El desorden de Maxwell y su demonio

Borja Urquiola
Químico y estudiante de doctorado (UPV-EHU)

Fotografía: Laura García

“Una sola palabra: entropía. Todo lo que nace muere. Cuando nacemos empezamos a morir. Yo llevo 94 años viviendo, es decir, 94 años muriéndome. Es un proceso vital.” Esta fue la frase empleada por José Luis Sampedro para explicar cómo afecta la entropía a la vida.

Pero, ¿qué es la entropía? El concepto de entropía, hablando desde un punto de vista plenamente científico, se define brevemente como la magnitud termodinámica que nos indica el grado de desorden molecular presente en un sistema. Esta magnitud se plantea como tal en la segunda ley de la termodinámica, la cual enuncia la irreversibilidad que se produce en los fenómenos físicos (enunciado por primera vez en 1824 por Marcos Favela).

Esta ley o principio se basa en la espontaneidad, ya sea de una reacción química o desde el punto de vista de la entropía universal. Este último enfoque expresa el grado de desorden, también puede ser denominado como el caos existente en la naturaleza. Esto se refiere al hecho de que a medida que el tiempo pasa, el desorden presente en el universo aumenta, por un lado, de forma espontánea, y por el otro, inexorablemente hacía la destrucción del todo.

El segundo principio, mencionado anteriormente, se puede traducir, a la hora de tomar el universo como el sistema de estudio, de la siguiente manera: el universo se hace más desordenado por segundos. Para poder ver este hecho con mayor claridad, denominemos al universo como un sistema. Un sistema engloba a cualquier materia que sea objeto de estudio. Por lo que, de la misma forma, se puede generalizar que el mundo físico, ya sean organismos vivos, edificaciones o ecosistemas, son un sistema alrededor del cual ocurre todo. Todos los sistemas poseen una propiedad en común, todos ellos se dirigen a su fin, todos los sistemas tienen una tendencia, mayor o menor, de desaparecer, destruirse o desgastarse. El ser humano, por ejemplo, desde el momento que nace empieza a desgastarse, esto se debe a que, en su recipiente, la entropía comienza a aumentar a cada instante, para finalmente llegar al mayor desorden posible, la muerte, tal y como José Luis Sampedro mencionó. Esta muerte de «la vida del sistema» constituye la completa integración del sistema a la estabilidad a que tiende el universo.

Pero, por suerte o desgracia, el ser humano o, mejor dicho, los sistemas vivos, se diferencian de los sistemas inertes en que, para poder seguir siendo un sistema vivo necesitamos consumir, generar y destruir energía para poder seguir viviendo. Por ello, Erwin Schrödinger proponía que, al generar un organismo una entropía positiva, este se aproxima al nivel máximo de entropía, la muerte, y se alimenta para poder contrarrestarla. Por tanto, la falta de energía que significa la desintegración y caos del sistema, viene ralentizada por medio de la generación de energía proveniente de los alimentos.

Del mismo modo que los sistemas vivos ralentizan ese caos por medio de la generación energética, este proceso natural llamado “vida”, al aumentar la entropía, se hacen irreversibles. El sistema que alcanza un grado máximo de equilibrio, de mayor entropía y por tanto el más caótico, ya no puede regresar a sus etapas iniciales, ya que esto supondría una disminución de la entropía, siendo esta imposible.

De este modo, aun yendo de forma incontrolada hacía un aumento de nuestra entropía existe un concepto, una idea, que, contra todo pronóstico, lucha contra esta fuerza ancestral, el “demonio de Maxwell”: «ahora concibe un ser finito que conoce las trayectorias y las velocidades de todas las moléculas, pero que no puede hacer otro trabajo que no sea abrir o cerrar un agujero en el diafragma».

Así es como Maxwell comenzaba la explicación de la idea que puede enfrentar a la entropía. Maxwell pone como ejemplo un recipiente dividido por un diafragma, en donde se observan dos tipos de moléculas, unas con una velocidad lenta y otras que se mueven a gran velocidad. Maxwell pretende que concibamos la capacidad del ente de calentar el gas caliente y enfriar el gas frío, permitiendo que las moléculas rápidas se muevan en una sola dirección a través del orificio y las moléculas lentas en la otra.

Esta idea es fantástica, no real, debido a que no existe ser capaz de observa, calcular y controlar todo sistema físico presente. De hecho, el propio demonio se podría considerar como un sistema físico, provocando que la disminución de entropía que el mismo crea, se contrarrestase mediante sus acciones. Así, su entropía podría aumentar lo suficiente como para compensar la disminución de la entropía del gas, con lo que la entropía neta aumenta, como dicta la segunda ley.

Pongamos un ejemplo de la vida cotidiana. Imagina un vaso de agua, al introducirlo en el congelador y cambiar el estado del agua líquida a su estado sólido (menor entropía) se puede creer en una victoria sobre la entropía, ya que se reduce la entropía del sistema. Pero como ya hemos dicho, ni el demonio de Maxwell es capaz de ganar esa batalla, ya que la generación de entropía producida por el congelador contrarresta la perdida de entropía producida por la congelación del agua.

Por tanto, os invito a recapacitar en un concepto. ¿Se puede detener la vida? ¿Podemos eliminar la generación del caos? ¿Se puede detener el envejecimiento? ¿Existe tal piedra filosofal? Todo ello gira entorno, no solo a la vida, sino a la posibilidad imposible de poder detener la generación de entropía, no revertirla, simplemente detenerla. Y, sintiéndolo por los más optimistas, esa es una posibilidad que lo mires por donde lo mires, nunca se va a dar, ya que el único ejemplo de tal proeza únicamente se ha visto en la película Benjamin Button, una película en donde se revierte el proceso entrópico. Por todo ello, disfrutar y aprender de la entropía, porque siempre tendrá la mano ganadora de este juego.