Estructura, diseño, inteligencia y creatividad
Los escritores científicos rara vez enfatizan la conexión entre entropía, estructura y diseño. La máquina de vapor es una estructura inteligentemente diseñada que inventó James Watt (inventor e ingeniero mecánico escocés, 1736–1819). El calor es una forma de energía altamente desorganizada. Si estamos en el bosque, lejos de casa, en una noche fría, podemos encender un fuego para calentarnos. El fuego no nos ayudará a llegar a casa a menos que tengamos disponible una estructura bastante compleja e inteligentemente diseñada para convertir parte del calor en trabajo útil. Por ejemplo, podemos llegar a casa si tenemos un automóvil. El motor tiene varios cilindros donde el mecanismo inyecta combustible y enciende fuego repetidamente en el momento justo para impulsar los pistones y transmitir energía a través del cigüeñal, la transmisión, el eje de transmisión, el diferencial y los ejes a las ruedas. La magia o la mezcla aleatoria de muchas piezas de chatarra obviamente no hicieron que aparecieran el automóvil y su motor. La existencia misma del automóvil implica que hay diseñadores creativos, inventores, ingenieros y maquinistas que trabajaron juntos para crearlo. Un diseñador puede reconocer el trabajo de otro.
Existe una fuerte conexión entre información, entropía y estructura. La estructura es necesaria para controlar los procesos físicos y hacerlos eficientes y reversibles. Cualquiera que lea un texto sobre termodinámica encontrará frecuentes referencias a cilindros y pistones, membranas semipermeables, válvulas, tubos y baños de temperatura constante. Todas esas estructuras son artefactos con inventores humanos. Todos fueron creados bajo el control de mentes que procesaban la información de manera inteligente.
Uno bien puede preguntarse si existen estructuras naturales para sacar trabajo útil del calor. No tenemos que mirar muy lejos. Los cuerpos humanos son motores térmicos que consumen formas de materia de baja entropía llamados alimentos, realizan un trabajo útil, usan parte de la energía restante para mantenerse calientes y expulsan calor junto con tres formas degradadas de materia de alta entropía. La respiración expulsa dióxido de carbono, que es una materia de desecho para los animales y las personas, pero útil para las plantas verdes. Ciertos insectos y bacterias utilizan nuestros materiales de desecho sólidos y líquidos. Todos los animales son también motores térmicos. Las personas y los animales dependen de las plantas para fabricar sus alimentos.
Las plantas son una especie de motor térmico que funciona a la inversa, para producir combustible a partir de la energía. Toman la energía de la luz solar y la usan para producir carbohidratos, alimento para ellos y para los animales. Algunos de los ingredientes de los carbohidratos provienen del suelo. En el proceso de producción de carbohidratos, las plantas también toman agua y dióxido de carbono, extraen el hidrógeno de las moléculas de agua y descargan el oxígeno del agua a la atmósfera. Para hacer esto, las plantas usan una máquina molecular compleja llamada clorofila.
El oxígeno atmosférico permite a los animales extraer energía de los alimentos al reconstituir el agua y el dióxido de carbono, moléculas que luego los animales descargan a la atmósfera. Una molécula compleja llamada hemoglobina, similar a la clorofila, transporta oxígeno en nuestra sangre a nuestras células que trabajan mientras queman alimentos. La misma hemoglobina elimina el dióxido de carbono. Muchas otras moléculas complejas, llamadas enzimas, controlan la fabricación de proteínas. Las proteínas constituyen la estructura de trabajo de nuestros cuerpos. Largas cadenas de ácido desoxirribonucleico (ADN) codifican la información para fabricar las máquinas moleculares que encontramos en los organismos vivos. ¿Dónde está la inteligencia que diseñó estas estructuras complejas? ¿Llegaron a existir a través de procesos aleatorios y las capacidades de diseño automático de la selección natural? ¿O alguna inteligencia superior trabajó para crear vida en la Tierra?
Estructura y descomposición, muerte y decadencia
Es experiencia humana universal que las herramientas se desgastan, las máquinas se descomponen y todos los organismos vivos mueren y se descomponen. Mucha gente confunde esta tendencia con el concepto físico de entropía. Una analogía es la única relación entre los dos. La segunda ley de la termodinámica no dice nada sobre la descomposición de la estructura.
Los físicos no pueden escribir leyes que predigan cuándo fallarán las máquinas, porque algunas máquinas se fabrican mejor que otras. Debemos remitir la pregunta a los ingenieros. Pueden probar máquinas, analizar la confiabilidad de las diferentes partes y predecir el "tiempo medio entre fallas", o sea, con qué frecuencia ocurrirán las fallas. Sus predicciones no establecen un límite absoluto al rendimiento de las máquinas individuales.
Los motores térmicos se estropean cuando sus piezas se desgastan o sus tubos se obstruyen con escamas y óxido. Los motores no se detienen porque su entropía sea demasiado grande. El calor residual que expulsan al medio ambiente se lleva la entropía. Esto permite que las máquinas mantengan una entropía interna promedio constante. Pueden continuar trabajando siempre que tengan combustible, suficientes fluidos de trabajo y un mantenimiento adecuado.
La entropía no condena a una estrella a la destrucción o extinción. La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía aumentará en cualquier reacción que emita calor. Sin embargo, ninguna ley de la física limita la cantidad de combustible que puede haber. Algunas estrellas se renuevan por un tiempo extrayendo hidrógeno de las nubes que encuentran moviéndose por el espacio. En el siglo XIX, la gente pensaba que las estrellas solo podían arder unos pocos millones de años. Esto se debe a que solo sabían de reacciones químicas. Tales reacciones pueden producir como máximo unos pocos fotones de luz por cada átomo que entra en la reacción. Pero las reacciones nucleares pueden producir millones de fotones de luz por cada átomo en la reacción. Este descubrimiento del siglo XX, la energía nuclear, ha aumentado considerablemente la esperanza de vida de las estrellas. Durante mucho tiempo han estado quemando un combustible que hemos descubierto recientemente.
Las estrellas dejan de brillar cuando agotan su combustible, no porque su entropía sea demasiado grande. La luz y el calor de las estrellas transportan gran parte de su entropía al resto del universo. El resto permanece en las cenizas. Estos se hunden en el centro de la estrella. La combustión nuclear continúa en una capa esférica alrededor del centro inerte mientras haya combustible.
La segunda ley de la termodinámica tampoco condena a los organismos vivos a morir. Podemos aplicar a nuestros propios cuerpos la discusión anterior sobre máquinas y estrellas. Todos los organismos vivos se mantienen en un estado de baja entropía consumiendo alimentos y expulsando materia degradada. Los telómeros, los terminadores en los extremos de las hebras de ADN que evitan que la doble hélice se deshaga, se acortan cada vez más a medida que las células se replican. Esto actualmente establece el límite superior de la longevidad humana. Los actuarios pueden calcular la expectativa de vida promedio lo suficientemente bien como para que el negocio de seguros sea rentable, pero no lo suficientemente bien como para que cualquier individuo pueda estar seguro de la fecha y hora de su muerte. Las tablas de mortalidad no limitan la longevidad de nadie. La universalidad e irreversibilidad de la muerte no son consecuencia de la segunda ley de la termodinámica.
Las fórmulas que usan los ingenieros y los actuarios no son leyes de la física. Tales predicciones son solo estadísticas, y no son deterministas. Notemos el contraste entre las predicciones estadísticas y la entropía. La entropía es calculable y medible en circunstancias controladas. Por lo tanto, la entropía no es lo mismo que el desgaste, el colapso, la enfermedad, la muerte y la degradación.
Podemos calcular la entropía cuando hay algún tipo de estructura, un gas en una caja, un motor térmico o una cadena de símbolos codificados. La segunda ley de la termodinámica se trata de cuán eficiente es la estructura en el manejo de la energía. La segunda ley no dice nada sobre los posibles modos de ruptura de la estructura, o incluso si la ruptura es inevitable. Cuando los físicos dicen que la entropía es desorden, se refieren a una medida muy específica de desorden, no a una desorganización general.
Perfección y Belleza
¿Es posible hacer una máquina perfecta que funcione para siempre y nunca se averíe? Esto nos lleva a una diferencia fundamental entre lo grande y lo pequeño. A nivel de partículas más pequeños que los núcleos de los átomos, todo es perfecto. Ninguna partícula tiene sobrepeso ni es defectuosa. Todos los electrones tienen exactamente la misma carga eléctrica, y esa carga es exactamente la correcta para cancelar la carga de cualquier protón. Las partículas de la misma especie más pequeños que los núcleos de los átomos son idénticas e indistinguibles. Cuando tales partículas están tan cerca unas de otras que sus amplitudes de onda se superponen, la mecánica cuántica debe tener en cuenta el hecho de que son indistinguibles. Partículas idénticas e indistinguibles pueden cambiar de lugar entre sí sin que nadie esté seguro de lo que sucedió. Cuando se unen a los átomos, los electrones bailan sin cesar alrededor del núcleo, sin fricción, sin desgaste, sin disipación de energía. Los átomos son máquinas de movimiento perpetuo. Hemos señalado antes que las leyes de la termodinámica no niegan la existencia de máquinas de movimiento perpetuo. Las leyes sólo dicen que ninguna máquina puede trabajar útilmente para siempre sin combustible.
Todas las partículas del mismo tipo más pequeños que los núcleos de los átomos son iguales, pero no todos los átomos. El núcleo de un átomo neutro puede tener más o menos neutrones del habitual. La presencia de uno o dos neutrones adicionales en uno de los dos átomos de oxígeno en una molécula de dióxido de carbono hace que la molécula sea asimétrica. Gira fuera de equilibrio y absorbe el doble de líneas de radiación infrarroja lejana.
La primera desviación de la belleza de la perfección tiene que ver con el exceso o la falta, o la desviación de la forma ideal. Algunos podrían afirmar que esto es una reivindicación de una de las ideas de Platón (filósofo griego, que nació alrededor del 428 a. C., y murió alrededor del 347 a. C.). Sin embargo, los elementos inestables también juegan un papel en hacer que el universo sea adecuado para la vida. ¿Son feos los átomos de hidrógeno extrapesados y los átomos de helio livianos? No, desempeñan un papel clave para que el Sol y las estrellas brillen. Como otro ejemplo, algunos núcleos de uranio tienen solo 143 neutrones en lugar de los 146 habituales. Eso hace que los núcleos de uranio más ligeros sean inestables. Pero la descomposición del uranio provoca un calentamiento desigual del interior de la Tierra, lo que ayuda a formar los continentes. Sin formas inestables de uranio, un solo océano podría cubrir completamente la Tierra.
La entropía es necesaria para la vida. Sin cambios químicos irreversibles no podríamos digerir nuestra comida. Por lo tanto, entropía y muerte no son lo mismo.
Los escritores científicos rara vez enfatizan la conexión entre entropía, estructura y diseño. La máquina de vapor es una estructura inteligentemente diseñada que inventó James Watt (inventor e ingeniero mecánico escocés, 1736–1819). El calor es una forma de energía altamente desorganizada. Si estamos en el bosque, lejos de casa, en una noche fría, podemos encender un fuego para calentarnos. El fuego no nos ayudará a llegar a casa a menos que tengamos disponible una estructura bastante compleja e inteligentemente diseñada para convertir parte del calor en trabajo útil. Por ejemplo, podemos llegar a casa si tenemos un automóvil. El motor tiene varios cilindros donde el mecanismo inyecta combustible y enciende fuego repetidamente en el momento justo para impulsar los pistones y transmitir energía a través del cigüeñal, la transmisión, el eje de transmisión, el diferencial y los ejes a las ruedas. La magia o la mezcla aleatoria de muchas piezas de chatarra obviamente no hicieron que aparecieran el automóvil y su motor. La existencia misma del automóvil implica que hay diseñadores creativos, inventores, ingenieros y maquinistas que trabajaron juntos para crearlo. Un diseñador puede reconocer el trabajo de otro.
Existe una fuerte conexión entre información, entropía y estructura. La estructura es necesaria para controlar los procesos físicos y hacerlos eficientes y reversibles. Cualquiera que lea un texto sobre termodinámica encontrará frecuentes referencias a cilindros y pistones, membranas semipermeables, válvulas, tubos y baños de temperatura constante. Todas esas estructuras son artefactos con inventores humanos. Todos fueron creados bajo el control de mentes que procesaban la información de manera inteligente.
Uno bien puede preguntarse si existen estructuras naturales para sacar trabajo útil del calor. No tenemos que mirar muy lejos. Los cuerpos humanos son motores térmicos que consumen formas de materia de baja entropía llamados alimentos, realizan un trabajo útil, usan parte de la energía restante para mantenerse calientes y expulsan calor junto con tres formas degradadas de materia de alta entropía. La respiración expulsa dióxido de carbono, que es una materia de desecho para los animales y las personas, pero útil para las plantas verdes. Ciertos insectos y bacterias utilizan nuestros materiales de desecho sólidos y líquidos. Todos los animales son también motores térmicos. Las personas y los animales dependen de las plantas para fabricar sus alimentos.
Las plantas son una especie de motor térmico que funciona a la inversa, para producir combustible a partir de la energía. Toman la energía de la luz solar y la usan para producir carbohidratos, alimento para ellos y para los animales. Algunos de los ingredientes de los carbohidratos provienen del suelo. En el proceso de producción de carbohidratos, las plantas también toman agua y dióxido de carbono, extraen el hidrógeno de las moléculas de agua y descargan el oxígeno del agua a la atmósfera. Para hacer esto, las plantas usan una máquina molecular compleja llamada clorofila.
El oxígeno atmosférico permite a los animales extraer energía de los alimentos al reconstituir el agua y el dióxido de carbono, moléculas que luego los animales descargan a la atmósfera. Una molécula compleja llamada hemoglobina, similar a la clorofila, transporta oxígeno en nuestra sangre a nuestras células que trabajan mientras queman alimentos. La misma hemoglobina elimina el dióxido de carbono. Muchas otras moléculas complejas, llamadas enzimas, controlan la fabricación de proteínas. Las proteínas constituyen la estructura de trabajo de nuestros cuerpos. Largas cadenas de ácido desoxirribonucleico (ADN) codifican la información para fabricar las máquinas moleculares que encontramos en los organismos vivos. ¿Dónde está la inteligencia que diseñó estas estructuras complejas? ¿Llegaron a existir a través de procesos aleatorios y las capacidades de diseño automático de la selección natural? ¿O alguna inteligencia superior trabajó para crear vida en la Tierra?
Estructura y descomposición, muerte y decadencia
Es experiencia humana universal que las herramientas se desgastan, las máquinas se descomponen y todos los organismos vivos mueren y se descomponen. Mucha gente confunde esta tendencia con el concepto físico de entropía. Una analogía es la única relación entre los dos. La segunda ley de la termodinámica no dice nada sobre la descomposición de la estructura.
Los físicos no pueden escribir leyes que predigan cuándo fallarán las máquinas, porque algunas máquinas se fabrican mejor que otras. Debemos remitir la pregunta a los ingenieros. Pueden probar máquinas, analizar la confiabilidad de las diferentes partes y predecir el "tiempo medio entre fallas", o sea, con qué frecuencia ocurrirán las fallas. Sus predicciones no establecen un límite absoluto al rendimiento de las máquinas individuales.
Los motores térmicos se estropean cuando sus piezas se desgastan o sus tubos se obstruyen con escamas y óxido. Los motores no se detienen porque su entropía sea demasiado grande. El calor residual que expulsan al medio ambiente se lleva la entropía. Esto permite que las máquinas mantengan una entropía interna promedio constante. Pueden continuar trabajando siempre que tengan combustible, suficientes fluidos de trabajo y un mantenimiento adecuado.
La entropía no condena a una estrella a la destrucción o extinción. La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía aumentará en cualquier reacción que emita calor. Sin embargo, ninguna ley de la física limita la cantidad de combustible que puede haber. Algunas estrellas se renuevan por un tiempo extrayendo hidrógeno de las nubes que encuentran moviéndose por el espacio. En el siglo XIX, la gente pensaba que las estrellas solo podían arder unos pocos millones de años. Esto se debe a que solo sabían de reacciones químicas. Tales reacciones pueden producir como máximo unos pocos fotones de luz por cada átomo que entra en la reacción. Pero las reacciones nucleares pueden producir millones de fotones de luz por cada átomo en la reacción. Este descubrimiento del siglo XX, la energía nuclear, ha aumentado considerablemente la esperanza de vida de las estrellas. Durante mucho tiempo han estado quemando un combustible que hemos descubierto recientemente.
Las estrellas dejan de brillar cuando agotan su combustible, no porque su entropía sea demasiado grande. La luz y el calor de las estrellas transportan gran parte de su entropía al resto del universo. El resto permanece en las cenizas. Estos se hunden en el centro de la estrella. La combustión nuclear continúa en una capa esférica alrededor del centro inerte mientras haya combustible.
La segunda ley de la termodinámica tampoco condena a los organismos vivos a morir. Podemos aplicar a nuestros propios cuerpos la discusión anterior sobre máquinas y estrellas. Todos los organismos vivos se mantienen en un estado de baja entropía consumiendo alimentos y expulsando materia degradada. Los telómeros, los terminadores en los extremos de las hebras de ADN que evitan que la doble hélice se deshaga, se acortan cada vez más a medida que las células se replican. Esto actualmente establece el límite superior de la longevidad humana. Los actuarios pueden calcular la expectativa de vida promedio lo suficientemente bien como para que el negocio de seguros sea rentable, pero no lo suficientemente bien como para que cualquier individuo pueda estar seguro de la fecha y hora de su muerte. Las tablas de mortalidad no limitan la longevidad de nadie. La universalidad e irreversibilidad de la muerte no son consecuencia de la segunda ley de la termodinámica.
Las fórmulas que usan los ingenieros y los actuarios no son leyes de la física. Tales predicciones son solo estadísticas, y no son deterministas. Notemos el contraste entre las predicciones estadísticas y la entropía. La entropía es calculable y medible en circunstancias controladas. Por lo tanto, la entropía no es lo mismo que el desgaste, el colapso, la enfermedad, la muerte y la degradación.
Podemos calcular la entropía cuando hay algún tipo de estructura, un gas en una caja, un motor térmico o una cadena de símbolos codificados. La segunda ley de la termodinámica se trata de cuán eficiente es la estructura en el manejo de la energía. La segunda ley no dice nada sobre los posibles modos de ruptura de la estructura, o incluso si la ruptura es inevitable. Cuando los físicos dicen que la entropía es desorden, se refieren a una medida muy específica de desorden, no a una desorganización general.
Perfección y Belleza
¿Es posible hacer una máquina perfecta que funcione para siempre y nunca se averíe? Esto nos lleva a una diferencia fundamental entre lo grande y lo pequeño. A nivel de partículas más pequeños que los núcleos de los átomos, todo es perfecto. Ninguna partícula tiene sobrepeso ni es defectuosa. Todos los electrones tienen exactamente la misma carga eléctrica, y esa carga es exactamente la correcta para cancelar la carga de cualquier protón. Las partículas de la misma especie más pequeños que los núcleos de los átomos son idénticas e indistinguibles. Cuando tales partículas están tan cerca unas de otras que sus amplitudes de onda se superponen, la mecánica cuántica debe tener en cuenta el hecho de que son indistinguibles. Partículas idénticas e indistinguibles pueden cambiar de lugar entre sí sin que nadie esté seguro de lo que sucedió. Cuando se unen a los átomos, los electrones bailan sin cesar alrededor del núcleo, sin fricción, sin desgaste, sin disipación de energía. Los átomos son máquinas de movimiento perpetuo. Hemos señalado antes que las leyes de la termodinámica no niegan la existencia de máquinas de movimiento perpetuo. Las leyes sólo dicen que ninguna máquina puede trabajar útilmente para siempre sin combustible.
Todas las partículas del mismo tipo más pequeños que los núcleos de los átomos son iguales, pero no todos los átomos. El núcleo de un átomo neutro puede tener más o menos neutrones del habitual. La presencia de uno o dos neutrones adicionales en uno de los dos átomos de oxígeno en una molécula de dióxido de carbono hace que la molécula sea asimétrica. Gira fuera de equilibrio y absorbe el doble de líneas de radiación infrarroja lejana.
La primera desviación de la belleza de la perfección tiene que ver con el exceso o la falta, o la desviación de la forma ideal. Algunos podrían afirmar que esto es una reivindicación de una de las ideas de Platón (filósofo griego, que nació alrededor del 428 a. C., y murió alrededor del 347 a. C.). Sin embargo, los elementos inestables también juegan un papel en hacer que el universo sea adecuado para la vida. ¿Son feos los átomos de hidrógeno extrapesados y los átomos de helio livianos? No, desempeñan un papel clave para que el Sol y las estrellas brillen. Como otro ejemplo, algunos núcleos de uranio tienen solo 143 neutrones en lugar de los 146 habituales. Eso hace que los núcleos de uranio más ligeros sean inestables. Pero la descomposición del uranio provoca un calentamiento desigual del interior de la Tierra, lo que ayuda a formar los continentes. Sin formas inestables de uranio, un solo océano podría cubrir completamente la Tierra.
La entropía es necesaria para la vida. Sin cambios químicos irreversibles no podríamos digerir nuestra comida. Por lo tanto, entropía y muerte no son lo mismo.