principio del universo (que debería tener una configuración improbable y de baja entropía) y su final (en una «muerte por calor» de inútil uniformidad energética).
La termodinámica proporciona una explicación de todo, desde lo cotidiano (por qué el helado se derrite) hasta lo global (qué es lo que impulsa el sistema climático mundial) e incluso lo cósmico (por qué el Big Bang ha dejado un penetrante sonido de microondas). Es la clave de los misterios de la vida: cómo los organismos vivos parecen eludir la segunda ley, que exige una entropía creciente, aunque en realidad no lo hacen. El matemático Claude Shannon definió la entropía de la información, lo que respalda las teorías de la información y la computación. Se hacen predicciones asombrosas sobre los agujeros negros, como la idea de Stephen Hawking de que se evaporan gradualmente, algo que la relatividad general por sí sola no podría explicar. La conservación de la energía se deriva del comportamiento simétrico en el tiempo de las leyes físicas fundamentales, al igual que la conservación del momento está relacionada con su invariancia traslacional en el espacio, y la primera ley (conservación de la energía) está relacionada con las propiedades de simetría profunda de la teoría física.
Olvidamos con demasiada facilidad cómo la termodinámica contribuyó significativamente a la evolución de la teoría cuántica. Max Planck solo pudo crear una teoría sobre cómo los cuerpos calientes emiten radiación en el siglo XX basándose en una heurística conveniente sobre las vibraciones microscópicas. En particular, partió de la premisa de que las vibraciones pueden ser cuantizadas. Por supuesto, Einstein fue el primero en tomar esa idea al pie de la letra. Sen, nos recuerda que James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann y otros desarrollaron una comprensión microscópica de la termodinámica, que fue la base de muchos de los primeros trabajos de Einstein. Einstein calculó las dimensiones moleculares utilizando las propiedades agregadas de la materia. La teoría del movimiento browniano, que es la base de la difusión y que permitió al físico francés Jean Perrin mostrar pruebas convincentes de la existencia de los átomos en 1908, es su obra más famosa.
El entusiasmo de Einstein incluía el refrigerador que había creado con su colega Leo Szilard, una broma poco común en la física aplicada. El dúo diseñó un frigorífico sin piezas móviles, menos propenso a averías, motivado por las muertes causadas por refrigerantes tóxicos y con fugas. La empresa alemana AEG creó un prototipo de su idea, pero se perdió cuando General Motors creó un refrigerante no tóxico llamado freón en 1930. El diseño de Einstein-Szilard ha despertado nuevamente el interés.
Szilard, por su parte, ayudó a desentrañar el enigma planteado por Maxwell sobre un antiguo problema de filosofía de la física térmica y estadística, conocido como el demonio de Maxwell, un experimento mental concebido por el físico James Clerk Maxwell. El problema se pensaba que era irresoluble, pero al abordarlo, Szilárd reconoció la conexión entre la termodinámica y la teoría de la información.
La teoría de la información se refiere a las leyes matemáticas que regulan la transmisión y el procesamiento de la información. También se ocupa de la medición y representación de la información, así como de la capacidad de los sistemas de comunicación para transmitir y procesar información. Una rama de la teoría de la probabilidad, la teoría de la información analiza la información y todo lo relacionado, como canales, compresión de datos y criptografía. En pocas palabras, «información» define un estado o configuración particular de un medio físico. principalmente, una condición que puede tener un impacto en su propio entorno físico o en cualquier otro. Como resultado, la información es una propiedad que puede tener un sistema físico. Y las leyes de la naturaleza (como el aumento de la entropía) afectan a la información porque es parte de un sistema físico.
Hasta la década de 1960 cuando se resolvió el problema, de una forma que conectaba la termodinámica con la computación. Resulta que la segunda ley está protegida por las exigencias impuestas a una memoria para registrar los movimientos moleculares: existe un coste entrópico inevitable de borrar la información, lo que establece un límite fundamental a la eficiencia energética de la computación.
Sen explica todo esto con una claridad admirable; me gustó especialmente su explicación del funcionamiento de la escala de temperatura de Kelvin y por qué impone un límite inferior al frío que pueden alcanzar las cosas. La nevera de Einstein divaga ampliamente sin perder nunca su conexión con el tema central, y muestra cómo la ciencia que iniciaron los científicos de los siglos XVIII y XIX Sadi Carnot, el conde Rumford y Rudolf Clausius apuntala realmente la mayor parte de la física moderna.
Sen podría haber ido aún más lejos en este sentido. La termodinámica, y su versión actual en la física estadística, es en realidad la ciencia del comportamiento que surge en sistemas interconectados de múltiples cuerpos. Debido a esto, las ideas fundamentales de la física, como las transiciones de fase, los puntos críticos, la renormalización y la estocasticidad, se repiten en diversas disciplinas. Aparecen en las descripciones cuántico-cromodinámicas de los hadrones, las teorías de la superconductividad y los electrones fuertemente correlacionados, los mecanismos de las células vivas (donde la separación de fases se ha reconocido recientemente como literalmente vital) e incluso el comportamiento de las multitudes, el tráfico y los enjambres de animales.
Esto la convierte en la descripción más fundamental de lo que ocurre en el mundo a todas las escalas, tanto en nuestros sistemas artificiales como en nuestros sistemas tecnológicos. La afirmación de Sen de que es «posiblemente la teoría científica más útil y universal jamás creada» es acertada. Por lo tanto, resulta extraño que haya recibido tan poca atención en la esfera popular, que haya recibido un tratamiento tan poco sistemático en la educación y que tenga una reputación tan aburrida. (Cuando era un estudiante nuevo, me pareció bastante tedioso y estrecha, al igual que a Sen.) Es mucho más beneficioso que ahora exista una maravillosa defensa contra el olvido.
