La naturaleza estadística de la segunda ley de la termodinámica

Si te preguntas qué pinta aquí un encéfalo en la mitad del espacio interestelar, lee el artículo completo y la nota final.

El físico austríaco Ludwig Boltzmann, dándole vueltas al concepto de fenómeno “irreversible”, detectó una escapatoria a la imagen fatalista de un Universo que se agota a medida que aumenta la entropía. Concluyó que la tendencia hacia la disipación de la energía no es una ley absoluta de la física que aplique en cualquier situación. Por el contrario, cuando se refiere al comportamiento de muchas partículas, es solo una ley estadística. Esta idea, que le apartaba del determinismo newtoniano, le costó hacerse muchos enemigos.

Piensa en un globo lleno de aire que contiene billones de moléculas. Boltzmann diría que, de todos las disposiciones concebibles de las moléculas de gas en un instante dado, su movimiento casi siempre estaría completamente “desordenado”, en el sentido que definíamos anteriormente. Sin embargo, es igualmente concebible que en algún momento ocurra que la mayoría de las moléculas, por casualidad, se muevan en la misma dirección. En cualquier disposición al azar habrá fluctuaciones del desorden completo o, dicho de otra manera, si llamamos homogeneidad a este desorden completo, habrá momentos en los que existan heterogeneidades. Pero cuanto mayor es la fluctuación hacia el orden, menos probable es que ocurra. Para colecciones de partículas tan grandes como el número de Avogadro, la posibilidad de que una fluctuación sea lo suficientemente grande como para ser mensurable es extremadamente pequeña, pero no nula.

Con el mismo argumento, es por tanto concebible que una olla con agua fría se caliente por sí sola después de que la golpeen solo las moléculas más energéticas del aire circundante. También es concebible que, por un breve momento, las moléculas de aire “se agrupen” y golpeen solo un lado de una piedra, empujándola cuesta arriba. Estos acontecimientos son concebibles, técnicamente no imposibles pero absolutamente improbables.

Para pequeñas colecciones de partículas, sin embargo, es una historia diferente. Así como es bastante probable que la altura promedio de las personas en un autobús en concreto sea considerablemente mayor (si viaja la selección absoluta de baloncesto) o menor (si lleva de excursión a niños de primaria) que el promedio del país, es probable de la misma manera que más moléculas golpeen un lado que otro de una partícula microscópica. Eso es precisamente lo que causa el movimiento browniano observable de partículas microscópicas en un gas o líquido. Las fluctuaciones, prácticamente indetectables para cualquier colección de moléculas grandes que nos encontramos diariamente en nuestra vida cotidiana, como ollas o piedras, son un aspecto importante del mundo de las partículas muy pequeñas.

Una consecuencia de estas consideraciones es que la segunda ley de la termodinámica tiene un carácter diferente a todas las otras leyes fundamentales de la física conocidas a finales del siglo XIX. La diferencia estriba en que trata con probabilidades, no con certezas. Por ejemplo, dice que es muy probable que cuando se mete un cubito de hielo en agua caliente, la estructura ordenada del cubito se rompa y se derrita, formando agua. Pero esta ley no descarta la posibilidad extremadamente improbable de que las moléculas más lentas de agua caliente se unan por un instante para formar un cubo de hielo*. Una cosa así o se ha observado nunca, y probablemente nunca lo será, pero en principio es posible.

La segunda ley es, por lo tanto, una ley estadística, que da el resultado estadístico de un gran número de eventos individuales (colisiones de moléculas).

Nota:

*O, ya puestos, que surja en medio del espacio un ente autoconsciente. Esto se conoce como paradoja del cerebro de Boltzmann.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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La paradoja de la reversibilidad - Cuaderno de Cultura Científica

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