Orden en el Caos. La flecha del tiempo. Sobre la nueva interpretación de la segunda ley de la termodinámica
"Así es como termina el mundo, no con un estallido sino con un lloriqueo".
(T. S. Elliot)
En los últimos años la interpretación pesimista de la segunda ley ha sido desafiada por una teoría totalmente nueva. El premio Nóbel belga Ilya Prigogine y sus colaboradores han abierto el terreno a una interpretación radicalmente diferente de las teorías clásicas de la termodinámica. Existen ciertos paralelismos entre las teorías de Boltzmann y las de Darwin. En ambas, un gran número de fluctuaciones casuales conducen a un punto de cambio irreversible, en un caso en la forma de evolución biológica, en el otro en la de la disipación de la energía, y la evolución hacia el desorden. En termodinámica, el tiempo implica degradación y muerte. Y surge la pregunta de dónde encaja en esto el fenómeno de la vida con su tendencia inherente hacia la organización y complejidad creciente.
La ley afirma que las cosas, dejadas a sí solas, tienden a un incremento de la entropía. En los años 60, Ilya Prigogine y otros se dieron cuenta de que en el mundo real átomos y moléculas casi nunca están "dejados a sí solos". Todas las cosas afectan a todas las cosas. átomos y moléculas están casi siempre expuestos al flujo de energía y material del exterior, que si es suficientemente fuerte puede dar la vuelta parcialmente al proceso aparentemente inexorable de desorden planteado en la segunda ley de la termodinámica. De hecho, la naturaleza demuestra en muchos casos no sólo desorganización y decadencia, sino también el proceso opuesto al crecimiento y auto organización espontáneas. La madera se pudre, pero también crecen los árboles. Según Prigogine, las estructuras que se organizan por sí mismas se encuentran en todas partes en la naturaleza. De igual manera, M. Waldrop llega a la conclusión:
"Un láser es un sistema que se auto-organiza en el que las partículas de luz, fotones, pueden agruparse espontáneamente en un sólo haz potente que tiene a todos los fotones moviéndose prietas las filas. Un huracán es un sistema que se auto-organiza fortalecido por la corriente constante de energía que viene del sol, que dirige los vientos y saca el agua de la lluvia de los océanos. Una célula viva aunque mucho más complicada de analizar matemáticamente es un sistema que se auto-organiza que sobrevive tomando energía en forma de comida y excretando energía en forma de calor y desperdicios".49
En todas partes en la naturaleza observamos modelos de comportamiento. Algunos son ordenados y otros desordenados. Hay decadencia pero también hay crecimiento. Hay vida pero también hay muerte. De hecho estas tendencias contrapuestas van unidas. Son inseparables. La segunda ley asegura que todo en la naturaleza tiene un billete sólo de ida hacia el desorden y la decadencia. Sin embargo esto no cuadra con los modelos generales que podemos observar en la naturaleza. El propio concepto de "entropía", fuera de los límites estrictos de la termodinámica, es un concepto problemático.
"Los físicos reflexivos, a quienes interesa la acción de la termodinámica, se dan cuenta de cuán inquietante es la cuestión, como dijo uno de ellos, ‘de cómo una corriente de energía, falta de propósito determinado, aporta vida y consciencia al mundo'. Forma parte del desconcierto la resbaladiza noción de la entropía, razonablemente bien definida con fines termodinámicos en términos de calor y temperatura, pero inverosímilmente ardua cuando hay que utilizarla como medida del desorden. Los físicos topan con sobradas dificultades en su deseo de medir el grado de orden en el agua, que compone estructuras cristalinas durante su transición al hielo, mientras la energía se disipa de modo incesante. La entropía termodinámica fracasa lamentablemente como medida del grado mutable de forma y de falta de ella en la creación de los aminoácidos, microorganismos, plantas y animales autorreproductores, y sistemas complejos de información, como el cerebro. Desde luego, esos islotes productores de orden han de obedecer a la segunda ley. Las leyes más importantes, las creadoras, se hallan en otra parte".50
El proceso de fusión nuclear es un ejemplo, no de decadencia, sino de construcción del universo. Esto ya fue planteado en 1931 por H. T. Poggio, que advirtió a los profetas del pesimismo termodinámico contra los intentos injustificados de extrapolar una ley, que se aplica en ciertas situaciones limitadas en la tierra, a todo el universo. "No estemos tan seguros de que el universo es como un reloj que siempre se va distendiendo. Puede haber una manera de darle cuerda".51
La segunda ley contiene dos elementos fundamentales ¾ uno negativo y otro positivo¾ . El primero plantea que ciertos proceso son imposibles (por ejemplo que el calor fluye de una fuente caliente a una fría, nunca al revés), y el segundo (que se deduce del primero) plantea que la entropía es una característica inevitable de todos los sistemas aislados. En un sistema aislado todas las situaciones de no equilibrio provocan evolución hacia el mismo tipo de estado de equilibrio. La termodinámica tradicional ve en la entropía solamente un movimiento hacia el desorden. Esto, sin embargo, se refiere sólo a sistemas simples aislados (por ejemplo una máquina de vapor). La nueva interpretación que hace Prigogine de las teorías de Boltzmann es mucho más amplia, radicalmente diferente.
Las reacciones químicas se producen como resultado de colisiones entre moléculas. Normalmente, la colisión no provoca un cambio de estado, las moléculas simplemente intercambian energía. Pero en algunos casos una colisión produce un cambio en las moléculas implicadas (una "colisión reactiva"). Esta reacciones se pueden acelerar con la utilización de catalizadores. En un organismo vivo estos catalizadores son proteínas específicas llamadas enzimas. Lo más probable es que este proceso jugase un papel decisivo en el surgimiento de la vida en la tierra. Los movimientos aparentemente caóticos y casuales de las moléculas, en un momento dado llegan a un punto crítico en el que la cantidad repentinamente se transforma en calidad. Y esta es una propiedad esencial de todas las formas de materia, no sólo orgánica sino también inorgánica.
"Sorprendentemente la percepción de tiempo orientado aumenta a medida en que aumenta el nivel de organización biológica y probablemente llega a su punto máximo en la conciencia humana".52
Todo organismo viviente combina orden y actividad. En contraste un cristal en un estado de equilibrio está estructurado, pero inerte. En la naturaleza el equilibrio no es normal sino, citando a Prigogine "un estado raro y precario". El no equilibrio es la norma. En sistemas simples aislados, como un cristal, se puede mantener el equilibrio durante mucho tiempo, incluso indefinidamente. Pero las cosas cambian cuando se trata de procesos complejos como seres vivos. No se puede mantener a una célula viviente en estado de equilibrio, o se morirá. Los procesos que rigen el surgimiento de la vida no son sencillos y lineales, sino dialécticos, implicando saltos repentinos en los que la cantidad se transforma en calidad.
Las reacciones químicas "clásicas" son vistas como procesos muy arbitrarios. Las moléculas implicadas están distribuidas de manera constante en el espacio y su extensión está distribuida "normalmente", es decir en una curva de Gauss. Este tipo de reacciones encajan con la concepción de Boltzmann en la medida en que todos los pasos de la cadena irán desapareciendo y la reacción acabará en una reacción estable, un equilibrio inmóvil. Sin embargo, en las últimas décadas se han descubierto reacciones químicas que se desvían de este concepto ideal y simplificado. Son conocidas con el nombre común de "relojes químicos". Los ejemplos más famosos son el de la reacción de Belousov-Zhabotinsky, y el modelo de Bruselas ideado por Ilya Prigogine.
La termodinámica lineal describe el comportamiento estable y predecible de sistemas que tienden hacia el mínimo nivel de actividad posible. Sin embargo, cuando las fuerzas termodinámicas que actúan en un sistema llegan al punto en que sobrepasan la región lineal, ya no se puede seguir asumiendo la estabilidad. Surgen turbulencias. Durante mucho tiempo se consideró la turbulencia como sinónimo de desorden y caos. Pero ahora se ha descubierto que lo que parece ser simplemente desorden caótico a nivel macroscópico (a gran escala), de hecho está altamente organizado a nivel microscópico (a pequeña escala).
Hoy en día, el estudio de las inestabilidades químicas se ha convertido en una cosa común. Especialmente interesantes son la investigaciones que se han hecho en Bruselas bajo la dirección de Ilya Prigogine. El estudio de lo que sucede más allá del punto crítico en el que empieza la inestabilidad química tiene un enorme interés desde el punto de vista de la dialéctica. El fenómeno del "reloj químico" es especialmente importante. El modelo de Bruselas (llamado el "bruselator" por los científicos americanos) describe el comportamiento de las moléculas de gas. Supongamos que hay dos tipos de moléculas, "rojas" y "azules", en un estado caótico, en moción completamente al azar. Se podría suponer que, llegados a un momento dado, se daría una distribución irregular de moléculas, produciendo un color "violeta", con destellos ocasionales de rojo o azul. Pero en un reloj químico, esto no sucede más allá del punto crítico. El sistema es todo azul, después todo rojo, y estos cambios se producen a intervalos regulares.
"Tal grado de orden surgiendo de la actividad de miles de millones de moléculas parece increíble", dicen Prigogine y Stengers, "y de hecho, sino se hubiesen observado relojes químicos, nadie creería que un proceso de ese tipo fuese posible. Para cambiar de color todas al mismo tiempo, las moléculas deben de tener una manera de ‘comunicarse'. El sistema tiene que actuar como un todo. Volveremos repetidamente a esta palabra clave, comunicar, que tiene una importancia evidente en tantos campos, de la química a la neurofisiología. Estructuras disipativas introducen probablemente uno de los mecanismos físicos más simples de comunicación".
El fenómeno del reloj químico demuestra como en la naturaleza el orden surge espontáneamente del caos en un punto determinado. Esta es una observación importante, especialmente en relación a la manera en que la vida surge de la materia inorgánica.
"El orden a través de modelos fluctuantes introduce un mundo inestable en el que pequeñas causas pueden tener grandes efectos, pero este mundo no es arbitrario. Por el contrario, las causas de la amplificación de un pequeño acontecimiento son un tema legítimo para la investigación racional".
En la teoría clásica las reacciones químicas se producen de manera estadísticamente ordenada. Normalmente hay una concentración media de moléculas, con una distribución regular. Sin embargo, en realidad, parece como si se pudieran organizar concentraciones locales por sí mismas. Este resultado es totalmente inesperado desde el punto de vista de la teoría tradicional. Estos puntos focales de lo que Prigogine llama "auto organización" pueden consolidarse hasta el punto que afectan todo el sistema en su conjunto. Lo que antes se creía que era un fenómeno marginal resulta ser totalmente decisivo. El punto de vista tradicional era considerar los procesos irreversibles como una molestia, provocada por la fricción u otras fuentes de calor perdidas en máquinas. Pero la situación ha cambiado. Sin procesos irreversibles la vida no sería posible. La vieja idea de la irreversibilidad como un fenómeno subjetivo (resultado de la ignorancia) está siendo seriamente cuestionada. Según Prigogine, la irreversibilidad existe a todos los niveles, tanto microscópicos como macroscópicos. Para Él, la segunda ley lleva a un nuevo concepto de la materia. En un estado de no equilibrio surge el orden. "El no-equilibrio provoca orden en el caos".53
http://www.engels.org/libr/razon/raz_2_8.htm
"Así es como termina el mundo, no con un estallido sino con un lloriqueo".
(T. S. Elliot)
En los últimos años la interpretación pesimista de la segunda ley ha sido desafiada por una teoría totalmente nueva. El premio Nóbel belga Ilya Prigogine y sus colaboradores han abierto el terreno a una interpretación radicalmente diferente de las teorías clásicas de la termodinámica. Existen ciertos paralelismos entre las teorías de Boltzmann y las de Darwin. En ambas, un gran número de fluctuaciones casuales conducen a un punto de cambio irreversible, en un caso en la forma de evolución biológica, en el otro en la de la disipación de la energía, y la evolución hacia el desorden. En termodinámica, el tiempo implica degradación y muerte. Y surge la pregunta de dónde encaja en esto el fenómeno de la vida con su tendencia inherente hacia la organización y complejidad creciente.
La ley afirma que las cosas, dejadas a sí solas, tienden a un incremento de la entropía. En los años 60, Ilya Prigogine y otros se dieron cuenta de que en el mundo real átomos y moléculas casi nunca están "dejados a sí solos". Todas las cosas afectan a todas las cosas. átomos y moléculas están casi siempre expuestos al flujo de energía y material del exterior, que si es suficientemente fuerte puede dar la vuelta parcialmente al proceso aparentemente inexorable de desorden planteado en la segunda ley de la termodinámica. De hecho, la naturaleza demuestra en muchos casos no sólo desorganización y decadencia, sino también el proceso opuesto al crecimiento y auto organización espontáneas. La madera se pudre, pero también crecen los árboles. Según Prigogine, las estructuras que se organizan por sí mismas se encuentran en todas partes en la naturaleza. De igual manera, M. Waldrop llega a la conclusión:
"Un láser es un sistema que se auto-organiza en el que las partículas de luz, fotones, pueden agruparse espontáneamente en un sólo haz potente que tiene a todos los fotones moviéndose prietas las filas. Un huracán es un sistema que se auto-organiza fortalecido por la corriente constante de energía que viene del sol, que dirige los vientos y saca el agua de la lluvia de los océanos. Una célula viva aunque mucho más complicada de analizar matemáticamente es un sistema que se auto-organiza que sobrevive tomando energía en forma de comida y excretando energía en forma de calor y desperdicios".49
En todas partes en la naturaleza observamos modelos de comportamiento. Algunos son ordenados y otros desordenados. Hay decadencia pero también hay crecimiento. Hay vida pero también hay muerte. De hecho estas tendencias contrapuestas van unidas. Son inseparables. La segunda ley asegura que todo en la naturaleza tiene un billete sólo de ida hacia el desorden y la decadencia. Sin embargo esto no cuadra con los modelos generales que podemos observar en la naturaleza. El propio concepto de "entropía", fuera de los límites estrictos de la termodinámica, es un concepto problemático.
"Los físicos reflexivos, a quienes interesa la acción de la termodinámica, se dan cuenta de cuán inquietante es la cuestión, como dijo uno de ellos, ‘de cómo una corriente de energía, falta de propósito determinado, aporta vida y consciencia al mundo'. Forma parte del desconcierto la resbaladiza noción de la entropía, razonablemente bien definida con fines termodinámicos en términos de calor y temperatura, pero inverosímilmente ardua cuando hay que utilizarla como medida del desorden. Los físicos topan con sobradas dificultades en su deseo de medir el grado de orden en el agua, que compone estructuras cristalinas durante su transición al hielo, mientras la energía se disipa de modo incesante. La entropía termodinámica fracasa lamentablemente como medida del grado mutable de forma y de falta de ella en la creación de los aminoácidos, microorganismos, plantas y animales autorreproductores, y sistemas complejos de información, como el cerebro. Desde luego, esos islotes productores de orden han de obedecer a la segunda ley. Las leyes más importantes, las creadoras, se hallan en otra parte".50
El proceso de fusión nuclear es un ejemplo, no de decadencia, sino de construcción del universo. Esto ya fue planteado en 1931 por H. T. Poggio, que advirtió a los profetas del pesimismo termodinámico contra los intentos injustificados de extrapolar una ley, que se aplica en ciertas situaciones limitadas en la tierra, a todo el universo. "No estemos tan seguros de que el universo es como un reloj que siempre se va distendiendo. Puede haber una manera de darle cuerda".51
La segunda ley contiene dos elementos fundamentales ¾ uno negativo y otro positivo¾ . El primero plantea que ciertos proceso son imposibles (por ejemplo que el calor fluye de una fuente caliente a una fría, nunca al revés), y el segundo (que se deduce del primero) plantea que la entropía es una característica inevitable de todos los sistemas aislados. En un sistema aislado todas las situaciones de no equilibrio provocan evolución hacia el mismo tipo de estado de equilibrio. La termodinámica tradicional ve en la entropía solamente un movimiento hacia el desorden. Esto, sin embargo, se refiere sólo a sistemas simples aislados (por ejemplo una máquina de vapor). La nueva interpretación que hace Prigogine de las teorías de Boltzmann es mucho más amplia, radicalmente diferente.
Las reacciones químicas se producen como resultado de colisiones entre moléculas. Normalmente, la colisión no provoca un cambio de estado, las moléculas simplemente intercambian energía. Pero en algunos casos una colisión produce un cambio en las moléculas implicadas (una "colisión reactiva"). Esta reacciones se pueden acelerar con la utilización de catalizadores. En un organismo vivo estos catalizadores son proteínas específicas llamadas enzimas. Lo más probable es que este proceso jugase un papel decisivo en el surgimiento de la vida en la tierra. Los movimientos aparentemente caóticos y casuales de las moléculas, en un momento dado llegan a un punto crítico en el que la cantidad repentinamente se transforma en calidad. Y esta es una propiedad esencial de todas las formas de materia, no sólo orgánica sino también inorgánica.
"Sorprendentemente la percepción de tiempo orientado aumenta a medida en que aumenta el nivel de organización biológica y probablemente llega a su punto máximo en la conciencia humana".52
Todo organismo viviente combina orden y actividad. En contraste un cristal en un estado de equilibrio está estructurado, pero inerte. En la naturaleza el equilibrio no es normal sino, citando a Prigogine "un estado raro y precario". El no equilibrio es la norma. En sistemas simples aislados, como un cristal, se puede mantener el equilibrio durante mucho tiempo, incluso indefinidamente. Pero las cosas cambian cuando se trata de procesos complejos como seres vivos. No se puede mantener a una célula viviente en estado de equilibrio, o se morirá. Los procesos que rigen el surgimiento de la vida no son sencillos y lineales, sino dialécticos, implicando saltos repentinos en los que la cantidad se transforma en calidad.
Las reacciones químicas "clásicas" son vistas como procesos muy arbitrarios. Las moléculas implicadas están distribuidas de manera constante en el espacio y su extensión está distribuida "normalmente", es decir en una curva de Gauss. Este tipo de reacciones encajan con la concepción de Boltzmann en la medida en que todos los pasos de la cadena irán desapareciendo y la reacción acabará en una reacción estable, un equilibrio inmóvil. Sin embargo, en las últimas décadas se han descubierto reacciones químicas que se desvían de este concepto ideal y simplificado. Son conocidas con el nombre común de "relojes químicos". Los ejemplos más famosos son el de la reacción de Belousov-Zhabotinsky, y el modelo de Bruselas ideado por Ilya Prigogine.
La termodinámica lineal describe el comportamiento estable y predecible de sistemas que tienden hacia el mínimo nivel de actividad posible. Sin embargo, cuando las fuerzas termodinámicas que actúan en un sistema llegan al punto en que sobrepasan la región lineal, ya no se puede seguir asumiendo la estabilidad. Surgen turbulencias. Durante mucho tiempo se consideró la turbulencia como sinónimo de desorden y caos. Pero ahora se ha descubierto que lo que parece ser simplemente desorden caótico a nivel macroscópico (a gran escala), de hecho está altamente organizado a nivel microscópico (a pequeña escala).
Hoy en día, el estudio de las inestabilidades químicas se ha convertido en una cosa común. Especialmente interesantes son la investigaciones que se han hecho en Bruselas bajo la dirección de Ilya Prigogine. El estudio de lo que sucede más allá del punto crítico en el que empieza la inestabilidad química tiene un enorme interés desde el punto de vista de la dialéctica. El fenómeno del "reloj químico" es especialmente importante. El modelo de Bruselas (llamado el "bruselator" por los científicos americanos) describe el comportamiento de las moléculas de gas. Supongamos que hay dos tipos de moléculas, "rojas" y "azules", en un estado caótico, en moción completamente al azar. Se podría suponer que, llegados a un momento dado, se daría una distribución irregular de moléculas, produciendo un color "violeta", con destellos ocasionales de rojo o azul. Pero en un reloj químico, esto no sucede más allá del punto crítico. El sistema es todo azul, después todo rojo, y estos cambios se producen a intervalos regulares.
"Tal grado de orden surgiendo de la actividad de miles de millones de moléculas parece increíble", dicen Prigogine y Stengers, "y de hecho, sino se hubiesen observado relojes químicos, nadie creería que un proceso de ese tipo fuese posible. Para cambiar de color todas al mismo tiempo, las moléculas deben de tener una manera de ‘comunicarse'. El sistema tiene que actuar como un todo. Volveremos repetidamente a esta palabra clave, comunicar, que tiene una importancia evidente en tantos campos, de la química a la neurofisiología. Estructuras disipativas introducen probablemente uno de los mecanismos físicos más simples de comunicación".
El fenómeno del reloj químico demuestra como en la naturaleza el orden surge espontáneamente del caos en un punto determinado. Esta es una observación importante, especialmente en relación a la manera en que la vida surge de la materia inorgánica.
"El orden a través de modelos fluctuantes introduce un mundo inestable en el que pequeñas causas pueden tener grandes efectos, pero este mundo no es arbitrario. Por el contrario, las causas de la amplificación de un pequeño acontecimiento son un tema legítimo para la investigación racional".
En la teoría clásica las reacciones químicas se producen de manera estadísticamente ordenada. Normalmente hay una concentración media de moléculas, con una distribución regular. Sin embargo, en realidad, parece como si se pudieran organizar concentraciones locales por sí mismas. Este resultado es totalmente inesperado desde el punto de vista de la teoría tradicional. Estos puntos focales de lo que Prigogine llama "auto organización" pueden consolidarse hasta el punto que afectan todo el sistema en su conjunto. Lo que antes se creía que era un fenómeno marginal resulta ser totalmente decisivo. El punto de vista tradicional era considerar los procesos irreversibles como una molestia, provocada por la fricción u otras fuentes de calor perdidas en máquinas. Pero la situación ha cambiado. Sin procesos irreversibles la vida no sería posible. La vieja idea de la irreversibilidad como un fenómeno subjetivo (resultado de la ignorancia) está siendo seriamente cuestionada. Según Prigogine, la irreversibilidad existe a todos los niveles, tanto microscópicos como macroscópicos. Para Él, la segunda ley lleva a un nuevo concepto de la materia. En un estado de no equilibrio surge el orden. "El no-equilibrio provoca orden en el caos".53
http://www.engels.org/libr/razon/raz_2_8.htm
http://www.kaosenlared.net/noticia.php?id_noticia=19025
